CN112022101A - 基于人体媒介信息与能量传输的植入式脑机接口 - Google Patents
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Abstract
本发明属于植入式医疗设备领域，具体涉及一种基于人体媒介信息与能量传输的植入式脑机接口，旨在为了解决植入式脑机接口电路中面临的通信数据速率较低、传输距离不够远、功耗高的问题。本发明包括神经信号采集电极、采集前端模块、处理单元、人体媒介信息传输模块、人体媒介能量收集模块、信息能量传输电极，神经信号采集电极获取的神经信号，经采集前端模块进行放大、滤波并数字化后发送至处理单元，处理单元通过人体媒介信息传输模块、信息能量传输电极与外部设备进行信息交互，人体媒介能量收集模块通过信息能量传输电极获取能量并为其他部件提供工作电能。本发明提高了植入式脑机接口通信数据速率、传输距离，降低了功耗，并可长距离使用。
Description
技术领域
本发明属于植入式医疗设备领域，具体涉及一种基于人体媒介信息与能量传输的植入式脑机接口。
背景技术
由于疾病、自然灾害、交通事故等因素造成的身体残疾给患者及家庭带来了严重的伤害。调查显示，全球有大约15％的人口带有某种形式的残疾而生存，其中约2％的人面临严重的功能性障碍，如四肢瘫痪、严重的抑郁症或失明等。随着全球人口的增长以及老龄化问题的加剧，残疾人口的数量也在持续增加。其中，神经或运动疾病患者，比如脊髓侧索硬化症、脊髓损伤、肌萎缩、肢体瘫痪等患者，他们的大脑到肢体的神经和肌肉通路已经被破坏，大脑发出的指令无法被执行，因而丧失了运动能力。传统的药物或手术的手段无法对其进行有效修复，患者的日常生活受到极大影响。近年来，随着科技的发展，一种不依赖于常规的外围的神经肌肉组织，直接利用大脑信号跟外部设备进行交互的技术，即脑机接口技术应运而生，为这些感觉或运动功能障碍者的治疗和康复提供了一种解决方案。脑机接口技术在医学治疗和康复领域、军事领域以及休闲娱乐领域中均具有广泛地应用价值。
根据信号来源方式的不同，可以将脑机接口分为非植入式和植入式两大类。其中，非植入式脑机接口电路是将电极置于头皮上来提取脑电信号，采集的方式无创的。但是头皮脑电信号的信噪比低，周围环境干扰以及人主观的精神状态对脑电信号的影响比较大。而植入式采集的信号来源于植入到大脑颅骨以下组织的电极记录的信号，可以精确记录单个神经元的电活动。采集的信号时空分辨率高，能够提取更加丰富的信息，在精确运动控制以及大脑激励探索等方面具有很大的优势。因此，植入式脑机接口电路成为学术界和工业届的研究热点。
植入式脑机接口通常包括神经电信号前端采集电路、植入式无线通信电路、数字控制电路以及无线供能电路。总结目前已有的各种类型的植入式脑机接口电路，其仍然存在的问题有以下几点：首先，数据传输电路是植入式脑机接口电路的重要模块，它可以接收体外程控器的控制命令并向体外传输实时的神经电信号。目前的植入式芯片的传输速率大部分在kbps量级。对于时空分辨率更高的动作电位来说，高采样率和多通道的采样会使数据量增加到几十甚至上百Mb。为了提高采集到的神经信号的分辨率，获取更多的信息，需要提高数据传输电路的数据率。同时，数据传输电路是整个植入式脑机接口芯片功耗的最大来源，为了降低供能电路的设计压力，减小整个系统的体积，需要降低数据传输电路的功耗。因此，低功耗、高数据率的数据传输电路是植入式脑机接口电路面临的主要问题之一；其次，为了使植入式脑机接口电路能够长期植入应用，免除患者再次开刀更换植入的后顾之忧，高能效的无线供电技术是关键。现有的无线供电技术面临着能效低、充电距离短、体积大以及充电装置限制实验对象活动性的问题。因此，需要进一步的研究适用于植入式脑机接口电路的小体积、高能效的无线供电技术。
总结来说，目前植入式脑机接口电路中面临通信数据速率较低、传输距离不够远、功耗高，无线供电方式能效低、充电距离短、体积大以及充电装置限制实验对象活动性的问题。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决植入式脑机接口电路中面临的通信数据速率较低、传输距离不够远、功耗高的问题，本发明提出了一种基于人体媒介信息与能量传输的植入式脑机接口，包括神经信号采集电极、采集前端模块、处理单元、人体媒介信息传输模块、人体媒介能量收集模块、信息能量传输电极；
所述神经信号采集电极，配置为采集神经信号；
所述采集前端模块，配置为对所采集的神经信号进行放大、滤波，并进行神经信号的数字化；
所述处理单元，配置为按照预存储的处理方法对数字化后的神经信号进行处理，并与所述人体媒介信息传输模块进行信息交互；
所述人体媒介信息传输模块，配置为信息发送和信息接收；
所述人体媒介能量收集模块，配置为将所述信息能量传输电极测量的生物电势信号转换为直流电压并输出；
所述信息能量传输电极，配置为测量生物电势信号。
在一些优选的实施方式中，所述采集前端模块包括多通道模拟前端电路、时分复用电路、模数转换电路、时钟产生电路；
所述多通道模拟前端电路、所述时分复用电路、所述模数转换电路顺次连接；所述多通道模拟前端电路接收所述神经信号采集电极采集的神经信号并进行放大、滤波后，通过所述时分复用电路传输至所述模数转换电路进行神经信号数字化；所述时钟产生电路为所述时分复用电路、所述模数转换电路提供时钟信号。
在一些优选的实施方式中，所述多通道模拟前端电路中每一个模拟前端电路均包括级联设置的低噪声放大器和可调增益放大器。
在一些优选的实施方式中，所述低噪声放大器为电容耦合结构，用于降低电极的直流失调电压，并带宽可调；
所述可调增益放大器为仪表放大器结构，用于信号放大倍数的调整。
在一些优选的实施方式中，所述模数转换器采用全差分逐次逼近型结构。
在一些优选的实施方式中，所述人体媒介信息传输模块基于人体作为信道传输数据；所述人体媒介信息传输模块包括发射模块、接收模块；
所述发射模块包括级联的调制器、阻抗可变功率放大器；所述处理单元将待发射信号发送至所述调制器调制后，传输到后级的阻抗可变功率放大器进行功率放大，并输出到所述信息能量传输电极；
所述接收模块包括低噪声放大器、可变增益放大器、解调器；接收到的信号依次经过所述低噪声放大器、所述可变增益放大器分别进行第一级放大、二次放大后，输入到解调器进行解调，并输出到所述处理单元。
在一些优选的实施方式中，所述人体媒介能量收集模块基于人体作为能量传输的媒介进行能量收集；
所述人体媒介能量收集模块包括级联设置的匹配网络、N级整流器、直流/直流转换器；
所述匹配网络的输入端与所述信息能量传输电极连接、输出端与所述N级整流器电连接；
所述N级整流器的输入端连接所述匹配网络、输出端连接所述直流/直流转换器，将交流电压转换为直流电压；
所述直流/直流转换器的输入端与所述N级整流器连接、输出端输出稳定的电压。
在一些优选的实施方式中，所述人体媒介能量收集模块采用的工作频段与所述人体媒介信息传输模块的工作频段相同。
在一些优选的实施方式中，所述人体媒介能量收集模块采用的工作频段为20MHz-120MHz。
在一些优选的实施方式中，所述信息能量传输电极为干电极或湿电极。
本发明的有益效果：
植入式脑机接口电路中的数据传输模块应用了人体作为信息传输媒介的人体信道通信方式，采用电极代替传统无线通信的大天线或线圈，小体积、功耗低、信息传输速率高，解决了植入式脑机接口电路中面临的通信数据速率较低、传输距离不够远、功耗高的问题；同时采用了将人体作为数据传输媒介的能量收集技术，无需线圈，体积小，可长距离使用，解决了植入式脑机接口电路面临的负荷重、传输距离短、充电装置限制实验对象活动性的问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一种实施例的基于人体媒介信息与能量传输的植入式脑机接口电路框架示意图；
图2是本发明一种实施例中的采集前端模块的结构示意图；
图3是本发明一种实施例中的人体媒介信息传输模块的结构示意图；
图4是本发明一种实施例中的人体媒介能量收集模块的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的一种基于人体媒介信息与能量传输的植入式脑机接口，包括神经信号采集电极、采集前端模块、处理单元、人体媒介信息传输模块、人体媒介能量收集模块、信息能量传输电极；
所述神经信号采集电极，配置为采集神经信号；
所述采集前端模块，配置为对所采集的神经信号进行放大、滤波，并进行神经信号数字化；
所述处理单元，配置为按照预存储的处理方法对数字化后的神经信号进行处理，并与所述人体媒介信息传输模块进行信息交互；
所述人体媒介信息传输模块，配置为信息发送和信息接收；
所述人体媒介能量收集模块，配置为将所述信息能量传输电极测量的生物电势信号转换为直流电压并输出；
所述信息能量传输电极，配置为测量生物电势信号。
为了更清晰地对本发明基于人体媒介信息与能量传输的植入式脑机接口进行说明，下面结合附图对本方发明一种实施例中各部分进行展开详述。
本发明一种实施例的基于人体媒介信息与能量传输的植入式脑机接口，如图1所示，包括神经信号采集电极、采集前端模块、处理单元、人体媒介信息传输模块、人体媒介能量收集模块、信息能量传输电极。
神经信号采集电极用于采集神经信号。神经信号采集电极可以根据应用需求选择不同材料的电极，比如采用不锈钢或钨制造的微丝、密歇根式/犹他式等基于硅的电极以及由聚酰亚胺、聚对二甲苯或苯并环乙烯制成的微电极。神经信号采集电极可以植入在大脑的皮质层采集皮质电信号，也可以植入到神经元上采集单个神经元的放电信号。
采集前端模块用于对所采集的神经信号进行放大、滤波，并进行神经信号数字化后传输到处理单元。采集前端模块的结构示意图如图2所示，主要包括多通道模拟前端电路、时分复用电路、模数转换电路、时钟产生电路(即图2中的时钟产生器)。为了降低整个系统的面积，多通道模拟前端电路通过时分复用电路来选择通道，再共用一个模数转换器电路将采集的神经信号转换成数字信号。
多通道模拟前端电路、时分复用电路(TDM)、模数转换电路(ADC)顺次连接；所述多通道模拟前端电路通过多路输入(如图2中的In0…InN)接收所述神经信号采集电极采集的神经信号并进行放大、滤波后，通过所述时分复用电路传输至所述模数转换电路进行神经信号数字化；所述时钟产生电路为所述时分复用电路、所述模数转换电路分别提供时钟信号CLK_TDM、CLK_ADC。图2中，每一个AFE为一个模拟前端电路。时钟产生电路可以基于配置信息进行时钟选择并基于GCK信号产生时钟信号，模拟前端电路可以基于配置信息进行增益和带宽控制。
多通道模拟前端电路中每一个模拟前端电路均包括低噪声放大器和可调增益放大器，低噪声放大器与可调增益放大器级联。低噪声放大器采用电容耦合结构，可以在降低电极的直流失调电压的同时可以实现带宽可调；可调增益放大器采用仪表放大器结构，用于信号放大倍数的调整。
模数转换器采用全差分逐次逼近型结构，主要包括采用保持电路、数模转换电路、比较器和逻辑控制电路。
处理单元，配置为按照预存储的处理方法对数字化后的神经信号进行处理，并与人体媒介信息传输模块进行信息交互；处理单元可以基于控制指令通过人体媒介信息传输模块向外部设备发送数据，还可以获取人体媒介信息传输模块获取的外部指令，并执行指令。
人体媒介信息传输模块的示意图如图3所示，主要包括发射模块和接收模块，可以利用人体媒介作为信道进行数据传输。根据人体媒介信息传输特性可知，当频带在20MHz-120MHz之间时，传输损耗比较低。因此，人体媒介信息模块的工作频带在20MHz-120MHz之间。
发射模块包括级联的调制器、阻抗可变功率放大器(PA)；其中调制器用来将输入信号调制到20MHz-120MHz，适合信道的传输。由于人体媒介信息传输的发射端是与人体进行接触的，发射端的输出阻抗会随着人体皮肤状态以及电极与皮肤之间的接触情况而动态变化，为了提高发射模块的传输效率，本发明使用了输出阻抗可变的功率放大器。处理单元将待发射信号发送至所述调制器调制后，传输到后级的阻抗可变功率放大器进行功率放大，然后通过信息能量传输电极向外部设备发送数据。
接收模块主要由低噪声放大器(LNA)、可变增益放大器和解调器组成；通过信息能量传输电极接收到的外部信号经过低噪声放大器进行第一级放大后，再经过可变增益放大器的二次放大后，输入到解调器，并由解调器将接收到的信号进行解调，然后输出到处理单元。
人体媒介能量收集模块，配置为将所述信息能量传输电极测量的生物电势信号转换为直流电压并输出。人体媒介能量收集模块的示意图如图4所示，主要包括匹配电路、N级整流器、直流-直流转换器(DC-DC转换器)。贴在人体上的信息能量传输电极接收到能量后经过人体媒介能量收集模块中的匹配电路再通过整流器电路变换为直流能量，最后通过直流-直流转换器变换后为整个植入式脑机接口系统电路供电。匹配网络的输入端是信息与能量传输电极，输出端是N级整流器。匹配电路的设计可以现在ADS等仿真软件中进行设计验证，再根据仿真得到的结果搭建测试电路根据实际测试结果进行二次调整。
匹配电路后接N级整流器，N级整流器采用二极管、电容等组成的倍压整流的结构，用于实现高电压的输出。由于信息与能量传输电极是与人体接触的，接触情况会随着人体姿势等动态变化，因此整流器不仅需要在较大的输入幅度范围内实现高的能量收集效率，同时必须具有较低的工作阈值使其能够从较弱的信号中收集能量。因此，本发明将采用多级低阈值的整流架构，提升能量收集灵敏度，同时引入多级控制技术，根据输入信号幅度选取最优的整流结构，提高大输入范围下的综合能量传输效率。
整流器后接直流-直流转换电路，用于输出稳定的直流电压。
信息能量传输电极，配置为测量生物电势信号。
信息能量传输电极被人体媒介信息传输模块和人体媒介能量收集模块共用，可以是铜片等金属导电的干电极也可以是Ag-AgCl类型的湿电极。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于人体媒介信息与能量传输的植入式脑机接口，其特征在于，包括神经信号采集电极、采集前端模块、处理单元、人体媒介信息传输模块、人体媒介能量收集模块、信息能量传输电极；
所述神经信号采集电极，配置为采集神经信号；
所述采集前端模块，配置为对所采集的神经信号进行放大、滤波，并进行神经信号的数字化；
所述处理单元，配置为按照预存储的处理方法对数字化后的神经信号进行处理，并与所述人体媒介信息传输模块进行信息交互；
所述人体媒介信息传输模块，配置为信息发送和信息接收；
所述人体媒介能量收集模块，配置为将所述信息能量传输电极测量的生物电势信号转换为直流电压并输出；
所述信息能量传输电极，配置为测量生物电势信号。
2.根据权利要求1所述的基于人体媒介信息与能量传输的植入式脑机接口，其特征在于，所述采集前端模块包括多通道模拟前端电路、时分复用电路、模数转换电路、时钟产生电路；
所述多通道模拟前端电路、所述时分复用电路、所述模数转换电路顺次连接；所述多通道模拟前端电路接收所述神经信号采集电极采集的神经信号并进行放大、滤波后，通过所述时分复用电路传输至所述模数转换电路进行神经信号数字化；所述时钟产生电路为所述时分复用电路、所述模数转换电路提供时钟信号。
3.根据权利要求2所述的基于人体媒介信息与能量传输的植入式脑机接口，其特征在于，所述多通道模拟前端电路中每一个模拟前端电路均包括级联设置的低噪声放大器和可调增益放大器。
4.根据权利要求3所述的基于人体媒介信息与能量传输的植入式脑机接口，其特征在于，所述低噪声放大器为电容耦合结构，用于降低电极的直流失调电压，并带宽可调；
所述可调增益放大器为仪表放大器结构，用于信号放大倍数的调整。
5.根据权利要求2所述的基于人体媒介信息与能量传输的植入式脑机接口，其特征在于，所述模数转换器采用全差分逐次逼近型结构。
6.根据权利要求1所述的基于人体媒介信息与能量传输的植入式脑机接口，其特征在于，所述人体媒介信息传输模块基于人体作为信道传输数据；所述人体媒介信息传输模块包括发射模块、接收模块；
所述发射模块包括级联的调制器、阻抗可变功率放大器；所述处理单元将待发射信号发送至所述调制器调制后，传输到后级的阻抗可变功率放大器进行功率放大，并输出到所述信息能量传输电极；
所述接收模块包括低噪声放大器、可变增益放大器、解调器；接收到的信号依次经过所述低噪声放大器、所述可变增益放大器分别进行第一级放大、二次放大后，输入到解调器进行解调，并输出到所述处理单元。
7.根据权利要求1所述的基于人体媒介信息与能量传输的植入式脑机接口，其特征在于，所述人体媒介能量收集模块基于人体作为能量传输的媒介进行能量收集；
所述人体媒介能量收集模块包括级联设置的匹配网络、N级整流器、直流/直流转换器；
所述匹配网络的输入端与所述信息能量传输电极连接、输出端与所述N级整流器电连接；
所述N级整流器的输入端连接所述匹配网络、输出端连接所述直流/直流转换器，将交流电压转换为直流电压；
所述直流/直流转换器的输入端与所述N级整流器连接、输出端输出稳定的电压。
8.根据权利要求1所述的基于人体媒介信息与能量传输的植入式脑机接口，其特征在于，所述人体媒介能量收集模块采用的工作频段与所述人体媒介信息传输模块的工作频段相同。
9.根据权利要求8所述的基于人体媒介信息与能量传输的植入式脑机接口，其特征在于，所述人体媒介能量收集模块采用的工作频段为20MHz-120MHz。
10.根据权利要求1所述的基于人体媒介信息与能量传输的植入式脑机接口，其特征在于，所述信息能量传输电极为干电极或湿电极。
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