硬腦膜外電刺激皮層神經(jīng)假體的能量信號(hào)傳輸關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、神經(jīng)假體學(xué)是一門利用神經(jīng)科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)來(lái)研究神經(jīng)功能修復(fù)的學(xué)科。皮層神經(jīng)假體是一種可替代因傷或疾病被破壞的皮層運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元、感覺(jué)神經(jīng)元或者認(rèn)知形式功能的裝置。硬腦膜外電刺激皮層神經(jīng)假體是將微電極、功能集成電路植入人體硬腦膜上的特定區(qū)域，電刺激靶區(qū)域的皮層神經(jīng)組織使原先由于創(chuàng)傷或疾病導(dǎo)致阻斷的特定神經(jīng)通路再次激活，從而達(dá)到修復(fù)特定神經(jīng)功能的目的，具有微創(chuàng)性、腦組織保持完整及感染風(fēng)險(xiǎn)小的優(yōu)點(diǎn)。
　　 本論文在總結(jié)分析神經(jīng)功能修

2、復(fù)意義、皮層神經(jīng)假體的分類、關(guān)鍵技術(shù)及能量信號(hào)傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地提出硬腦膜外電刺激皮層神經(jīng)假體的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)分析硬腦膜外電刺激皮層神經(jīng)假體的能量信號(hào)傳輸關(guān)鍵技術(shù)需求，對(duì)其中的感應(yīng)無(wú)線電能傳輸技術(shù)、無(wú)線供能通信技術(shù)及無(wú)線采集技術(shù)等共性關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究，并開展了硬腦膜外電刺激皮層假體方案可行性的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。本論文的主要研究工作如下：
　　 1.針對(duì)硬腦膜外電刺激皮層神經(jīng)假體植入電路芯片的電能供應(yīng)需求，本

3、論文提出了一種基于超大規(guī)模集成電路(VLSI)的經(jīng)顱感應(yīng)無(wú)線電能傳輸方案。該經(jīng)顱感應(yīng)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)包括體外能量發(fā)射電路和體內(nèi)能量接收電路，兩者通過(guò)一對(duì)電磁耦合線圈實(shí)現(xiàn)能量無(wú)線傳輸。體外裝置，即無(wú)線電能傳輸發(fā)射電路，包括射頻振蕩器、E類功率放大器和體外耦合線圈三部分。體內(nèi)裝置，即無(wú)線電能傳輸接收電路，包括整流濾波電路、穩(wěn)壓電路。通過(guò)無(wú)線電能傳輸電路的Pspice仿真調(diào)試、無(wú)線電能傳輸接收電路CAD設(shè)計(jì)及CAD版圖設(shè)計(jì)，完成無(wú)線電能傳輸測(cè)

4、試實(shí)驗(yàn)，特別是低壓差穩(wěn)壓電路改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：該基于VLSI的經(jīng)顱感應(yīng)無(wú)線電能傳輸接收電路版圖面積62μm×195μm，輸出3.3V電壓；利用美國(guó)JohnsHopkins University的Neuroengineering&Biomedical Instrumentation Lab無(wú)線供能芯片完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)能在4MHz載波頻段為(10～15)mm距離內(nèi)植入電路芯片在提供穩(wěn)定3.3V電壓輸出10mA驅(qū)動(dòng)

5、電流；該感應(yīng)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)具有安全、穩(wěn)定、有效的特點(diǎn)，無(wú)需外接導(dǎo)線、無(wú)需更換電池且無(wú)感染危險(xiǎn)；為硬腦膜外皮層神經(jīng)電刺激神經(jīng)假體的后續(xù)研究提供了一種可靠的無(wú)線電能傳輸工具。
　　 2.針對(duì)硬腦膜外電刺激皮層神經(jīng)假體植入電路芯片在執(zhí)行神經(jīng)功能修復(fù)任務(wù)時(shí)需從外界獲取電刺激信號(hào)源的問(wèn)題，本論文提出一種經(jīng)顱的神經(jīng)電刺激信號(hào)無(wú)線傳輸方案。該系統(tǒng)包括體外的無(wú)線電能傳輸發(fā)射電路和無(wú)線通信發(fā)射電路，體內(nèi)的無(wú)線電能傳輸接收電路和無(wú)線通信接收電路。

6、通過(guò)設(shè)計(jì)經(jīng)顱神經(jīng)電刺激信號(hào)的無(wú)線傳輸方案設(shè)計(jì)，建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)基于耦合線圈的經(jīng)顱神經(jīng)電刺激信號(hào)的無(wú)線傳輸實(shí)驗(yàn)，在保證無(wú)線電能輸出電壓穩(wěn)定的前提下，獲得該經(jīng)顱神經(jīng)電刺激信號(hào)無(wú)線傳輸系統(tǒng)的最高通信速率、最佳植入耦合線圈尺寸及誤碼率等性能。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：利用美國(guó)Johns Hopkins University的Neuroengineering&Biomedical Instrumentation Lab無(wú)線供能芯片和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)同一

7、套電磁耦合線圈，實(shí)現(xiàn)能量和數(shù)據(jù)在相同方向的同步傳輸；該無(wú)線供能通信系統(tǒng)為硬腦膜外電刺激皮層神經(jīng)假體植入電路能在4MHz載波頻段為(10～15)mm距離內(nèi)植入電路芯片在提供穩(wěn)定3.3V電壓的同時(shí)，且能通過(guò)半徑10mm體內(nèi)耦合線圈提供電刺激信號(hào)數(shù)據(jù)，其最高通信速率為25 kbps；該經(jīng)顱神經(jīng)電刺激信號(hào)無(wú)線傳輸技術(shù)無(wú)需外接導(dǎo)線，無(wú)感染危險(xiǎn)，是一種微創(chuàng)、有效的通信方法。
　　 3.針對(duì)硬腦膜外電刺激皮層神經(jīng)假體在修復(fù)神經(jīng)功能過(guò)程中需對(duì)電

8、極-組織接口信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)的需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于VLSI的經(jīng)顱神經(jīng)電信號(hào)無(wú)線采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括采集電路、射頻收發(fā)芯片及計(jì)算機(jī)等。設(shè)計(jì)經(jīng)顱神經(jīng)電信號(hào)的無(wú)線采集方案，通過(guò)研制該無(wú)線采集系統(tǒng)，完成了采集系統(tǒng)的性能測(cè)試、電生理信號(hào)離體無(wú)線傳輸實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：該采集系統(tǒng)的體積小，大約56mm×50mm×30 mm；利用16通道VLSI神經(jīng)弱電勢(shì)采集芯片，多參數(shù)可調(diào)，且具有低功耗、集成化的特點(diǎn)；該系統(tǒng)能在一米內(nèi)以57.6kbps通信速

9、率進(jìn)行Spike和EEG等信號(hào)的無(wú)線采集傳輸，誤差率低于8.9336×10-4；該系統(tǒng)采集神經(jīng)假體電極-組織接口信息，確保硬腦膜外電刺激皮層神經(jīng)假體神經(jīng)修復(fù)功能，是硬腦膜外電刺激皮層神經(jīng)假體研究的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及監(jiān)測(cè)工具。
　　 4.根據(jù)硬腦膜外電刺激皮層神經(jīng)假體研究中假設(shè)硬腦膜外的電刺激傳遞到皮層時(shí)仍為有效電刺激信號(hào)的假說(shuō)，本論文設(shè)計(jì)了硬腦膜外電刺激皮層神經(jīng)假體的電極-組織接口動(dòng)物實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)該假說(shuō)進(jìn)行驗(yàn)證。提出硬腦膜外電刺激皮層神

10、經(jīng)假體電極-組織接口動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方案，搭建動(dòng)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上通過(guò)不同電刺激參數(shù)及空間位置等研究硬腦膜外電刺激信號(hào)的有效傳遞實(shí)驗(yàn)，從而反映硬腦膜-腦脊液-軟腦膜組織結(jié)構(gòu)對(duì)電刺激信號(hào)傳遞的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了硬腦膜外電刺激皮層方案的可行性，為課題后續(xù)工作奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　 本論文從感應(yīng)無(wú)線電能傳輸技術(shù)、無(wú)線供能通信技術(shù)及無(wú)線采集技術(shù)三方面對(duì)硬腦膜外電刺激皮層神經(jīng)假體中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，并完成了硬腦膜外電刺激皮

11、層神經(jīng)假體方案可行性的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)本文的研究和實(shí)驗(yàn)為硬腦膜外電刺激皮層神經(jīng)假體具體而深入的研究奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。本文的創(chuàng)新性工作總結(jié)如下：
　　 (1)提出一種基于VLSI的經(jīng)顱無(wú)線電能傳輸與經(jīng)顱神經(jīng)電刺激信號(hào)的傳輸方法，設(shè)計(jì)了基于VLSI的感應(yīng)無(wú)線電能接收模塊電路及基于電磁感應(yīng)的經(jīng)顱神經(jīng)電刺激信號(hào)傳輸模塊電路，通過(guò)低壓差穩(wěn)壓電路的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)及神經(jīng)電刺激信號(hào)在一對(duì)耦合線圈之間的無(wú)線傳輸實(shí)驗(yàn)，測(cè)得該感應(yīng)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)能為

12、(10～15)mm距離內(nèi)的植入電路芯片提供穩(wěn)定3.3V電壓10mA驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)能在半徑10mm植入耦合線圈上提供最高通信速率25 kbps的電刺激信號(hào)，為硬腦膜外電刺激皮層神經(jīng)假體研究提供一種無(wú)線電能傳輸及電刺激信號(hào)傳輸技術(shù)。
　　 (2)提出一種基于VLSI經(jīng)顱神經(jīng)電信號(hào)無(wú)線采集方案，搭建該無(wú)線采集系統(tǒng)，體積大約56mm×50mm×30 mm，通過(guò)多通道性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)得該無(wú)線采集系統(tǒng)能在一米內(nèi)對(duì)Spike和EEG信號(hào)等以最