【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著神經(jīng)科學(xué)和腦機(jī)接口技術(shù)的快速發(fā)展，如何在神經(jīng)調(diào)控中實現(xiàn)高效、安全的神經(jīng)刺激一直是科研和醫(yī)療領(lǐng)域的重點課題。
 

　　近日，由天津大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、天津中醫(yī)藥大學(xué)、南方科技大學(xué)的研究人員合作設(shè)計出一款八通道高壓神經(jīng)刺激集成電路(IC)，采用雙相指數(shù)波形輸出和電荷平衡，極大提升了神經(jīng)刺激的效率和安全性。該研究作為Neuroelectronics期刊創(chuàng)刊號的第一篇文章發(fā)表，為神經(jīng)調(diào)控和植入設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展帶來了新的契機(jī)。北京工業(yè)大學(xué)劉旭副教授為論文第一作者。天津大學(xué)孫彪教授及南方科技大學(xué)余浩教授為共同通訊作者。
 

　　圖題：八通道神經(jīng)刺激芯片裝置主要包括波形發(fā)生器、電荷平衡器、和高壓驅(qū)動器，在電極模型、PBS溶液和動物實驗中進(jìn)行了測試和驗證。該圖突出顯示了高壓驅(qū)動器和指數(shù)衰減波形的電流產(chǎn)生器，這些模塊都有助于實現(xiàn)98%的輸出功率效率。該芯片可應(yīng)用于多種腦-機(jī)接口和人-機(jī)接口中，如脊髓刺激調(diào)控等。
 

　　研究背景
 

　　在神經(jīng)調(diào)控的應(yīng)用中，刺激裝置的效率和安全性一直是首要考慮的問題。最新設(shè)計的這款高壓神經(jīng)刺激芯片突破了傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，具有30V高壓輸出，特別適用于高阻抗電極-組織界面，可為神經(jīng)刺激提供足夠的電荷輸送。
 

　　雙相刺激電流配合主動電荷平衡保證安全性：為了確保長期使用的安全性，該芯片采用了創(chuàng)新的主動電荷平衡機(jī)制，通過精確控制每個刺激周期內(nèi)的電荷傳遞，極大降低了殘余電荷的積累風(fēng)險，達(dá)到了每周期僅0.77%的殘余電荷量。這意味著在進(jìn)行長時間神經(jīng)刺激時，能夠有效減少對組織的損傷，保證患者安全。
 

　　指數(shù)電流實現(xiàn)高功率效率：功率效率的提升是本次設(shè)計的一大亮點。通過使用指數(shù)波形輸出代替?zhèn)鹘y(tǒng)的恒流刺激模式，功率效率提高至98%，不僅減少了電能消耗，還有效控制了設(shè)備在工作過程中的熱量散發(fā)，為未來的植入式設(shè)備開發(fā)奠定了堅實基礎(chǔ)。
 

　　生物實驗驗證芯片功能：此外，這款芯片經(jīng)過體外與體內(nèi)實驗的雙重驗證。在體外測試中，與不同的電極-組織界面模型進(jìn)行了廣泛的模擬實驗，成功實現(xiàn)了低殘余電荷的神經(jīng)刺激。在體內(nèi)實驗中，通過對大鼠的迷走神經(jīng)和坐骨神經(jīng)進(jìn)行刺激，觀察到顯著的肌肉收縮效果，證明了其在實際應(yīng)用中的潛力。
 

　　總結(jié)與展望：隨著技術(shù)的不斷演進(jìn)，低功耗、高效能、安全性高的神經(jīng)調(diào)控芯片將為更多神經(jīng)疾病治療和增強(qiáng)領(lǐng)域帶來突破性的進(jìn)展。此次研究成果不僅為神經(jīng)科學(xué)研究提供了重要工具，更有望在智能醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域開辟新篇章，讓神經(jīng)調(diào)控技術(shù)更好地服務(wù)于臨床和康復(fù)治療。
 

　　作者簡介：孫彪，天津大學(xué)自動化學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。國家優(yōu)青，天津市131創(chuàng)新型人才，天津市首批青年科技人才第一層次，IEEE Senior member，中國電子學(xué)會電子機(jī)械工程分會委員，中國計算機(jī)學(xué)會智能機(jī)器人專委會委員，中國儀器儀表學(xué)會青委會委員，天津市康復(fù)醫(yī)學(xué)會視覺康復(fù)青委會委員。研究方向為腦機(jī)接口與人工智能集成電路設(shè)計。發(fā)表SCI收錄論文50余篇，受邀在ICCAD、ICASSP、BioCAS等國際學(xué)術(shù)會議上報告20余次。出版專著2本，授權(quán)發(fā)明專利15項。主持和參與國家自然科學(xué)基金項目、國家重點研發(fā)計劃項目等20余項。