一种多模式双向神经接口脊髓至肌肉神经链接的测绘装置

技术领域

本公开涉及多模式双向神经接口脊髓至肌肉神经链接的测绘技术领域，更为具体来说，本公开涉及一种多模式双向神经接口脊髓至肌肉神经链接的测绘装置。

背景技术

神经界面在临床应用中广泛应用于各种神经损伤相关疾病。然而，大多数现有的设备都是开环神经接口解决方案，只能将神经刺激或神经记录作为一个单方向的设备。最近的研究表明，通过对脊髓施加电脉冲来刺激腿部肌肉来驱动自然运动，利用神经界面进行脊髓损伤后的康复具有巨大的潜力。刺激器对脊髓神经施加具有可调脉冲宽度、频率和振幅的刺激脉冲，而通过在运动皮层植入电极获得的神经信号来解码运动意图。患者个体间和植入位置的差异给在使用的多电极刺激阵列上寻找有效刺激方面带来了挑战，需要费力地手工探索每个广泛空间范围。此外，由于硬膜外瘢痕的形成和电极的迁移，最佳的刺激参数可能会发生变化，这需要进一步的搜索和调整。从运动皮层和瘫痪肢体肌肉获取神经信号，以及神经刺激器，以探索步行康复的有效刺激模式。

发明内容

为解决现有技术不具有一种能够令用户满意的多模式双向神经接口脊髓至肌肉神经链接的测绘设备及方法的技术问题。

为实现上述技术目的，本公开提供了一种多模式双向神经接口脊髓至肌肉神经链接的测绘装置，所述装置包括：

使刺激器模拟后端和低噪声放大器模拟前端之间的方向进行切换的16通道刺激LNA；

用于刺激模式生成的数字控制逻辑器；

滤波器LPF、可编程增益放大器PGA和模拟数字转换器ADC；

用于管理供电的电源管理单元PMU；

串行外围接口SPI；

所述电源管理单元PMU向所述数字控制逻辑器、所述16通道刺激LNA以及可编程增益放大器PGA和模拟数字转换器ADC进行供电；

所述数字控制逻辑器与所述16通道刺激LNA相连接；

所述可编程增益放大器PGA和模拟数字转换器ADC与所述16通道刺激LNA相连接。

进一步，所述串行外围接口SPI具体为采用Queued SPI接口协议的QSPI串行外围接口。

进一步，所述可编程增益放大器PGA的增益为6dB、12dB、18dB或24dB。

进一步，所述模拟数字转换器ADC具体包括：

一个12位亚2半径的分裂CDAC；一个三级低噪声比较器；

和一个异步SAR逻辑器；

其中，所述12位亚2半径的分裂CDAC具体为一种带有6位MSB和6位LSB电容器的分裂CDAC。

进一步，所述滤波器LPF具体为：

级联集成子梳CIC滤波器；

单级CIC滤波器的传递函数记为：

其中，M是抽取比，取值范围为1-32。

本公开的有益效果：

本公开提出的双向神经接口可以实现无线重构的多通道神经信号记录和多通道刺激。该设计在脊髓损伤比格犬模型的体内脊髓硬膜外刺激运动恢复实验中得到了验证。实验结果表明，本公开的装置适合于植入体内电极增加的场景。

附图说明

图1示出了本公开的实施例1的装置的结构示意图；

图2示出了本公开的实施例1的装置的模拟前置和引出探测器的整体电路图示意图；

图3示出了本公开的实施例1的两种不同刺激模式和两种通道组合的模拟电路整体电路图示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，，并且可能省略了某些细节。图中所示的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

实施例一：

如图1～3所示：

本公开提供了一种多模式双向神经接口脊髓至肌肉神经链接的测绘装置，所述装置包括：

使刺激器模拟后端和低噪声放大器模拟前端之间的方向进行切换的16通道刺激LNA；

用于刺激模式生成的数字控制逻辑器；

滤波器LPF、可编程增益放大器PGA和模拟数字转换器ADC；

用于管理供电的电源管理单元PMU；

串行外围接口SPI；

所述电源管理单元PMU向所述数字控制逻辑器、所述16通道刺激LNA以及可编程增益放大器PGA和模拟数字转换器ADC进行供电；

所述数字控制逻辑器与所述16通道刺激LNA相连接；

所述可编程增益放大器PGA和模拟数字转换器ADC与所述16通道刺激LNA相连接。

进一步，所述串行外围接口SPI具体为采用Queued SPI接口协议的QSPI串行外围接口。

进一步，所述可编程增益放大器PGA的增益为6dB、12dB、18dB或24dB。

进一步，所述模拟数字转换器ADC具体包括：

一个12位亚2半径的分裂CDAC；一个三级低噪声比较器；

和一个异步SAR逻辑器；

其中，所述12位亚2半径的分裂CDAC具体为一种带有6位MSB和6位LSB电容器的分裂CDAC。

进一步，所述滤波器LPF具体为：

级联集成子梳CIC滤波器；

单级CIC滤波器的传递函数记为：

其中，M是抽取比，取值范围为1-32。

通过引入斩波器调制，降低了闪烁噪声。采用调频的方法对阶数频率进行了滤波。集成了一个正的反馈回路，通过补充输入电流来增加输入阻抗。Gm-C集成器产生一个片上的超低功率高通截止频率来抵消直流偏移量。采用开关电容放大器作为第二个可编程增益放大器(PGA)级。PGA级通过一对电容器与LNA连接，其中一个连接到PGA的输出，另一个连接到共模电压。

使用时分多路复用器在所有16个lna中切换PGA。PGA的可选增益分别为6dB、12dB、18dB和24dB。一个SAR ADC将采集到的模拟信号传输到数字数据中，它由一个12位亚2半径的分裂-CDAC，一个三级低噪声比较器，和一个异步SAR逻辑组成。采用了一种带有6位MSB和6位LSB电容器的分裂CDAC。基于vcm的开关方法算法降低了DAC沉降的功耗。此外，LSB段使用了一个单独的参考电压供应，相对于MSB段具有高噪声但低功耗。通过调整LSB的参考电压和噪声，保证了ADC的性能。子2半径分裂cdac使用整数权值来简化二进制解码。冗余放宽了沉降要求，并容忍了比较器的噪声。三级比较器由双尾比较器改进。在第一个放大阶段和再生锁存阶段增加了两个用于放大的逆变器，以获得更高的增益和更低的回扣噪声。为了防止信号带宽中的额外的频率分量，PGA和ADC的时钟为1.0MHz，斩波器LNA的时钟是PGA和ADC的一半，频率为500kHz。

在建议的工作中实现了一个先导探测器。一个数字正弦波被输入到电流转向DAC。LNA通过一个静脉放大器和一个电阻器来感知DAC的输出。如果按预期建立了连接，则检测到的阻抗很低。正弦波对输入信号产生的影响很小。阻抗当检测到断开连接时，将会增加到10Mohm以上。

在模式生成器中生成任意可编程模式，以满足不同应用程序的需求。波形分为正态模式和爆发模式两种模式。在正常模式下，正负电流振幅与配置值保持不变。在突发模式下，电流振幅根据配置逐渐增大。刺激器的状态机是带有波形的在这两种刺激模式中。CLR是两次爆发之间的时间。CYC是这两个周期之间的时间。这两个周期都在短路阶段被触发。

SPI从服务器集成，用于寄存器配置和数据传输。SPI可以根据预定义的寄存器映射来读取和更改芯片中的寄存器。芯片里有一个乒乓球数据缓冲区。当其中一个子缓冲区已满时，将为SPI主服务器生成一个就绪标志。同时，来自模拟前端的新数据将存储在另一个子缓冲区中。模拟后端环路的功率域依赖于该应用程序。使用±1.8V电荷泵对LNA施加双极供电电压。两个无顶ldo分别连接到电荷泵，以降低正负输出的纹波电压。这些刺激器需要双极电源。此外，电源需要根据电极-组织界面阻抗的变化而不断增加。单电感双极输出(SIBO)DCDC实现5个可选电压增益，使±4V、±6V、±8V、±10V和±12V。随着电压增益的增加，负载容量降低。为了实现稳定的负载容量，充电电流的峰值是可调谐的。此外，还采用了不同数量的开关来进一步提高功率效率。一个低噪声带隙为整个系统产生电压和电流参考。

本公开提出的双向神经接口可以实现无线重构的多通道神经信号记录和多通道刺激。该设计在脊髓损伤比格犬模型的体内脊髓硬膜外刺激运动恢复实验中得到了验证。实验结果表明，本公开的装置适合于植入体内电极增加的场景。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。