CN114546000A

CN114546000A - 一种用于神经接口的温控系统

Info

Publication number: CN114546000A
Application number: CN202210023489.9A
Authority: CN
Inventors: 黄立; 黄晟; 姬君旺; 高健飞; 马占锋
Original assignee: Wuhan Zhonghua Brain Computer Integration Technology Development Co Ltd
Current assignee: Wuhan Zhonghua Brain Computer Integration Technology Development Co Ltd
Priority date: 2022-01-10
Filing date: 2022-01-10
Publication date: 2022-05-27

Abstract

本发明的提供了一种用于神经接口的温控系统，包括微针、信号处理电路和恒温设备，所述恒温设备用于对信号处理电路进行恒温处理。在本发明中，实时监控信号处理电路的温度，通过恒温设备对信号处理电路进行恒温处理，转移了信号处理电路所产生的热量，避免热量聚集，保证了其工作效率和人体的安全。

Description

一种用于神经接口的温控系统

技术领域

本发明属于神经接口技术领域，具体涉及一种用于神经接口的温控系统。

背景技术

神经接口是一种不依赖于正常的由外周神经和肌肉组成的输出通路的通讯系统，绕开了外周神经和肌肉组织，提供一种新的与外界设备交流信息的通路，可以通过外部设备刺激神经细胞产生动作电位，也可以记录神经细胞产生的动作电位，以此实现神经细胞与外部设备的双向通信。因此，神经接口被广泛用于研究和治疗各种神经性疾病，如帕金森病、癫痫、抑郁症和特发性震颤等。

神经接口中侵入式微针阵列结构体电极接触点多，信号处理电路(ASIC)功率较大，高度集成的神经接口局部散热无法处理，一方面高温将会对电子元器件的稳定性、可靠性和寿命产生有害的影响，譬如过高的温度会危及半导体的结点，损伤电路的连接界面，增加导体的阻值和造成机械应力损伤。因此确保发热电子元器件所产生的热量能够及时的排出，己经成为微电子产品系统组装的一个重要方面，而对于集成程度和组装密度都较高的便携式或植入式产品，散热甚至成为了整个产品的技术瓶颈问题，无法保证其工作效率，还会造成神经信号传输以及信号处理的偏差，影响信号读取的准确性，另一方面还会对人体脑组织及神经系统产生影响，难以保证人生安全。因此，目前多数神经接口还是采用体外有线连接的方式，无法采用无线的方式全植入人体脑组织。

发明内容

针对现有技术的缺点和不足，本发明的目在于提供一种用于神经接口的温控系统，对信号处理电路的工作温度和发热状态进行实时监测，并根据监测反馈结果采用恒温设备对其进行恒温处理，可以解决信号处理电路功率过大导致的热量过高问题，保证信号处理电路正常工作以及人体的安全。

为实现上述目的，本发明采用具体技术方案如下：提供一种用于神经接口的温控系统，包括微针、信号处理电路和恒温设备，所述恒温设备用于对信号处理电路进行恒温处理。

进一步地，所述温控系统还包括温度传感器，所述温度传感器包括热敏器件，所述热敏器件用于监测所述信号处理电路的工作温度。

进一步地，所述热敏器件贴附在信号处理电路的下方或置于信号处理电路发热功率最大的部位；或，

所述热敏器件集成在信号处理电路之中。

进一步地，所述温度传感器与信号处理电路电连接；

所述温度传感器用于将采集到的温度数据反馈给信号处理电路，由信号处理电路与预设工作温度阀值对比并做出判断，控制恒温设备对信号处理电路进行恒温处理。

进一步地，所述温度传感器使用的热敏器件有一个或多个；

当热敏器件有一个时，置于信号处理电路发热功率最大的部位；

当热敏器件具有多个时，分别置于信号处理电路的不同部位。

进一步地，所述恒温设备包括至少一个温度调节单元，通过信号处理电路控制温度调节单元的电流方向，以对信号处理电路进行恒温处理。

进一步地，所述温度调节单元包括一个或多个制冷器。

进一步地，所述恒温设备通过填充介质与信号处理电路相邻接。

进一步地，所述填充介质包括导热硅胶、导热硅脂、导热凝胶、尼龙系列塑料、聚乙烯或环氧树脂。

进一步地，所述恒温设备通过绝热层与微针相邻接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的提供了一种用于神经接口的温控系统，实时监控信号处理电路的温度，通过恒温设备对信号处理电路进行恒温处理，转移了信号处理电路所产生的热量，避免热量聚集，保证了其工作效率和人体的安全。

本发明通过设计模块化的恒温设备，可以做到对信号处理电路不同工作模式下散热的精确控制，实现变频降温，减少神经接口的整体功耗。

本发明还可以通过恒温设备的热量转移对神经组织进行温度调控刺激，配合脑电位形成二维控制，可用于理疗以及配合残障人士的指令动作控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。

图1为本发明实施例提出温控系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提出的恒温设备组成结构示意图；

图3为本发明实施例恒温设备与ASIC电路组合示意图；

图4为本发明实施例温控系统性能测试图。

其中，1-微针，2-信号处理电路，3-恒温设备，4-导线，5-TEC模块，6-温度调节单元，7-热界面材料，8-均热层，9-绝热层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

实施例1

本实施例公开了一种温控系统，如图1所示，包括微针1、信号处理电路2、恒温设备3，所述恒温设备3位于微针1和信号处理电路2之间，所述恒温设备3通过导线4与电源相连，恒温设备3还与信号处理电路2电连接，由信号处理电路2控制恒温设备3的工作状态以及电流方向。

所述温控系统还包括温度传感器(图中未示出)，所述温度传感器包括热敏器件和模数转换器，其中，所述热敏器件包括热敏电阻、热敏电容或热敏半导体，所述热敏器件贴附在信号处理电路2的下方，优选地，置于信号处理电路2发热功率最大的部位，可以实时监测信号处理电路2的工作温度。

在可选的实施例中，所述热敏器件为热敏电阻，热敏电阻具有负的温度系数，即温度升高时，电阻值减小。提供一恒流源流过热敏器件，当温度变化时，热敏电阻的电阻值发生变化，热敏电阻两端电压的发生变化，热敏电阻两端电压的变化反应出温度的变化(U＝I*R)，通过模数转换器采样得到热敏电阻两端电压值，通过温度与电压的关系计算得到当前温度数据。所述温度传感器与信号处理电路2电连接，温度传感器将采集到的温度数据反馈给信号处理电路2，由信号处理电路2与预设工作温度阀值做出判断，进一步控制恒温设备3开始工作，对信号处理电路2进行恒温处理。其中，前述的恒温指的是将信号处理电路2的工作温度稳定在一预设的温度。

根据本发明的另一个实施例，所述信号处理电路2将采集的温度数据通过信号发射器无线传输给体外设备，实现外部对人体侵入式微针阵列系统工作状态的监控。

根据本发明的另一个实施例，所述热敏器件贴附在信号处理电路2的下方或集成在信号处理电路2之中。

本实施例中，所述恒温设备3包括至少一个温度调节单元，通过信号处理电路控制温度调节单元的电流方向，以对信号处理电路进行恒温处理。其中，所述温度调节单元包括一个或多个制冷器，其中，制冷器可以为半导体制冷器，也可以为陶瓷制冷器。

其中，半导体制冷器(TEC)包括一些P型和N型对，通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间，所述TEC通过导线与直流电源相连，当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生“热”侧和“冷”侧，即可以通过控制通过TEC的电流方向来调整加热或是降温，如果通过模块的电流正向为加热，反向则为降温，反之亦然。本实施例中，在电流方向的控制下，使TEC模块的“冷”侧与信号处理电路2的下方相邻接，对信号处理电路2进行恒温处理。

实施例2

本实施例中，所述温控系统还包括电力线圈(图中未示出)，所述微针1用于采集指定功能区的神经信号，并将所述神经信号发送给所述信号处理电路2；所述信号处理电路2用于接收所述神经信号，并对所述神经信号进行分析，识别出电位信息，所述电位信息包括场电位和动作电位；所述信号处理电路2还用于将电位信息发送至电力线圈，所述电力线圈用于接收电位信息，并将电位信息无线传输至外部目标设备；同时电力线圈还可以接收外部电位信息，并将电位信息反馈给信号处理电路2，也就是说电力线圈实现了内外部电位信息的双向传输，在不同的工作模式或指令下，信号处理电路2的工作状态不同，对应的元器件的发热状态也不同，发热部位也有所不同。另外，所述电力线圈还用于感应充电，实现所述植入式温控系统的无线充电，充电过程中也会产生热量，都会影响信号处理电路2的工作效率和人体安全。

本实施例中，所述温度传感器包括一个或多个热敏器件，其分散置于信号处理电路2以及电力线圈的不同部位，如上方、下方、侧面、中心、边缘等或功耗大的元器件处，实现对信号处理电路2和电力线圈全方位的温度和过热监控。由于温度变化对不同元件器产生的影响不同，预设温度阀值也不同，因此可以根据采集的不同部位的温度作出不同模式工作状态的控制，实现工作模式动态调整，各项工作间隙循环进行。

实施例3

本实施例中，所述恒温设备3包括至少一个温度调节单元，温度调节单元包括由一个或多个TEC模块构成，并且各TEC模块并联，独立工作。所述各TEC模块的电流方向相同，其“冷”侧和“热”侧同向设置，这样使恒温设备3的一个面冷热属性相同。

本实施例中，信号处理电路2可以根据温度传感器反馈的温度情况，实施对恒温设备3的动态控制，实现变频控温。当恒温设备3由1个TEC模块构成时，可以通过控制TEC模块的电流大小以及开断时间实现对信号处理电路2的恒温处理。当恒温设备3由多个TEC模块构成时，可以通过控制开启TEC模块的个数来实现对信号处理电路2的恒温处理。

根据本发明的另一个实施方式，当所述温度传感器包括多个热敏器件，分散置于信号处理电路2以及电力线圈的不同部位时，可以根据温感传感器监测的信号处理电路2不同部位的过热情况，针对性的控制该过热部位所邻接的恒温设备3中的一个或几个TEC模块进行工作，其他TEC模块不工作。对于信号处理电路2工作模式切换频繁时，本实施方式可能实现针对性的局部恒温处理，进而避免统一的全部开启TEC工作，增加能耗，增加充电时间和次数，增加产热，另一方面也避免了对未过热部位进行恒温处理，温降太大，同样也会对脑组织产生刺激，对人体安全产生影响。

实施例4

如图2所示，在本实施例中，所述恒温设备3由多个温度调节单元6构成，每个温度调节单元6包括一个或多个TEC模块5构成，多个TEC模块组合在一起，其两侧面覆盖导热材料形成一个温度调节单元6。所述各TEC模块5相互并联，独立工作，所述各TEC模块5的电流方向也可以实现单独控制，可由信息处理电路2根据温度传感器的温度监测情况，精细化地调控各TEC模块的工作模式。所述TEC模块5分散排列形成一个温度调节单元6，温度调节单元6分散排列构成恒温设备3，对于各TEC模块和各温度调节单元的排列方式，既可以规则排列，也可以无规则排列，其间填充导热材料，实现自散热功能，以避免恒温设备3无法启用状态下的热量聚集问题，除不得已情况，极力避免植入式神经接口微针阵列系统的取出和维修。

实施例5

如图3所示，本实施例中，所述恒温设备3与信号处理电路2不是直接相邻接，而是通过填充介质与其相邻接。由于信号处理电路2与恒温设备3的表面都会有粗糙度，所以当两个表面相邻接的时候，不可能完全接触在一起，总会有一些空气隙夹杂在其中，而空气的导热系数非常之小，因此就造成了比较大的接触热阻，导热性能不好。因此，在本实施例中，使用具有高导热性的热界面材料7填充满这些间隙，排除其中的空气，在信号处理电路2和恒温设备3之间建立有效的热传导通道，可以大幅度低接触热阻，使散热器的作用得到充分地发挥。

所述填充介质优选填充型绝缘导热材料，对其没有特别的限制，可以是导热硅胶、导热硅脂、导热凝胶、尼龙系列塑料、聚乙烯、环氧树脂等。

实施例6

本发明对于恒温设备3的形状没有特别限制，可以与信号处理电路2的形状相匹配，也可以与之不同。如图3所示，在本实施例中，所述恒温设备3的“冷”侧形状与信号处理电路2相同。所述恒温设备3不是直接夹设在信号处理电路2与微针1之间，在所述恒温设备3“热”侧设置有均热层8，均热层8可以对应恒温设备3的“热”侧面积设置，也可以大于恒温设备3的“热”侧面积或包覆信号处理电路2，将信号处理电路2产生的热量转移分散开来，一方面保证信号处理电路的正常工作，另一方面增大散热面积，减少热量聚集，降低对人体脑组织的影响。

根据本发明的另外一个实施例，所述均热层8设置在恒温设备3的“热”侧与微针1之间，在所述均热层8与微针1的对应位置设置了绝热层9。由于微针1的微针上有许多体电极点，其集成电路芯片上存在许多键点点，组合用于采集脑电位信号，也容易受到温度的影响，因此本实施例通过在与微针1的对应位置设备了绝热层9，避免将信号处理电路2的热量直接转移到微针1上。所述绝热层9可以单独设置，也可以嵌入在均热层8之间，其厚度可以根据热传导的属性进行选择，避免过度集中即可。

实施例7

本发明对于恒温设备3的位置没有特别的限制，形状也没有特别限制，可以在信号处理电路2与微针1之间，也可以在其他位置，优选温度因素对人体脑组织影响较小的位置。

本发明中的恒温设备3的“冷”侧通过热界面材料7与信号处理电路2相邻接，其“热”侧包覆均热层8后可形成不同的形状，没有特别的限制，可以是平面，也可以是球面、波纹面或带有散热凸起的凸点面，利于散热，减小热量集中对脑组织的影响。

根据本发明的一个具体实施方式，所述恒温设备3包覆均热层8材料后形成球冠形，可抵接在颅骨的内腔上，与颅骨形成良好的贴合，充分利用脑内空间，尽量减少对人体组织的压迫。

实施例8

根据本发明的一个具体实施方式，所述恒温设备3包括多个温度调节单元6，所述温度调节单元6又包括多个TEC模块5，各TEC模块5均可以独立，切换电流方向，实现“冷”侧与“热”侧切换。在本实施例中，可以利要恒温设备3的微单元调控实现脑内局部温度的控制，因此可以由信号处理电路2接受外部设备的信号，对脑组织进行温度调控刺激，可用于理疗以及配合残障人士的脑电位控制，在原有神经接口仅可以进行脑电位刺激的情况下，又增加了一维控制因素。

实施例9

本实施例通过选择热敏器件作为温度敏感元件，并贴附在测试台的下方，实时监测当前测试台的温度，并将TEC制冷器件也贴附在测试台上，模拟神经接口微针阵列系统信号处理电路的温控。该热敏器件具有负的温度系数，即温度升高时，电阻值减小，提供一恒流源流过热敏器件，热敏器件两端电压的变化反应出温度的变化，通过模数转换器采样得到热敏器件两端电压值，通过温度与电压的关系计算得到当前温度数据，并反馈给温控器件，与其中的预设温度阀值区间进行比对判定，当反馈温度高于阀值上限时，控制TEC制冷器件工作对测试台进行恒温处理，当温度低于阀值下限时，控制TEC制冷器件停止工作，可以将测试台的温度控制在很小的范围内波动，如图4所示，即为本实施例温控系统性能模拟测试图。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种用于神经接口的温控系统，其特征在于：包括微针、信号处理电路和恒温设备，所述恒温设备用于对信号处理电路进行恒温处理。

2.根据权利要求1所述的温控系统，其特征在于：所述温控系统还包括温度传感器，所述温度传感器包括热敏器件，所述热敏器件用于监测所述信号处理电路的工作温度。

3.根据权利要求2所述的温控系统，其特征在于：所述热敏器件贴附在信号处理电路的下方或置于信号处理电路发热功率最大的部位；或，

所述热敏器件集成在信号处理电路之中。

4.根据权利要求2所述的温控系统，其特征在于：所述温度传感器与信号处理电路电连接；

5.根据权利要求2所述的温控系统，其特征在于：所述温度传感器使用的热敏器件有一个或多个；

6.根据权利要求1所述的温控系统，其特征在于：所述恒温设备包括至少一个温度调节单元，通过信号处理电路控制温度调节单元的电流方向，以对信号处理电路进行恒温处理。

7.根据权利要求6所述的温控系统，其特征在于：所述温度调节单元包括一个或多个制冷器。

8.根据权利要求1所述的温控系统，其特征在于：所述恒温设备通过填充介质与信号处理电路相邻接。

9.根据权利要求8所述的温控系统，其特征在于：所述填充介质包括导热硅胶、导热硅脂、导热凝胶、尼龙系列塑料、聚乙烯或环氧树脂。

10.根据权利要求1所述的温控系统，其特征在于：所述恒温设备通过绝热层与微针相邻接。