2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of the world's smallest needle-electrode based brain implantable electronics
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20H00244
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
河野 剛士 豊橋技術科学大学, エレクトロニクス先端融合研究所, 教授 (70452216)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鯉田 孝和 豊橋技術科学大学, エレクトロニクス先端融合研究所, 准教授 (10455222)
沼野 利佳 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30462716)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | センシングデバイス / 脳計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
米国、欧州、近年のアジア諸国も含め世界脳科学研究の拡大に伴い、脳計測デバイスが最重要技術のひとつとして取り上げられている。質の高い脳計測は刺入 方電極が必然だが、既存電極は直径数十~数百μm以上と大きく、組織損傷を引き起こし、長期安定計測ができない。本研究では、申請者が開発した直径5 μm以 下の世界最小プローブ技術を基軸にその脳内埋め込み応用への発展とし、デバイスの全フレキシブル化、薄膜化技術、無線(ワイヤレス)技術に取り組む。これ により既存技術では不可能であった長期安定的な脳計測が可能になり、学術的には脳メカニズム、生命システムの理解、さらには治療応用に貢献できる。また、 今後の企業参入が予測される脳-コンピューターインターフェース技術を実現する脳インプラント(埋め込み)デバイス技術を開拓できる。 本研究目的を達成するため、2020年度は提案するプローブ電極デバイスの基板フレキシブル化プロセスの確立と動物実験による計測評価、脳組織の損傷評価を 実施した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2021年度において，提案する微細プローブの高インピーダンス特性を改善するため，プローブ電極デバイスにバッファアンプを搭載する技術を確立した。
1.バッファアンプの設計：初段のバッファアンプをソースフォロワで設計し，本学のNMOSプロセスで製作し，評価した。またPMOS構成のソースフォロワも製作し，低ノイズ化を実現した。
動物実験において，製作したバッファアンプを搭載したプローブ電極を使用して，マウス脳からのニューロン信号を高い信号対雑音比で記録した。
2.バッファアンプ薄膜化プロセス技術の確立：バッファアンプの薄膜化に関して，当初予定した1）MOSFET製作工程中での薄膜化に加え， 2）MOSFET製作後における基板バックグラインディング（100 μm厚）の両方を試行し，それぞれMOSFET薄膜化の実現性と回路動作を確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
脳計測デバイスには，動物の自由行動の制限，ケーブルの振動による雑音，さらに感染の課題が残る。これまでの確立してきたバッファアンプは，プローブ電極の後段回路の汎用性を高める。この利点を活かし，提案デバイスを無線（ワイヤレス）化し，脳計測デバイの課題を解決する。提案するシステムには，高い汎用性，小型可搬性，低コストを実現するBLE（Bluetooth-Low-Energy）技術を使用する。
3.1.システム設計：システム設計は，ドリフト除去用フィルタ（HPF），増幅器（AMP），MUX，ADC，無線回路（BLE）の構成とする。
3.2.無線モジュールのフレキシブル化：無線回路モジュールを小型，軽量化に加え，フレキシブル化する。材料には生体適合性の高くかつ比重の軽い高分子材料（パリレン，ポリイミドなど）を用いる。
3.3.動物埋め込み 提案する無線デバイス有効性を確認するために，小型実験動物であるマウスなどのげっ歯類を使用した計測評価を実施する。マウスへの本システムの搭載は頭部を想定する。また，無線デバイスの搭載の有無による動物個体の負担を行動解析などで定量的に評価する。
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