一种无电池的光/电刺激神经接口芯片的系统

技术领域

本发明属于神经接口技术领域，特别涉及一种无电池的光/电刺激神经接口的系统。

背景技术

神经接口是指植入身体或佩戴在人体外部的设备，能够记录或刺激大脑和周围神经系统的活动。

通常情况下，神经接口为了能安全植入身体，需要限制设备的大小和化学污染水平，功能较为单一，只能实现单独的一种神经调控或者神经记录，又或者内置电池使用时间存在限制，从而限制了设备的实际应用场景。

随着芯片技术的成熟，使得能植入身体的集成度更高的神经接口成为可能，利用芯片技术，加上零功耗无线传输技术，可以将神经记录、神经调控、无线能量与信号收集都部署于系统中，为神经接口的医学应用提供广泛应用。

发明内容

为了克服已有技术神经接口的适用性较差的不足，本发明提供了一种体积小、使用时间不受限、集成度较高的无电池的光/电刺激神经接口芯片的系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种无电池的光/电刺激神经接口芯片的系统，包括整流器、储能电容、带隙基准模块、稳压器电路、无线数据解调模块、模拟前端模块、时钟产生电路、模式切换模块、刺激参数控制模块、光刺激模块、发光二极管和电刺激模块，

所述整流器连接天线、所述无线数据解调模块、带隙基准模块、电容，用于接受无线能量负责整个系统的供电；所述带隙基准模块与稳压器连接；

所述无线数据解调模块连接时钟产生模块和模式控制模块，用于解码无线传输的控制信号，控制时钟电路频率和传输控制信号；

所述模式控制模块与刺激参数控制模块、模拟前端模块互相连接，并根据接受的控制信号切换工作模式；所述模拟前端模块与采集电极连接；

所述模拟前端模块可以对生物电极采集的信号进行放大和滤波，并最终转换为数字信号，调制到天线上进行反向遥测，进而传输给一定距离外的上位机；

所述刺激参数控制模块与光刺激模块、电刺激模块互相连接，用于根据控制信号，控制所需激活的模块进行神经刺激；所述电刺激模块与刺激电极连接。

进一步，所述整流器将天线接受到的交流信号转换为直流电压为系统供电，所述整流器包括输入电路、整流电路和输出电路。在不实行神经刺激的状态时，输出电路需要连接到所述电容存储电量，在进行神经刺激的状态下，由所述电容提供所需电量。

再进一步，所述带隙基准模块是一种电压、电流参考源。本方案的带隙基准采用的是CMOS工艺，结构紧凑、精度高、温度系数小、功耗低；带隙基准将其产生的电压作为参考电压源，用于后续电路中的电压比较、电流控制等。

所述稳压器模块是能够提供稳定输出电压的电路。以满足系统后续电路稳定工作的需求。

本发明的有益效果主要表现在：

(1)体积小，可以无创植入人体；

(2)用无线技术获取能量，无需电池，确保植入人体后无限续航时间；

(3)集成度高，一个系统将两种神经刺激模式与神经记录功能融合，双向传输数据，同时刺激参数可无线进行编程，有利于神经接口的进一步应用。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明实施例的下行通信模式示意图；

图3是本发明实施例的神经信号采集模式的示意图；

图4是本发明实施例的光刺激模式示意图；

图5是本发明实施例的电刺激模式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图5，一种无电池的光/电刺激神经接口芯片的系统，包括整流器、储能电容、带隙基准模块、稳压器电路、无线数据解调模块、模拟前端模块、时钟产生电路、模式切换模块、刺激参数控制模块、光刺激模块、发光二极管和电刺激模块，

所述整流器连接天线、所述无线数据解调模块、带隙基准模块、电容，用于接受无线能量负责整个系统的供电；所述带隙基准模块与稳压器连接；

所述无线数据解调模块连接时钟产生模块和模式控制模块，用于解码无线传输的控制信号，控制时钟电路频率和传输控制信号；

所述模式控制模块与刺激参数控制模块、模拟前端模块互相连接，并根据接受的控制信号切换工作模式；所述模拟前端模块与采集电极连接；

所述模拟前端模块可以对生物电极采集的信号进行放大和滤波，并最终转换为数字信号，调制到天线上进行反向遥测，进而传输给一定距离外的上位机；

所述刺激参数控制模块与光刺激模块、电刺激模块互相连接，用于根据控制信号，控制所需激活的模块进行神经刺激；所述电刺激模块与刺激电极连接。

进一步，所述整流器将天线接受到的交流信号转换为直流电压为系统供电，所述整流器包括输入电路、整流电路和输出电路。在不实行神经刺激的状态时，输出电路需要连接到所述电容存储电量，在进行神经刺激的状态下，由所述电容提供所需电量。

再进一步，所述带隙基准模块是一种电压、电流参考源。本方案的带隙基准采用的是CMOS工艺，结构紧凑、精度高、温度系数小、功耗低；带隙基准将其产生的电压作为参考电压源，用于后续电路中的电压比较、电流控制等。

所述稳压器模块是能够提供稳定输出电压的电路。以满足系统后续电路稳定工作的需求。

本实施例中，天线能够为系统提供无线能量收集以及无线上下行通信的能力；整流器负责将天线接受到的交流信号转换为直流电压为系统供电，并存储在电容中；带隙基准模块产生特定电压和电流作为参考电压和电流源，用于后续电路中的电压比较、电流控制；稳压器以带隙基准模块的标准电压作为参考，输出一个稳定的直流电压系统其余模块供电；无线数据解调模块能在接收到的交流信号中提取出数据，并将其解调为有效的控制信号；时钟产生模块收到无线数据解调模块的控制信号后，生成一个频率可编程的系统时钟信号；模式控制模块负责传输无线数据解调模块的控制信号，决定后续模拟前端、刺激参数控制模块的工作状态；模拟前端模块接受到工作指令后，负责将生物电极收集到的神经信号转换为数字信号，并调制到天线上发送出去；刺激参数控制模块接收到控制信号后，控制系统进行光刺激或者电刺激的具体刺激参数；光刺激模块受控制信号控制，生成对应的工作电流与电压给对应的发光二极管进行光刺激；电刺激模块受控制信号控制，生成对应的工作电流与电压给对应的刺激电极进行电刺激。

如图1所示的是本发明的系统架构具体实例，运用在双向神经接口的CMOS芯片中，在该具体实施例中，该系统架构工作在4种不同的模式：

如图2所示的是本发明的一种无电池的光/电刺激神经接口的系统架构的下行通信模式具体实例，实线部分为工作模块框图，虚线部分为休眠模块。下行通信模式为系统的默认工作模式，在该具体实施例中，天线在433MHz频率的无线信号下工作，整流器进行对应的优化匹配，为多阶差分整流器。通常为确保能进行有效的神经刺激，整流器输出的功率约需要几十微瓦。当储能电容电压达到工作电压后，系统开始工作，带隙基准产生参考电压与电流，稳压器从电容取电，再为其他模块进行电压稳定的供电。在下行通信模式，无线数据解调模块开始进行信号解调，将发射天线调制在无线信号中的数据解调为控制信号。控制信号能够在时钟产生模块指定系统时钟工作的频率，以及在模式控制模块下将系统转入其他工作模式。

如图3所示的是本发明的系统架构的神经信号采集模式具体实例，实线部分为工作模块框图，虚线部分为休眠模块。当控制信号指示系统进入神经信号采集模式后，生物电极采集的神经信号在模拟前端模块进行放大和滤波，并最终转换为数字信号。携带神经信号信息的数字信号被调制到天线上进行反向遥测，能够传输给一定距离外的上位机。

如图4所示的是本发明的系统架构的光刺激模式具体实例，实线部分为工作模块框图，虚线部分为休眠模块。当控制信号指示系统进入光刺激模式后，光刺激模块根据接收的刺激参数信号，控制通过发光二极管的电流和电压来对生物进行光刺激。在该实施例中，发光二极管是个阵列，对应不同状况，能够控制不同位置的发光二极管进行刺激，发光的强度、频率和脉宽都是可远程控制的。

如图5所示的是本发明的系统架构的电刺激模式具体实例，实线部分为工作模块框图，虚线部分为休眠模块。当控制信号指示系统进入电刺激模式后，电刺激模块根据接收的刺激参数控制信号，决定通过刺激电极的电流和电压。

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。