基于超大規模集成電路的神經束植入電極的無線供能及無線采集系統的制作方法

專利名稱：基于超大規模集成電路的神經束植入電極的無線供能及無線采集系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于人體智能假肢康復工程技術領域，具體涉及一種基于VLSI的神經束植入電極的無線供能及無線采集系統。
背景技術：
人工假肢也稱義肢，它是目前為斷肢、殘肢患者服務的一項主要的康復工程。植入式智能假肢的控制離不開無線供能技術和通信技術。本發明旨在為醫療植入裝置研制無線能源供應VLSI (超大規模集成電路)芯片，設計神經弱電信號的無線采集系統。由于受到布線、組網、環境、感染等多方面的限制，傳統的EMG采集技術已經逐漸顯出局限性。隨著神經修復植入技術的發展，通信和無線供能技術則為神經修復研究提供重要的工程質量保證，最終使研究者比較方便、自由地記錄和剌激志愿者的外周運動神經，擺脫布線的限制；可以有效抑制感染；并在保證檢測信號穩定的情況下，保證信號的可靠性，并且降低了系統的功耗。所有的這些優勢，確保研究者能采集到自然、最大程度真實的EMG信號，而這才有可能使研究者最終實現盡可能高水平的假肢訓練質量。
目前，國際上許多生物醫學工程研究人員致力于開發肢殘患者手臂運動神經的康復工程研究，嘗試將電子修復裝置應用在手臂修復系統中，通過修復肢殘人士的手臂運動神經功能，部分程度地恢復患者的手臂功能。國際上的假手研究已經取得了很顯著的成果，如Utah/MIT假手、Shadow靈巧手、Cyberhand都離市場應用很近。
上海交通大學申請的申請號為200710045624.5、發明名稱為"電磁軟跟蹤無線供能裝置"的專利申請，是一種機電技術領域的電磁軟跟蹤無線功能裝置，電壓源與體外
無線數據收發器、體外微處理器、d/a轉換器相連，電壓源輸出端分別與y向發射線圈、X向發射線圈、Z向發射線圈相連，姿態傳感器與A/D轉換器相連，紐扣電池通過 常閉模擬開與體內無線數據收發器、體內微處理器、A/D轉換器相連，接收線圈的輸出 并聯整流穩壓電路，然后與體內無線數據收發器、體內微處理器、A/D轉換器相連。能 確保發射線圈磁力線最多的穿過接收線圈，使其改善電磁耦合系數,提高能量傳輸效率， 能夠對人體深處的器件，尤其是位置隨機的運動器件進行持續的能量供應。上海交通 大學申請的申請號為200810036568.3、發明名稱為"用于生物植入體的可控高效能無 線供能裝置"的專利申請，采用單片機控制模塊產生PWM波控制電壓轉換及放大模塊的 輸出頻率及效率，是一種體積小、實現簡單、頻率對調，且無線交流電能傳遞效率高， 在醫學植入裝置的供能問題上實現了無線傳輸。本發明的優勢為， 一套生物植入裝置既 能實現無線供能，同時還能進行信號的無線傳輸；釆用超大規模集成電路VLSI工藝制 造電路芯片，為植入電子裝置提供可能性；無線采集為在體采集老鼠的神經束動作電位 提供技術可行性。

發明內容
本發明針對現有的假肢實驗研究階段中的神經束植入電極在體記錄實驗中需要使 用電源導線連接采集電路和需要數據導線連接釆集電路到計算機系統會使在體數據采 集受到布線的限制、導致感染、不能記錄動物活動狀態準確數據等問題，提出了一種基 于VLSI的神經束植入電極的無線供能及無線采集系統。所述系統基于射頻的無線能源 傳輸技術，包括針對神經束植入電極的神經束復合電位采集電路、編碼電路、2ASK調 制電路和2ASK解調電路，無線能量發射電路、采用超大規模集成電路VLSI工藝的無 線能量傳輸接收電路， 一對耦合線圈構成的耦合回路。
本發明的技術方案:一種基于VLSI的神經束植入電極的無線供能及無線采集系統， 包括體內植入電路裝置、體外電路裝置，所述的體內植入電路裝置的一端與植入體內的神經束植入電極相連接，所述的體內植入電路裝置的另一端與體內耦合線圈相連接；所 述的體外電路裝置的一端與計算機相連接，所述體外電路裝置的另一端與體外耦合線圈
相連接。
所述體內植入電路裝置包括神經束復合電位采集電路、編碼電路、2ASK調制電路 和無線能量傳輸接收電路的整流電路、穩壓電路。神經束復合電位采集電路的輸入端與 神經束植入電極相連，所述的神經束復合電位采集電路的輸出端與編碼電路相連；編碼 電路再與2ASK調制電路相連；數據調制電路的輸出端與體內耦合線圈相連；無線能量 傳輸接收電路的輸入端是體內耦合線圈，所述無線能量傳輸接收電路的輸出端，即穩壓 電路的輸出端為所述植入電路裝置供應工作電壓。無線能量傳輸接收電路的輸入端與 2ASK調制電路的輸出端并聯。
體外電路裝置包括2ASK解調電路和無線能量傳輸發射電路；2ASK解調電路的輸 入端與體外耦合線圈相連；無線能量傳輸發射電路包括射頻振蕩器、E類功率放大器， 所述能量發射電路的輸出端即功率放大器與體外耦合線圈兩端相連。
本發明基于VLSI的神經束植入電極的無線供能及無線采集系統，其特點在于采用 同一套電磁耦合線圈，實現能源與信號的雙向傳輸功能，擺脫了有線電源供應的限制，. 避免了導線布線的不方便。原有的系統都采用導線實現工作電路的電源供應、信號的采 集。由于神經束植入電極需植入到體內神經束內，且在動物清醒狀態下做軀體運動時記 錄復合電位，傳統的有線電源供應方式會限制動物的活動，傳統的有線信號采集方式無 法保證植入式的神經束植入電極與有線信號采集裝置在動物軀體運動期間保持良好的 連接，而采用無線采集方式能解決該問題。本發明摒棄了有線采集方式，采用超大規模 集成電路工藝VLSI，將無線能量傳輸接收電路集成到芯片上，與神經束復合電位采集 電路、神經束植入電極一起植入到動物體內，可以方便實現對動物軀體運動期間復合電
6位的實時監測。


圖1是本發明基于VLSI的神經束植入電極的無線供能及無線采集系統的結構簡
圖2是本發明基于VLSI的神經束植入電極的無線供能及無線采集系統的工作原
理簡圖。
圖3是E類功率放大器； 圖4是全波整流電路； 圖5是穩壓電路；
圖6是參考電壓和偏置電流發生電路； 圖7是變壓器的弱耦合模型；
圖8是2ASK調制電路； 圖9是相干2ASK解調系統；
具體實施例方式
下面根據說明書附圖，并結合具體實施例對本發明的技術方案作進一步詳細說明。 本發明基于VLSI的神經束植入電極的無線供能與無線釆集系統包括體內植入部分和體 外部分兩部分-
參見圖1和圖2，本發明的無線能量傳輸發射電路和無線能量傳輸接收電路協同 工作，共同完成將體外的射頻振蕩器產生的振蕩信號經E類功率放大器由與體外耦合線 圈發射，經與體內耦合線圈發生電磁耦合，送到體內的無線能量傳輸接收電路，是本發明基于VLSI的神經束植入電極的無線供能及無線采集系統的關鍵部分。本發明的系統 包括體外的無線能量傳輸發射電路，采用分離電子元件搭建的射頻振蕩器、E類功率放 大器，體內的無線能量傳輸接收電路，即整流電路和穩壓電路，采用超大規模集成電路 VLSI工藝制造。本發明從線圈耦合的有效帶寬、阻抗匹配等考慮，在保證有效能源轉 換效率同時，又保證較高的數據傳輸速度兼顧較低的誤碼率，當選擇較低的數據傳輸速 度時，可以允許較遠的傳輸距離；當選擇較高的數據傳輸速度時，有效傳輸距離就縮短。
所述的無線能量傳輸發射電路中射頻振蕩器主要完成射頻振蕩信號的產生，為能量 的傳遞提供一個發射頻率。該射頻振蕩器的輸出端連接E類功率放大器。該發射頻率 越高，在耦合系統中允許無線傳播的數據速率就越高。根據植入體內的耦合電路，優選 的發射頻率為4MHz。
所述的無線能量傳輸發射電路中E類功率放大器主要完成對射頻信號高效率的放 大。參見圖3，所述的E類功率放大器的輸出與體外耦合線圈連接，該體外耦合線圈把 放大的射頻信號發射出去。E類功率放大器工作在開關狀態，電路結構簡單，理想功率 效率為95%，且功率可調性，保證輸出效率的同時能較大范圍地調節輸出功率。E類功 率放大器由MOS管、與MOS管并聯的電容、串聯電感、以及匹配網絡組成，電路調 諧于工作頻率。等效為開關的MOS管，其漏極通過RF扼流圈連接到電源電壓。通過 設置負載網絡參數，可以使得MOS管的漏極電壓和MOS管的漏極電流不同時出現， 漏極電壓和漏極電流乘積均為零，開關器件的耗散功率為零，從而使功率放大器的實際 效率達到95%。
所述的無線能量傳輸接收電路中全波整流電路主要完成將與體內耦合線圈兩端的 交流電壓轉換成直流電壓。參見圖4，所述的全波整流電路，輸入端為體內耦合線圈， 其輸出端為穩壓電路。該整流電路由4個PMOS組成。當體內耦合線圈兩端的交流電壓為正相時，兩個PMOS關閉，而另兩個PMOS導通。這樣保證了低電壓接地，始 終保證高電壓通過。當體內耦合線圈兩端的交流電壓為負相時，情況相反。PMOS三極 管阻止閉鎖效應引起的集電極電流發生，免去了額外元件。適當調整PMOS管的尺寸， 可以保證整流器的輸出電壓接近接收的正弦波的均方根(RMS)電壓。對于輸出電壓 為3.3V，在線圈上電壓幅值至少得是7V。標準的CMOS工藝的三極管的門夾斷電壓是 12V。此電路還需芯片外的Zener二極管的保護。
所述的無線能量傳輸接收電路中穩壓電路主要實現穩定的3. 3V電壓輸出，且驅動 電流為10mA。參見圖5，該穩壓電路的輸出直接與所述植入電路裝置供應工作電壓。 所述穩壓電路包括跨導放大器、PMOS管、并聯電容和四個PMOS管。其中PMOS管 的門電壓由跨導放大器控制，四個PMOS組抗性連接，參考電壓是整個穩壓電路輸出 電壓的四分之一。通過負反饋，不論輸出的供應電壓如何波動，輸出電壓的數值穩定在 參考電壓幅值的一定比例，三極管的柵極與輸出極之間的并聯電容保證了該穩壓系統的 穩定性。我們通過選擇穩壓電路的輸入電壓使其工作在穩定區，從而可以保證穩壓電路 輸出穩定的電壓。
所述的無線能量接收電路中參考電壓和偏置電流發生電路主要實現穩定的參考電 壓輸出。參見圖6，本文采用經典的偏置電流電路結構，經過標準CMOS裝置產生參考 電壓而獨立于接收到的能量信號，不受環境溫度的影響。啟動電路(M7-M8)可以使電 路從靜止狀態啟動。Im是主偏電流，由自舉參考電流引出的。M3-M4的長寬比的比 例為M。 Ml-M2鏡像電路驅動兩分支的電流相等。負載R決定M3-M4組的電流密度比 值，從而使它們的Vgs不同。主偏電流Im隨負載電阻R變化。本偏置電流電路結構能夠 提供獨立、穩定的偏置電流。在體溫時，可輸出參考電壓800mV，輸出波動低于1%。.
一對電磁耦合線圈主要實現能量和神經束復合電位在兩個相反方向的傳遞，包括將能量從體外耦合線圈傳遞到體內耦合線圈上，把包含神經束復合電位的2ASK調制信號 從體內耦合線圈傳遞到體外耦合線圈上。
所述的變壓器的弱耦合模型主要為分析耦合線圈的耦合效率，參見圖7。針對耦合 效率受多種因素影響，所述耦合線圈的最佳耦合效率取決于兩個耦合線圈的尺寸、匝數、 同軸間距和數據傳輸的有效速率。根據理論分析耦合系數k:無線能量傳輸電路和數據
傳輸電路的原理與變壓器是相同的，唯一區別在于弱耦合。有經驗公式，
兩線圈的同軸距離x,體內耦合線圈的半徑rimplant,體外耦合線圈的半徑rn
L,為體外耦合線圈的電感,L2為體內耦合線圈的電感，u2為體內植入電路裝置中的 負載電壓，"為體外耦合線圈中的電流。
<formula>formula see original document page 10</formula>A為在單位電阻時的系統增益。當線圈的半徑固定時，k由線圈的距離控制。此時， 當體外耦合線圈的電流變化時，在體內耦合線圈的負載端接收到的電壓就會變化。
根據以上分析，經過理論計算和實驗測試，最佳的線圈材料為銅，體外耦合線圈半
徑為15mm，匝數是50，體內耦合線圈半徑為lOmm，匝數為16,數據傳輸速率是25KHz,
兩線圈同軸間距是15mm。
本發明系統的神經束復合電位采集電路實現將神經束植入電極采集到的神經束復 合電位轉換成數字化且串行位數據，數據格式為不歸零NRZ編碼。神經束復合電位采集電路主要由VLSI采集芯片、微控制器構成，本發明裝置的神經束復合電位采集電路 的輸入端是神經束植入電極，輸出端與編碼電路相連，其功能是將神經束復合電位信號 數字化。微控制器編程控制VLSI采集芯片，使VLSI采集芯片按照設定采樣率、分辨 率、放大倍數工作。所述VLSI采集芯片，采用超大規模集成電路VLSI工藝制作，其 低頻截止頻率為0.2 94Hz，獨立高頻截止頻率是140Hz到8.2 kHz。其數字增益范圍 是1 4096,分辨率是8 12位。該芯片的輸入端為神經束植入電極記錄到的神經束動 作電位，允許為15通道，其供應電壓由無線能源傳輸芯片的輸出提供。所述無線采集 芯片的輸出為串行位數據。其采樣頻率可調、分辨率可調。該采集芯片的輸出可以直接 接到編碼電路的輸入端。
本發明裝置的編碼電路主要完成將復合電位的不歸零NRZ格式轉換成修正米勒 (Modified Miller)格式。前面所述采集模塊輸出串行位數據是的不歸零NRZ格式， 即1為高電平，0為低電平。所述修正米勒(Modified Miller)編碼，即對于每一個邏 輯l，輸出一個脈沖，有兩個電平轉換，其脈沖寬度由輸入時鐘控制；對于0，沒有任 何電平轉換。
所述的神經束復合電位2ASK調制電路主要完成將MM編碼的神經束復合電位經二 進制幅移鍵控(2ASK)調制方式與射頻振蕩波調制生成調制信號。參見圖8， 2ASK 調制電路主要由與體內耦合線圈終端經電阻與MOS管串聯構成，且被調制信號，即 MM編碼的神經束復合電位V1，從該M0S管的基極輸入。該MOS管的打開、關閉由 發送的MM編碼的神經束復合電位數值決定。調制結構中還包括Darlington對Ql管、 Q2管組成。Ml起開關作用。Rl來調節調制速率。Vdd為供應電壓，確保供應電壓 不受2ASK調制的影響。所述2ASK調制電路主要是通過變負載電阻的數值，然后經檢測體外耦合線圈上電流變化，該電流變化反映了MM編碼的神經束復合電位信息，從
而實現數據的傳輸。提高載波速率，可以保障較高的數據傳速率。2ASK調制電路由超
大規模集成電路VLSI工藝制造。
所述的神經束復合電位2ASK解調電路主要完成將神經束復合電位從體外耦合線圈
兩端的2ASK調制信號中解調出來。參見圖9，所述245^解調選用相干檢測方式，接收系
統包括耦合電路、相乘器、低通濾波器和抽樣判決器，由分離元件搭建。相干載波與體
外耦合線圈耦合到的249;r調制信號， 一并輸入到耦合電路、相乘器，經低通濾波器，
輸入到抽樣判決器，同時位同步信號一并輸入到抽樣判決器，最后解調信號輸出，即解
調出來的神經束復合電位數據。
本發明系統的工作過程為
該發明可以用來完成植入老鼠髖神經束的神經束植入電極采集實驗，將神經束植入 電極(Intrafascicular electrode)植入到老鼠的髖神經，對老鼠腳掌加重物壓力，檢測 得到復合電位，將神經束植入電極的游離端連接到神經束復合電位采集電路的輸入端， 所述神經束復合電位采集電路輸出串行位數據，經編碼電路將不歸零NRZ格式轉換成 為修正米勒畫格式，后經調制電路輸出幅移鍵控2ASK方式的調制信號，連接到體內 耦合線圈發射。在體外電路裝置中，體外耦合線圈的端電壓，經過2ASK解調電路，將 被調制信號，即神經束復合電位信號復原出來。通過數據采集卡，輸入計算機，進行保 存、顯示及其后續處理分析。在另一個方向，體外電路裝置中的E類功率放大^l將射 頻振蕩器產生的振蕩信號進行功率放大，通過與體外耦合線圈發射到電磁耦合系統中。. 在體內植入電路裝置中，體內耦合線圈的端電壓輸入到無線能量傳輸接收電路，經過無 線能量傳輸接收電路內部的整流電路、穩壓電路得到穩定的輸出電壓，從而為體內植入 電路裝置提供工作電壓。接下來，與標準有線多通道生理采集系統采集到的信號做對比分析，判斷無線采集系統的傳輸質量。通過本發明基于VLSI的神經束植入電極的無線 供能與無線采集系統，可實現對動物在清醒狀態下做軀體運動時的神經動作電位的實 時、準確記錄，可采集動物外周神經系統神經動作電位的活體實驗，對智能假肢的控制 研制提供動物實驗數據。
權利要求
1、一種基于超大規模集成電路的神經束植入電極的無線供能及無線采集系統，包括體內植入電路裝置、體外電路裝置，其特征在于體內植入電路裝置包括無線能量傳輸接收電路和2ASK調制裝置，所述的無線能量傳輸接收電路輸入端連接到體內耦合線圈的兩端，用于接受體內耦合線圈感應到的電磁能量，并通過整流、穩壓后為體內植入電路裝置提供電源；所述2ASK調制裝置包括神經束復合電位采集電路、編碼電路、2ASK調制電路，所述2ASK調制裝置中的神經束復合電位采集電路的輸入端與神經束植入電極相連接，用于采集神經束的復合電位，所述神經束復合電位采集電路的輸出端與編碼電路的輸入端相連；所述編碼電路的輸出端與所述2ASK調制電路的輸入端相連，所述編碼電路是將所采集神經束的復合電位數據由NRZ格式轉換為MM格式，進一步通過2ASK調制電路將神經束復合電位數據調制到載波上，所述2ASK調制電路的輸出端連接到體內耦合線圈；體外電路裝置包括2ASK解調電路和無線能量傳輸發射電路，所述的無線能源傳輸發射電路與體外耦合線圈的兩端相連，用于向體內耦合線圈傳輸電磁能量，所述的2ASK解調電路的輸入與體外耦合線圈相連，通過所述體內耦合線圈和所述體外耦合線圈的耦合作用，接收體內植入電路裝置采集并調制的神經束復合電位數據，所述2ASK解調電路的輸出端與PC機相連，上傳經2ASK解調電路解調后的神經束復合電位信號。
2、 根據權利要求1所述的神經束植入電極的無線供能及無線采集系統，其特征為，所述的體內耦合線圈和體外耦合線圈要實現兩個方向的傳遞，既要將能量通過E類功率放大器從體外的無線能量傳輸發射電路發送到體內的無線能量傳輸接收電路，又要將神經束植入電極采集到的神經束復合電位通過2ASK調制裝置從體內發送到體外的2ASK解調電路。
3、根據權利要求1所述的神經束植入電極的無線供能及無線采集系統，其特征為，所述的無線能量傳輸接收電路采用VLSI技術制造，將體內耦合線圈的端電壓轉換為穩定的輸出電壓，驅動體內植入電路裝置正常工作。
全文摘要
一種基于超大規模集成電路(VLSI)的神經束植入電極的無線供能及無線采集系統，包括體內植入電路裝置和體外電路裝置，體內植入電路裝置包括2ASK調制裝置的神經束復合電位采集電路、編碼電路、2ASK調制電路，無線能量傳輸接收電路的整流電路、穩壓電路，體內耦合線圈。無線能量傳輸接收電路采用超大規模集成電路VLSI工藝制造。體外電路裝置包括2ASK解調電路，無線能量傳輸發射電路的射頻振蕩器、E類放大器，采用分離元件搭建的電路板，體外耦合線圈。本系統既實現了體內植入電路裝置的無線供能，又同時實現了神經束植入電極記錄到的神經束復合電位的無線傳輸；本系統可以用于動物在清醒狀態下做軀體運動時外周神經系統的檢測；由于采用VLSI技術制造無線供能芯片和無線采集系統，降低了系統的功耗。
文檔編號H02J17/00GK101651369SQ20091019080
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月9日 優先權日2009年9月9日
發明者侯文生, 彭承琳, 星 王, 田學隆, 皮喜田, 鄭小林 申請人:重慶大學