植入式膀胱功能修复芯片与相关机制研究

本课题针对脊髓损伤后引起的排尿功能障碍的治疗，以及预防由此引发泌尿系统乃至全身的致命性并发症，研究具有"多通道神经信号记录"、"多通道神经电刺激"和"电磁耦合能量与数据传输"三项基本功能的新型植入式膀胱功能修复芯片。芯片可模拟正常膀胱功能，带有自动预警能力，可实现脊髓损伤患者自由有效的控制排尿。课题通过建立相关动物模型，分析排尿行为、骶神经电活动、骶神经电刺激之间的对应关系，从神经工程学角度建立相关的机制模型；研究低功耗、高精度、高数据率的植入式多通道神经信号采集技术，总结专门针对S2-4骶神经信号的数据分析或模式识别方法；研究低功耗、高有效性、可在线编程的复杂模式多点神经电刺激技术，探索专门针对骶神经功能性电刺激的模式和方法；研究低功耗、高效率的植入式电磁耦合能量传输技术，并实现体内外神经信号与控制信号在能量传输频率下的双向无线传输；所设计的植入系统或关键模块拟进行在体动物实验验证。

本课题针对脊髓损伤后引起的排尿功能障碍的治疗，以及预防由此引发泌尿系统乃至全身的致命性并发症，研究新型植入式膀胱功能修复芯片。芯片旨在模拟正常膀胱功能，可实现脊髓损伤患者自由有效的控制排尿。课题通过建立相关动物模型，分析了排尿行为、骶神经电活动、骶神经电刺激之间的对应关系，建立了相关的机制模型；课题研究了低功耗、高精度、高数据率的植入式多通道神经信号采集技术，提出了T型电容反馈网络的新型植入式神经放大器结构，研制了高集成度的硅基神经接口混合集成器件，研制了基于多步量化原理的单斜升式新型模数转换器，研制了8通道全差分神经信号记录芯片，总结了专门针对S2-4 骶神经信号的数据分析或模式识别方法；研究了低功耗、高有效性、可在线编程的复杂模式多点神经电刺激技术，研制了原型骶神经功能性电刺激器以及基于高压BCD工艺的植入式电刺激器，探索了专门针对骶神经功能性电刺激的模式和方法；研究了低功耗、高效率的植入式电磁耦合能量传输技术，提出了一种光电与体信道传输相结合的新型植入式信号传输的新方法，设计了一种高速的植入式信号收发机与核心芯片。课题还针对膀胱充盈度的判断与排尿行为的预测需求，探索了神经记录与压力测试相结合的方法，补充研究和研制了低功耗高速率的压力传感系统与传感接口芯片。最后，本课题设计并实现了一个用于修复膀胱贮存和排尿功能的原型神经假体系统，系统包括了一个超低噪声的神经信号记录模块、一个双相位电流刺激器以及一个闭环膀胱监控与控制单元。为了记录骶神经根处的微弱神经信号，系统设置了增益为80-117dB的高增益神经信号放大模块，该模块以全定制的专用集成电路为核心组成，在300Hz-3KHz频率范围内的等效输入噪声为0.69μVrms。片上的多步单斜升式模数转换器可在10kSPS采样率下保证12.5-bit的有效位数。双相位的电流刺激器可工作在±0.9V-±12.5V的宽电压工作范围下，输出电流可变，幅度范围为0-500μA，因此可以在不同电极-电解液界面阻抗的条件下保证刺激电流稳定。系统的记录与刺激功能以时分复用方式进行切换。本课题以成年比格犬为实验动物建立了脊髓损伤模型，并对所设计的植入系统及部分关键模块进行了在体的动物实验验证。