植入式神经功能电刺激接口电路关键技术研究

Through accurate voltage/current, implanted neural functional electrical stimulator injects quantitative charges to nervous tissue with sustained electrical stimulation which is effective for Nervous system injury diseases,such as depression, epileptic, Parkinson. The Aims of the projects include: for low power and high accurate, through study on the key technology of signal and power wireless transmission, micromation, intelligence, safety, low power of implanted neural signal functional electrical stimulation interface circuit, in order to lay the scientific foundation for the study on the implanted neural signal functional electrical stimulation interface circuit; study the new architecture and circuits for low power in order to reduce the potential safety hazard caused by heat; through the accurate modeling of stimulator loop and electrode, low power high accurate sar adc, to solve the accurate output and biphasic charge residue; through study of accurate AC-DC rectifier and DC-DC power manager, signal and power wireless transmission, to solve the high efficiency wireless transmission of stimulator; to carried out animal experiments and clinical scientific experiments. The efforts will be made to get instrument certification and to apply clinic application.

植入式神经功能电刺激器通过提供精确电压或电流，将定量电荷注入到人体神经组织并进行持续性电刺激使其功能恢复正常，对抑郁、癫痫、帕金森等神经系统损伤疾病具有良好的治疗效果。本项目以低功耗、高精确度为目标，通过研究信号和能量的无线传输控制、刺激电路的微型化、智能化、安全性和低功耗等植入式神经功能电刺激接口电路的关键技术，为研究神经功能电刺激接口电路奠定科学理论基础。研究新的系统结构和电路，实现低功耗刺激器电路，降低发热带来的安全隐患；通过对刺激器环路建模和各种电极的精确建模、高精度低功耗sar adc，来解决刺激信号精确输出和双相刺激电流残留问题；通过研究高效率整流转换器和直流电源管理等技术，研究信号和能量的无线传输电路，解决刺激器的高效无线供电问题；对研发实现的植入式神经功能电刺激器进行动物实验和临床实验，并争取通过临床认证实验。

疼痛、抑郁、药物滥用等危害多数人类健康和造成不良社会影响的疾病越来越多地引起人们的关注。带有刺激功能的植入性医疗器械是以一定程度的电流脉冲刺激靶点神经，以调整或恢复脑部、神经或肌肉的功能，使症状缓解的一种方法，已经广泛用于目前的神经性疾病的治疗中，并取得显著的效果。本项目以此为研究背景，主要研究应用于深脑的无线刺激器接口电路及系统。本项目主要研究包括以下两个方面，首先是植入式神经功能电刺激器的单片ASIC实现和为了实现低功耗、高压所采取的方案，详细介绍了具体技术的实现方案；其次介绍了刺激器所需要供电方案，这里主要采用无线充电技术的实现方案。项目实现了一款高压深脑刺激器系统，在无线能量传输领域，先研究多负载能量调节系统结构的设计，包括线圈的建模等关键技术难点，基于无线能量传输理论基础，研究多负载无线能量传输技术，实现高传输效率的设计目标，满足每个负载不同的工作要求，防止出现能量传输分配不均的现象；接着研究如何提高接收端整流效率和降低电路功耗优化问题，本项目提出来一种对应多负载的无线能量接收器的设计和实现，为此设计了一个由4个高电压的N沟道MOSFET管组成的同步整流器来提高电源转换效率并减小芯片面积。提出了一个数字脉冲宽度控制器来补偿关断延时，这个数字脉冲宽度控制器可以有效地阻止反向漏电流并提高系统效率；然后研究数字DC-DC数字控制环路的DPWM电路输出脉宽未能够补偿、时间分辨率较低和线性度不高问题，为保证关键路径的逻辑和互连延时不影响到DPWM的脉冲宽度，本项目提出一种新颖的基于计数器、PLL和进位链混合型DPWM结构，并在该结构中分析逻辑和互连形成的关键路径的延时如何增大PWM脉宽而导致的占空比增量现象，针对该占空比增量现象提出关键路径补偿的思路；最后通过ASIC以及FPGA等方式，搭建测试系统进行系统实验验证。综上，项目组在深脑神经刺激器上开展了深入研究，并对模块进行了分析改进。研究成果具有较强了理论意义和应用价值。