Compressive Sensing system for recording of ECoG signals in-vivo

RiassuntoIl progetto “Compressive Sensing system for recording of ECoG signals in-vivo” è statorealizzato attraverso una stimolante collaborazione tra il Microelectronic System Laboratory (LSM)dell'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Svizzera) e il centro di ricerca sulla micro enanotecnologia, IMEC, (Leuven, Belgio). In questo modo, il contesto della tesi è stato sia,accademico che industriale. Per quanto riguarda l'ultima classifica dell'Università di Leiden alla finedel 2011, l’EPFL arriva al numero dodici della classifica mondiale e in cima alla tabella come la primaistituzione non americana. EPFL e ETHZ, al 12° e 18° posto, rispettivamente, sono le due primeistituzione non americane. Per quel che riguarda IMEC, si tratta di un campus di ricerca con sede aLovanio, ma ha sedi distaccate nei Paesi Bassi, Cina, Taiwan e India, e uffici in Giappone e negliStati Uniti in Belgio. Si estende su 24.400 m² di spazio per uffici, laboratori, strutture di formazione esale di supporto tecnico, tra cui ci sono due cleanroom di 300 nm e 200mm.Durante il periodo trascorso preso l’EPFL, la motivazione del presente progetto è stata, prima ditutto, uno studio approfondito dello stato dell’arte della nuova metodologia di compressione deisegnali chiamato Compressive Sensing. In questa fase, sono state studiate le base matematiche perrealizzare la compressione, l’applicabilità del metodo e una vasta gamma di algoritmi per lasoluzione del recupero dei segnali. In questo modo, sono stati svilupatti dei modelli in Matlab eSimulink per applicare una compressione efficace e una ricostruzione affidabile.Compressive Sensing è diventata una tecnica di compressione rivoluzionaria per i segnali biologiciclassificati come sparsi, densa fonte di informazioni in biosistemi di multielettrodi. Per tanto, in questoprogetto è stato studiato come applicare la nuova tecnica Compressive Sensing in un sistemamulticanale on-chip orientato all’acquisizione di Electrocorticografia (ECoG) e Potenziali di Azione(AP). I segnali neurali ECOG e AP hanno dimostrato di adattarsi ai requisiti del CompressiveSensing.Come conclusione del periodo di LSM, la pubblicazione “Circuit-Level Implementation ofCompressed Sensing for Multi-Channel Neural Recording” è stata presentata come il primoriferimento dello Spatial Compressive Sensing (SCS), un nuovo metodo per la compressione deisegnali che sono distribuiti su un array di multielettrodi e sono sparsi nel dominio spaziale. Lapossibilita di comprimere e ricostruire questi segnali è stata dimostrata mediante implementazioni inMatlab e Cadence. Nella stessa pubblicazione, un nuovo e più compatto generatore causaleparallelo basato in PRBS seriale è stato presentato.Durante il periodo in IMEC, un più profondo studio della integrazione dei circuiti perl’implemenntazione de un sistema basato in Compressive Sensing per l’applicazione in segnalineurali è stato realizzato. Più in dettaglio, una nueva implementazione dei blocchi necessari pereffettuare il mixing e l'integrazione dei segnali in ingresso è stato proposto secondo un approccioanalogico per la topologia di multipath.13