神经束植入电极的无线供能及无线采集系统

摘要

一种基于超大规模集成电路(VLSI)的神经束植入电极的无线供能及无线采集系统，包括体内植入电路装置和体外电路装置，体内植入电路装置包括2ASK调制装置的神经束复合电位采集电路、编码电路、2ASK调制电路，无线能量传输接收电路的整流电路、稳压电路，体内耦合线圈。无线能量传输接收电路采用超大规模集成电路VLSI工艺制造。体外电路装置包括2ASK解调电路，无线能量传输发射电路的射频振荡器、E类放大器，采用分离元件搭建的电路板，体外耦合线圈。

权利要求

1.一种基于超大规模集成电路的神经束植入电极的无线供能及无线采集系统，包括体内植入电路装置、体外电路装置，其特征在于：

体内植入电路装置包括无线能量传输接收电路和2ASK调制装置，所述的无线能量传输接收电路输入端连接到体内耦合线圈的两端，用于接受体内耦合线圈感应到的电磁能量，并通过整流、稳压后为体内植入电路装置提供电源；所述2ASK调制装置包括神经束复合电位采集电路、编码电路、2ASK调制电路，所述2ASK调制装置中的神经束复合电位采集电路的输入端与神经束植入电极相连接，用于采集神经束的复合电位，所述神经束复合电位采集电路的输出端与编码电路的输入端相连；所述编码电路的输出端与所述2ASK调制电路的输入端相连，所述编码电路是将所采集神经束的复合电位数据由NRZ格式转换为MM格式，进一步通过2ASK调制电路将神经束复合电位数据调制到载波上，所述2ASK调制电路的输出端连接到体内耦合线圈；

体外电路装置包括2ASK解调电路和无线能量传输发射电路，所述的无线能量传输发射电路与体外耦合线圈的两端相连，用于向体内耦合线圈传输电磁能量，所述的2ASK解调电路的输入与体外耦合线圈相连，通过所述体内耦合线圈和所述体外耦合线圈的耦合作用，接收体内植入电路装置采集并调制的神经束复合电位数据，所述2ASK解调电路的输出端与PC机相连，上传经2ASK解调电路解调后的神经束复合电位信号。

2.根据权利要求1所述的神经束植入电极的无线供能及无线采集系统，其特征为，所述的体内耦合线圈和体外耦合线圈要实现两个方向的传递，既要将能量通过无线能量传输发射电路中的E类功率放大器从体外的无线能量传输发射电路发送到体内的无线能量传输接收电路，又要将神经束植入电极采集到的神经束复合电位通过2ASK调制装置从体内发送到体外的2ASK解调电路。

3.根据权利要求1所述的神经束植入电极的无线供能及无线采集系统，其特征为，所述的无线能量传输接收电路采用VLSI技术制造，将体内耦合线圈的端电压转换为稳定的输出电压，驱动体内植入电路装置正常工作。

说明书

神经束植入电极的无线供能及无线采集系统

技术领域

[0001] 本发明属于人体智能假肢康复工程技术领域，具体涉及一种基于VLSI的神经束植入电极的无线供能及无线采集系统。

背景技术

[0002] 人工假肢也称义肢，它是目前为断肢、残肢患者服务的一项主要的康复工程。植入式智能假肢的控制离不开无线供能技术和通信技术。本发明旨在为医疗植入装置研制无线能源供应VLSI(超大规模集成电路)芯片，设计神经弱电信号的无线采集系统。由于受到布线、组网、环境、感染等多方面的限制，传统的EMG采集技术已经逐渐显出局限性。随着神经修复植入技术的发展，通信和无线供能技术则为神经修复研究提供重要的工程质量保证，最终使研究者比较方便、自由地记录和刺激志愿者的外周运动神经，摆脱布线的限制；可以有效抑制感染；并在保证检测信号稳定的情况下，保证信号的可靠性，并且降低了系统的功耗。所有的这些优势，确保研究者能采集到自然、最大程度真实的EMG信号，而这才有可能使研究者最终实现尽可能高水平的假肢训练质量。

[0003] 目前，国际上许多生物医学工程研究人员致力于开发肢残患者手臂运动神经的康复工程研究，尝试将电子修复装置应用在手臂修复系统中，通过修复肢残人士的手臂运动神经功能，部分程度地恢复患者的手臂功能。国际上的假手研究已经取得了很显著的成果，如Utah/MIT假手、Shadow灵巧手、Cyberhand都离市场应用很近。

[0004] 上海交通大学申请的申请号为200710045624.5、发明名称为“电磁软跟踪无线供能装置”的专利申请，是一种机电技术领域的电磁软跟踪无线功能装置，电压源与体外无线数据收发器、体外微处理器、D/A转换器相连，电压源输出端分别与Y向发射线 圈、X向发射线圈、Z向发射线圈相连，姿态传感器与A/D转换器相连，纽扣电池通过常闭模拟开与体内无线数据收发器、体内微处理器、A/D转换器相连，接收线圈的输出并联整流稳压电路，然后与体内无线数据收发器、体内微处理器、A/D转换器相连。能确保发射线圈磁力线最多的穿过接收线圈，使其改善电磁耦合系数，提高能量传输效率，能够对人体深处的器件，尤其是位置随机的运动器件进行持续的能量供应。上海交通大学申请的申请号为200810036568.3、发明名称为“用于生物植入体的可控高效能无线供能装置”的专利申请，采用单片机控制模块产生PWM波控制电压转换及放大模块的输出频率及效率，是一种体积小、实现简单、频率可调，且无线交流电能传递效率高，在医学植入装置的供能问题上实现了无线传输。本发明的优势为，一套生物植入装置既能实现无线供能，同时还能进行信号的无线传输；采用超大规模集成电路VLSI工艺制造电路芯片，为植入电子装置提供可能性；
无线采集为在体采集老鼠的神经束动作电位提供技术可行性。

发明内容

[0005] 本发明针对现有的假肢实验研究阶段中的神经束植入电极在体记录实验中需要使用电源导线连接采集电路和需要数据导线连接采集电路到计算机系统会使在体数据采集受到布线的限制、导致感染、不能记录动物活动状态准确数据等问题，提出了一种基于VLSI的神经束植入电极的无线供能及无线采集系统。所述系统基于射频的无线能源传输技术，包括针对神经束植入电极的神经束复合电位采集电路、编码电路、2ASK调制电路和2ASK解调电路，无线能量发射电路、采用超大规模集成电路VLSI工艺的无线能量传输接收电路，一对耦合线圈构成的耦合回路。

[0006] 本发明的技术方案：一种基于VLSI的神经束植入电极的无线供能及无线采集系统，包括体内植入电路装置、体外电路装置，所述的体内植入电路装置的一端与植入体内的 神经束植入电极相连接，所述的体内植入电路装置的另一端与体内耦合线圈相连接；所述的体外电路装置的一端与计算机相连接，所述体外电路装置的另一端与体外耦合线圈相连接。

[0007] 所述体内植入电路装置包括神经束复合电位采集电路、编码电路、2ASK调制电路和无线能量传输接收电路的整流电路、稳压电路。神经束复合电位采集电路的输入端与神经束植入电极相连，所述的神经束复合电位采集电路的输出端与编码电路相连；编码电路再与2ASK调制电路相连；数据调制电路的输出端与体内耦合线圈相连；无线能量传输接收电路的输入端是体内耦合线圈，所述无线能量传输接收电路的输出端，即稳压电路的输出端为所述植入电路装置供应工作电压。无线能量传输接收电路的输入端与2ASK调制电路的输出端并联。

[0008] 体外电路装置包括2ASK解调电路和无线能量传输发射电路；2ASK解调电路的输入端与体外耦合线圈相连；无线能量传输发射电路包括射频振荡器、E类功率放大器，所述能量发射电路的输出端即功率放大器与体外耦合线圈两端相连。

[0009] 本发明基于VLSI的神经束植入电极的无线供能及无线采集系统，其特点在于采用同一套电磁耦合线圈，实现能源与信号的双向传输功能，摆脱了有线电源供应的限制，避免了导线布线的不方便。原有的系统都采用导线实现工作电路的电源供应、信号的采集。由于神经束植入电极需植入到体内神经束内，且在动物清醒状态下做躯体运动时记录复合电位，传统的有线电源供应方式会限制动物的活动，传统的有线信号采集方式无法保证植入式的神经束植入电极与有线信号采集装置在动物躯体运动期间保持良好的连接，而采用无线采集方式能解决该问题。本发明摒弃了有线采集方式，采用超大规模集成电路工艺VLSI，将无线能量传输接收电路集成到芯片上，与神经束复合电位采集电路、神经束植入电极一起植入到动物体内，可以方便实现对动物躯体运动期间复合电 位的实时监测。 附图说明

[0010] 图1是本发明基于VLSI的神经束植入电极的无线供能及无线采集系统的结构简图；

[0011] 图2是本发明基于VLSI的神经束植入电极的无线供能及无线采集系统的工作原理简图。

[0012] 图3是E类功率放大器；

[0013] 图4是全波整流电路；

[0014] 图5是稳压电路；

[0015] 图6是参考电压和偏置电流发生电路；

[0016] 图7是变压器的弱耦合模型；

[0017] 图8是2ASK调制电路；

[0018] 图9是相干2ASK解调系统；

具体实施方式

[0019] 下面根据说明书附图，并结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。本发明基于VLSI的神经束植入电极的无线供能与无线采集系统包括体内植入部分和体外部分两部分：

[0020] 参见图1和图2，本发明的无线能量传输发射电路和无线能量传输接收电路协同工作，共同完成将体外的射频振荡器产生的振荡信号经E类功率放大器由与体外耦合线圈发射，经与体内耦合线圈发生电磁耦合，送到体内的无线能量传输接收电路，是本发 明基于VLSI的神经束植入电极的无线供能及无线采集系统的关键部分。本发明的系统包括体外的无线能量传输发射电路，采用分离电子元件搭建的射频振荡器、E类功率放大器，体内的无线能量传输接收电路，即整流电路和稳压电路，采用超大规模集成电路VLSI工艺制造。本发明从线圈耦合的有效带宽、阻抗匹配等考虑，在保证有效能源转换效率同时，又保证较高的数据传输速度兼顾较低的误码率，当选择较低的数据传输速度时，可以允许较远的传输距离；当选择较高的数据传输速度时，有效传输距离就缩短。

[0021] 所述的无线能量传输发射电路中射频振荡器主要完成射频振荡信号的产生，为能量的传递提供一个发射频率。该射频振荡器的输出端连接E类功率放大器。该发射频率越高，在耦合系统中允许无线传播的数据速率就越高。根据植入体内的耦合电路，优选的发射频率为4MHz。

[0022] 所述的无线能量传输发射电路中E类功率放大器主要完成对射频信号高效率的放大。参见图3，所述的E类功率放大器的输出与体外耦合线圈连接，该体外耦合线圈把放大的射频信号发射出去。E类功率放大器工作在开关状态，电路结构简单，理想功率效率为95％，且功率可调性，保证输出效率的同时能较大范围地调节输出功率。E类功率放大器由MOS管、与MOS管并联的电容、串联电感、以及匹配网络组成，电路调谐于工作频率。等效为开关的MOS管，其漏极通过RF扼流圈连接到电源电压。通过设置负载网络参数，可以使得MOS管的漏极电压和MOS管的漏极电流不同时出现，漏极电压和漏极电流乘积均为零，开关器件的耗散功率为零，从而使功率放大器的实际效率达到95％。

[0023] 所述的无线能量传输接收电路中全波整流电路主要完成将与体内耦合线圈两端的交流电压转换成直流电压。参见图4，所述的全波整流电路，输入端为体内耦合线圈，其输出端为稳压电路。该整流电路由4个PMOS组成。当体内耦合线圈两端的交流电 压为正相时，两个PMOS关闭，而另两个PMOS导通。这样保证了低电压接地，始终保证高电压通过。当体内耦合线圈两端的交流电压为负相时，情况相反。PMOS三极管阻止闭锁效应引起的集电极电流发生，免去了额外元件。适当调整PMOS管的尺寸，可以保证整流器的输出电压接近接收的正弦波的均方根(RMS)电压。对于输出电压为3.3V，在线圈上电压幅值至少得是
7V。标准的CMOS工艺的三极管的门夹断电压是12V。此电路还需芯片外的Zener二极管的保护。

[0024] 所述的无线能量传输接收电路中稳压电路主要实现稳定的3.3V电压输出，且驱动电流为10mA。参见图5，该稳压电路的输出直接与所述植入电路装置供应工作电压。所述稳压电路包括跨导放大器、PMOS管、并联电容和四个PMOS管。其中PMOS管的门电压由跨导放大器控制，四个PMOS组抗性连接，参考电压是整个稳压电路输出电压的四分之一。通过负反馈，不论输出的供应电压如何波动，输出电压的数值稳定在参考电压幅值的一定比例，三极管的栅极与输出极之间的并联电容保证了该稳压系统的稳定性。我们通过选择稳压电路的输入电压使其工作在稳定区，从而可以保证稳压电路输出稳定的电压。 [0025] 所述的无线能量接收电路中参考电压和偏置电流发生电路主要实现稳定的参考电压输出。参见图6，本文采用经典的偏置电流电路结构，经过标准CMOS装置产生参考电压而独立于接收到的能量信号，不受环境温度的影响。启动电路(M7-M8)可以使电路从静止状态启动。Im是主偏电流，由自举参考电流引出的。M3-M4的长宽比的比例为M。M1-M2镜像电路驱动两分支的电流相等。负载R决定M3-M4组的电流密度比值，从而使它们的Vgs不同。主偏电流Im随负载电阻R变化。本偏置电流电路结构能够提供独立、稳定的偏置电流。在体温时，可输出参考电压800mV，输出波动低于1％。

[0026] 一对电磁耦合线圈主要实现能量和神经束复合电位在两个相反方向的传递，包括将 能量从体外耦合线圈传递到体内耦合线圈上，把包含神经束复合电位的2ASK调制信号从体内耦合线圈传递到体外耦合线圈上。

[0027] 所述的变压器的弱耦合模型主要为分析耦合线圈的耦合效率，参见图7。针对耦合效率受多种因素影响，所述耦合线圈的最佳耦合效率取决于两个耦合线圈的尺寸、匝数、同轴间距和数据传输的有效速率。根据理论分析耦合系数k：无线能量传输电路和数据传输电路的原理与变压器是相同的，唯一区别在于弱耦合。有经验公式，

[0028]

[0029] 两线圈的同轴距离：x，体内耦合线圈的半径：rimplant，体外耦合线圈的半径：rreader[0030]

[0031] L1为体外耦合线圈的电感，L2为体内耦合线圈的电感，u2为体内植入电路装置中的负载电压，i1为体外耦合线圈中的电流。

[0032] u2＝Aki1 (3)

[0033] A为在单位电阻时的系统增益。当线圈的半径固定时，k由线圈的距离控制。此时，当体外耦合线圈的电流变化时，在体内耦合线圈的负载端接收到的电压就会变化。 [0034] 根据以上分析，经过理论计算和实验测试，最佳的线圈材料为铜，体外耦合线圈半径为15mm，匝数是50，体内耦合线圈半径为10mm，匝数为16，数据传输速率是25KHz，两线圈同轴间距是15mm。

[0035] 本发明系统的神经束复合电位采集电路实现将神经束植入电极采集到的神经束复合电位转换成数字化且串行位数据，数据格式为不归零NRZ编码。神经束复合电位采 集电路主要由VLSI采集芯片、微控制器构成，本发明装置的神经束复合电位采集电路的输入端是神经束植入电极，输出端与编码电路相连，其功能是将神经束复合电位信号数字化。微控制器编程控制VLSI采集芯片，使VLSI采集芯片按照设定采样率、分辨率、放大倍数工作。所述VLSI采集芯片，采用超大规模集成电路VLSI工艺制作，其低频截止频率为0.2～94Hz，独立高频截止频率是140Hz到8.2kHz。其数字增益范围是1～4096，分辨率是8～
12位。该芯片的输入端为神经束植入电极记录到的神经束动作电位，允许为15通道，其供应电压由无线能源传输芯片的输出提供。所述无线采集芯片的输出为串行位数据。其采样频率可调、分辨率可调。该采集芯片的输出可以直接接到编码电路的输入端。 [0036] 本发明装置的编码电路主要完成将复合电位的不归零NRZ格式转换成修正米勒(Modified Miller)格式。前面所述采集模块输出串行位数据是的不归零NRZ格式，即1为高电平，0为低电平。所述修正米勒(Modified Miller)编码，即对于每一个逻辑1，输出一个脉冲，有两个电平转换，其脉冲宽度由输入时钟控制；对于0，没有任何电平转换。 [0037] 所述的神经束复合电位2ASK调制电路主要完成将MM编码的神经束复合电位经二进制幅移键控(2ASK)调制方式与射频振荡波调制生成调制信号。参见图8，2ASK调制电路主要由与体内耦合线圈终端经电阻与MOS管串联构成，且被调制信号，即MM编码的神经束复合电位V1，从该MOS管的基极输入。该MOS管的打开、关闭由发送的MM编码的神经束复合电位数值决定。调制结构中还包括Darlington对Q1管、Q2管组成。M1起开关作用。R1来调节调制速率。Vdd为供应电压，确保供应电压不受2ASK调制的影响。所述2ASK调制电路主要是通过变负载电阻的数值，然后经检 测体外耦合线圈上电流变化，该电流变化反映了MM编码的神经束复合电位信息，从而实现数据的传输。提高载波速率，可以保障较高的数据传速率。2ASK调制电路由超大规模集成电路VLSI工艺制造。

[0038] 所述的神经束复合电位2ASK解调电路主要完成将神经束复合电位从体外耦合线圈两端的2ASK调制信号中解调出来。参见图9，所述2ASK解调选用相干检测方式，接收系统包括耦合电路、相乘器、低通滤波器和抽样判决器，由分离元件搭建。相干载波与体外耦合线圈耦合到的2ASK调制信号，一并输入到耦合电路、相乘器，经低通滤波器，输入到抽样判决器，同时位同步信号一并输入到抽样判决器，最后解调信号输出，即解调出来的神经束复合电位数据。

[0039] 本发明系统的工作过程为：

[0040] 该发明可以用来完成植入老鼠髋神经束的神经束植入电极采集实验，将神经束植入电极(Intrafascicular electrode)植入到老鼠的髋神经，对老鼠脚掌加重物压力，检测得到复合电位，将神经束植入电极的游离端连接到神经束复合电位采集电路的输入端，所述神经束复合电位采集电路输出串行位数据，经编码电路将不归零NRZ格式转换成为修正米勒MM格式，后经调制电路输出幅移键控2ASK方式的调制信号，连接到体内耦合线圈发射。在体外电路装置中，体外耦合线圈的端电压，经过2ASK解调电路，将被调制信号，即神经束复合电位信号复原出来。通过数据采集卡，输入计算机，进行保存、显示及其后续处理分析。在另一个方向，体外电路装置中的E类功率放大器将射频振荡器产生的振荡信号进行功率放大，通过与体外耦合线圈发射到电磁耦合系统中。在体内植入电路装置中，体内耦合线圈的端电压输入到无线能量传输接收电路，经过无线能量传输接收电路内部的整流电路、稳压电路得到稳定的输出电压，从而为体内植入电路装置提供工作电压。接下来，与标准有线多通道生理采集系统采集到的信号做对比 分析，判断无线采集系统的传输质量。通过本发明基于VLSI的神经束植入电极的无线供能与无线采集系统，可实现对动物在清醒状态下做躯体运动时的神经动作电位的实时、准确记录，可采集动物外周神经系统神经动作电位的活体实验，对智能假肢的控制研制提供动物实验数据。