CN101185789A - 植入式神经微刺激和采集遥控芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植入式神经微刺激和采集遥控芯片。包括脑神经电刺激和采集模块、神经微刺激和采集电极阵列、上行无线射频通讯模块、下行无线射频通讯及能量耦合电源模块；整个遥控装置至于动物脑内；下行无线射频通讯及能量耦合电源模块获取外界传入的指令，解析后控制脑神经电刺激和采集模块，产生刺激信号并利用射频能量耦合原理负责整个植入式芯片遥控装置的能量供给；上行无线射频通讯模块将脑神经电刺激和采集模块传入的神经电信号无线传输出；本发明通过在动物脑内植入芯片，可以使得对动物的生理信号获取以及控制的系统更加小型化，减少外界装置对动物的影响，同时在未来可实用的领域增加隐蔽性和质量安全性。

Description

植入式神经微刺激和采集遥控芯片

技术领域

本发明涉及一种遥控芯片技术，具体来说是涉及一种植入式神经微刺激和采集遥控芯片。

背景技术

脑机交互技术(BCI)，研究的是如何通过非自然的方法沟通脑内信息和外界环境。它为大脑和环境提供了双向传输通道，外界信息能从仿生传感器输入到神经系统，神经信号也可以用于控制外部电子机械装置。该项技术可以修复、改善甚至扩展神经系统原有功能，提供了一种崭新的信息交互模式。

近年来，随着医学技术和材料科学的进步，植入式电极在脑机交互技术中的研究得到了突破性的进展。1999年，Duke大学Nicolelis领导的研究小组在短尾猴的大脑植入极细微的电极，使它们可以利用脑波控制机械手臂。加州理工大学的Andersen教授领导的研究小组则于2004年在Science上发表文章，介绍了实验动物在他们的训练下，可以用意识来移动屏幕中的光标，甚至在实验动物计划如何运动的时候，就解读和预测出它的想法。

2000年以后，植入式电极在脑机交互中的应用得到了突破性的进展。Duke大学Nicolelis领导的研究小组在短尾猴的大脑植入极细微的电极，使它们可以利用脑波控制机械手臂。这项重大突破有朝一日可望使脊椎损伤患者利用脑波使用机械或各种工具，甚至让部分瘫痪者可再度移动肢体。加州理工大学的RichardAndersen教授领导的研究小组则于2004年在Science上发表文章，介绍了实验动物在他们的训练下，可以用意识来移动屏幕中的光标，甚至是实验动物在计划如何运动的时候，就可解读和预测出它的想法。

在此领域，目前国内山东科大、西安交大和浙江大学等高等院校近年来都开展了“动物行走运动控制”方面课题的研究，这些研究都取得了较好的成果。

总体来说，从公开发表杂志上的文献来看，目前国内外在此研究领域的遥控技术都是在经皮外置式装置的条件下进行的。至少目前国内还没有出现基于植入式芯片遥控技术的“生物机器人”的成功报道，对于这种技术在特殊环境下的推广应用研究的报道也鲜有所闻。从使用角度来看，经皮植入式的无线遥测系统存在以下几个缺点：1)装置在动物身上的背包给动物的行动带来一定的影响；2)在感染、生物相容性等技术处理上带来一系列的问题；3)在执行秘密任务时不具备隐蔽性。从技术的应用推广来看，需要拓宽原有简单的行为训练和控制，将生物体外的控制和动物生理系统的本能结合，使这种技术在实际的应用中发挥真正的作用。

发明内容

本发明目的在于提供一种植入式神经微刺激和采集遥控芯片。

本发明采用的技术方案是：

包括脑神经电刺激和采集模块、神经微刺激和采集电极阵列、上行无线射频通讯模块、下行无线射频通讯及能量耦合电源模块；脑神经电刺激和采集模块与神经微刺激和采集电极阵列以引线键合方式直接连接；下行无线射频通讯及能量耦合电源模块与脑神经电刺激和采集模块的数据通道以SPI方式连接，能量通道以导线直接连接；上行无线射频通讯模块与脑神经电刺激和采集模块以SPI方式连接。

所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块包括以集成电路方式设计的下行天线、指令解调电路、时钟解调电路、能量耦合整流电路及微型可充电锂离子电池。所述的指令解调电路、时钟解调电路以及能量耦合整流电路以并联方式与下行天线直接连接；能量耦合整流电路与微型可充电锂离子电池直接连接。所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块通过指令解调电路与所述的脑神经电刺激和采集模块以SPI方式连接；所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块通过时钟解调电路与所述的脑神经电刺激和采集模块直接连接；所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块通过能量耦合整流电路与所述的脑神经电刺激和采集模块直接连接；所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块通过微型可充电锂离子电池与所述的脑神经电刺激和采集模块直接连接；所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块通过能量耦合整流电路与所述的上行无线射频通讯模块直接连接；所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块通过微型可充电锂离子电池与所述的上行无线射频通讯模块直接连接；

所述的上行无线射频通讯模块包括以集成电路方式设计的上行天线和信号调制电路，并且所述的上行天线与所述的以集成电路方式设计的下行天线系不同天线；所述的信号调制电路与上行天线以并联方式直接连接；所述的上行无线射频通讯模块通过信号调制电路与所述的脑神经电刺激和采集模块以SPI方式连接。

所述的神经微刺激和采集电极阵列由硅基片和电极阵列构成；电极阵列由8根线性排列的硅电极构成，电极之间的间隔为100微米，单个电极根部宽度为80微米，长度为3毫米；

所述的脑神经电刺激和采集模块包括控制核、电压或电流驱动电路、电压或电流模式选择电路、极性控制电路和通道选择电路；所述的控制核、电压或电流驱动电路、电压或电流模式选择电路、极性控制电路和通道选择电路均以集成电路方式设计成整体模块；并且所述的电压或电流模式选择电路、极性控制电路和通道选择电路与控制核均以数据总线方式连接，其中，电压或电流驱动电路通过模数转换器与控制核连接；所述的脑神经电刺激和采集模块通过控制核接口与所述的上行无线射频通讯模块以SPI方式连接；所述的脑神经电刺激和采集模块通过控制核电源接口及控制核电源接口与所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块直接连接；所述的脑神经电刺激和采集模块通过控制核接口与所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块以SPI方式连接；所述的脑神经电刺激和采集模块通过所述的通道选择电路与电极阵列直接连接；所述的脑神经电刺激和采集模块通过所述的模数转换电路与电极阵列直接连接。

所述的脑神经电刺激和采集模块、除上行天线外的上行无线射频通讯模块、下行无线射频通讯及能量耦合电源模块以集成电路形式制作并封装在所述的硅基片的同一表面；所述的上行天线封装在所述的硅基片中与所述的脑神经电刺激和采集模块、除上行天线外的上行无线射频通讯模块、下行无线射频通讯及能量耦合电源模块所在表面相对的另一表面。

本发明的有益效果是：

通过在动物脑中植入本芯片，利用动物自身的生物传感功能，获取动物的感觉，控制动物的行为，使动物在人类无法进入的地区有目的得完成寻找目标、定位等活动，大大降低在危险环境或战场中人类所面临的危险，在军事侦察、边境缉毒、救灾等领域都有广泛的用途。

附图说明

图1是本发明芯片的安装原理图。

其中，1.下行无线射频通讯及能量耦合电源模块，2.上行无线射频通讯模块，3.脑神经电刺激和采集模块，4.硅基片，5.微电极焊盘，6.微电极阵列，7.绑定引线，8.上行天线。

图2是本发明芯片的原理框图。

图3是下行无线射频通讯及能量耦合电源模块框图。

图4是能量耦合整流及稳压电路原理图。

图5是下行无线射频通讯ASK解调电路原理图。

图6是上行无线射频通讯模块框图。

图7是上行无线射频通讯模块FSK调制电路原理图。

图8是脑神经电刺激和采集模块的组成框图。

图9是电压或电流驱动电路原理图。

图10是电压或电流模式选择及极性控制电路原理图。

图11是通道选择电路原理图。

图12是电荷重分配式数字模拟转换器电路原理图。

图13是Δ∑模数转换器原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种植入式神经微刺激和采集遥控芯片，包括下行无线射频通讯及能量耦合电源模块1、上行无线射频通讯模块2、脑神经电刺激和采集模块3、神经微刺激和采集电极阵列6；神经微刺激和采集电极阵列6位于集成电路侧部，与所述的脑神经电刺激和采集模块3、神经微刺激和采集电极阵列6、上行无线射频通讯模块2、下行无线射频通讯及能量耦合电源模块1集成为一个芯片。所述的脑神经电刺激和采集模块3、神经微刺激和采集电极阵列6、上行无线射频通讯模块2除上行天线8外的其它部分、下行无线射频通讯及能量耦合电源模块1以集成电路形式制作并封装在所述的硅基片的同一表面。所述的上行天线8封装在所述的硅基片中与所述的脑神经电刺激和采集模块3、神经微刺激和采集电极阵列6、上行无线射频通讯模块2除上行天线8外的其它部分、下行无线射频通讯及能量耦合电源模块1所在表面相对的另一表面。硅基片4尺寸为10mm×10mm。

如图2所示，脑神经电刺激和采集模块3与神经微刺激和采集电极阵列6以引线键合方式直接连接；下行无线射频通讯及能量耦合电源模块1与脑神经电刺激和采集模块3的数据通道以SPI方式连接，系统时钟通道和包括直接供能及电池功能的能量通道以导线直接连接；上行无线射频通讯模块2与脑神经电刺激和采集模块3以SPI方式连接。

如图3所示，下行无线射频通讯及能量耦合电源模块6包括下行天线、能量耦合整流电路、指令解调电路、时钟解调电路和微型可充电锂离子电池；下行天线接收13.56MHz的ASK射频调制信号，利用能量耦合整流电路提取能量，作为整个芯片的电源；能量耦合整流电路的工作原理如图4所示，利用MOS管实现二极管的功能构成得桥式整流电路进行整流，然后由电阻和二极管做成的基准电压源和比较放大器构成的稳压电路进行稳压；下行无线射频通讯及能量耦合电源模块6的指令解调电路和时钟解调电路的原理相同，如图5所示，幅度调制信号经过二极管后变成单边包络，经过低通时，提出调制信号的低频包络，然后经过高通滤波电路滤除直流成分，然后由运放整流变为数字信号。

如图6所示，上行无线射频通讯模块2，上行天线8上并接调制电路，其工作原理如图7所示，变容器ΔC，由MOS管完成支路通断，控制信号为控制核串行输入的数字信号，实现频率调制并将采集的神经电信号在433MHz的频率下以键控频移(FSK)方式送出。

如图8所示，脑神经电刺激和采集模块3包括控制核、电压或电流驱动电路、电压或电流模式选择及极性控制电路、通道选择电路、数模转换电路和模数转换电路；控制核由Verilog硬件描述语言编写控制和逻辑功能，再由EDA软件生成逻辑阵列布线图后由CMOS标准工艺加工而成；电压或电流驱动电路原理入图9所示，由放大器U1构成的负反馈式放大驱动电路；电压或电流模式选择及极性控制电路原理入图10所示，由控制核控制CMOS模拟开关U2的切换引脚INA和INB，通过控制INA完成电流或电压信号通道的选通，从而实现电压或电流信号的选通，通过控制INB，完成电流的流向切换，从而实现正负极性的刺激；通道选择电路原理入图11所示，由CMOS模拟开U3关构成，控制核控制开关切换控制引脚INA和INB，通过INA和INB的不同组合，完成双通道的选通；数模转换电路如图12所示，为5位电荷重分配式数模转换器，转换开始时，所有的开关接地，out输出为零，当工作时运算放大器正极性输入端电位是Vf端和地之间的分压，而分压的关系则是节点之间加权等效电容的比值，从而实现对数字信号的转换；模数转换电路框图如图13所示，为8位Δ∑模数转换器，Δ∑模数转换器为业界通用模式数模转换器，原理不再赘述；控制核收到控制信号后解析出电压电流选择命令、DA的输出数据、通道选择数据、极性控制命令；电压电流选择命令输入电压或电流模式选择电路，DA的输出数据输送到数模转换电路，通道选择数据输入通道选择电路，极性控制命令输入极性控制电路。数模转换电路处理5位输入数据，经过电压或电流驱动电路后产生可刺激的模拟信号，传输入通道选择电路。通道选择电路接收模拟信号，经极性控制电路变换后变为刺激信号，然后由通道选择后输出到由通道选择数据确定的通道上；神经信号经模数转换电路转换成并行输入数据输入到控制核，由控制核转换为串行数据。

应用时，将整个芯片植入动物脑内，所述的神经微刺激和采集电极阵列6插入脑组织与功能细胞直接接触。刺激过程：外界的能量传输信号通过下行天线被所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块1接收并整流，为系统提供电源。外界的控制信号通过下行天线被所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块1接收并解调后到达控制核。控制核将控制信号转为相应控制指令，一方面使得所述的脑神经电刺激和采集模3块完成通道选择、刺激类型选择以及方向选择操作；另一方面将刺激信号由数模转换器输出置所述的神经微刺激和采集电极阵列6中相应得电极对，从而对动物脑组织中位于电极对之间的部分进行刺激。采集过程：外界控制信号先将芯片设定为采集模式，传输方向为上行后，脑电信号由所述的神经微刺激和采集电极阵列6采集后经模数转换器输入至控制核，控制核将信号送至所述的上行无线射频通讯模块2进行FSK调制后以无线方式发送至外部接受装置。

Claims (6)

1.一种植入式神经微刺激和采集遥控芯片，其特征在于：包括脑神经电刺激和采集模块(3)、神经微刺激和采集电极阵列(6)、上行无线射频通讯模块(2)、下行无线射频通讯及能量耦合电源模块(1)；脑神经电刺激和采集模块(3)与神经微刺激和采集电极阵列(6)以引线键合方式直接连接；下行无线射频通讯及能量耦合电源模块(1)与脑神经电刺激和采集模块(3)的数据通道以SPI方式连接，能量通道以导线直接连接；上行无线射频通讯模块(2)与脑神经电刺激和采集模块(3)以SPI方式连接。

2.根据权利要求1所述的一种植入式神经微刺激和采集遥控芯片，其特征在于：所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块(1)包括以集成电路方式设计的下行天线、指令解调电路、时钟解调电路、能量耦合整流电路及微型可充电锂离子电池。所述的指令解调电路、时钟解调电路以及能量耦合整流电路以并联方式与下行天线直接连接；能量耦合整流电路与微型可充电锂离子电池直接连接。所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块(1)通过指令解调电路与所述的脑神经电刺激和采集模块(3)以SPI方式连接；所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块(1)通过时钟解调电路与所述的脑神经电刺激和采集模块(3)直接连接；所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块(1)通过能量耦合整流电路与所述的脑神经电刺激和采集模块(3)直接连接；所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块(1)通过微型可充电锂离子电池与所述的脑神经电刺激和采集模块(3)直接连接；所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块(1)通过能量耦合整流电路与所述的上行无线射频通讯模块(2)直接连接；所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块(1)通过微型可充电锂离子电池与所述的上行无线射频通讯模块(2)直接连接；

3.根据权利要求1所述的一种植入式神经微刺激和采集遥控芯片，其特征在于：所述的上行无线射频通讯模块(2)包括以集成电路方式设计的上行天线(8)和信号调制电路，并且所述的上行天线(8)与权利要求2中所述的以集成电路方式设计的下行天线系不同天线；所述的信号调制电路与上行天线(8)以并联方式直接连接；所述的上行无线射频通讯模块(2)通过信号调制电路与所述的脑神经电刺激和采集模块(3)以SPI方式连接。

4.根据权利要求1所述的一种植入式神经微刺激和采集遥控芯片，其特征在于：所述的神经微刺激和采集电极阵列由硅基片(4)和电极阵列(6)构成；电极阵列(6)由8根线性排列的硅电极构成，电极之间的间隔为100微米，单个电极根部宽度为80微米，长度为3毫米；

5.根据权利要求1所述的一种植入式神经微刺激和采集遥控芯片，其特征在于：所述的脑神经电刺激和采集模块(3)包括控制核、电压或电流驱动电路、电压或电流模式选择电路、极性控制电路和通道选择电路；所述的控制核、电压或电流驱动电路、电压或电流模式选择电路、极性控制电路和通道选择电路均以集成电路方式设计成整体模块；并且所述的电压或电流模式选择电路、极性控制电路和通道选择电路与控制核均以数据总线方式连接，其中，电压或电流驱动电路通过模数转换器与控制核连接；所述的脑神经电刺激和采集模块(3)通过控制核接口(14)与所述的上行无线射频通讯模块(2)以SPI方式连接；所述的脑神经电刺激和采集模块(3)通过控制核电源接口(15)及控制核电源接口(16)与所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块(1)直接连接；所述的脑神经电刺激和采集模块(3)通过控制核接口(17)与所述的下行无线射频通讯及能量耦合电源模块(1)以SPI方式连接；所述的脑神经电刺激和采集模块(3)通过所述的通道选择电路与电极阵列(6)直接连接；所述的脑神经电刺激和采集模块(3)通过所述的模数转换电路与电极阵列(6)直接连接。

6.根据权利要求1的一种植入式神经微刺激和采集遥控芯片，其特征在于：所述的脑神经电刺激和采集模块(3)、除上行天线外的上行无线射频通讯模块(2)、下行无线射频通讯及能量耦合电源模块(1)以集成电路形式制作并封装在所述的硅基片(4)的同一表面；所述的上行天线(8)封装在所述的硅基片(4)中与所述的脑神经电刺激和采集模块(3)、除上行天线外的上行无线射频通讯模块(2)、下行无线射频通讯及能量耦合电源模块(1)所在表面相对的另一表面。

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