面向癫痫监测的颅内高频振荡脑电信号高速无线采集微系统芯片关键技术研究

Epilepsy is a chronic disease caused by abnormal discharging of cerebral neuron, excision lesions through surgery is the effective therapeutic method. Aiming at the requirements of epilepsy accurate positioning, this project intends to study the key techniques of high-speed wireless acquisition microsystem of intracranial high-frequency-oscillation eletroencepalograph (EEG) for epilepsy detection. Based on electrical characteristics modeling of the sensing electrodes and the contacted biological tissues, the design method of fully integrated preamplifier with dormant and quick start techniques will be explored. And the design method of low-power, high frequency spectrum efficiency, low-complexity impulse ultra-wide band (UWB) transmitter and UWB non-correlation receiver with phase correction technique will be studied based on the signal attenuation model of UWB signal transmitted in the biological tissues. With the above research, the design theory of low-noise, low-power and wideband for the EEG recording front-end chain as well as the design theory of UWB for high-speed transmitting and receiving chains penetrated the human tissues will be summarized. Finally, the implantable microsystem with 256 acquisition channels is intended to be realized, the physical layer transmission rate is higher than 300 Mbps, the bandwidth of each channel is greater than 5 kHz and the power consumption of system is lower than 20 mW. The microsystem and key modules presented in this project will be planted for animal experimental verification.

癫痫是由于脑神经元异常放电所引起的一种慢性病，手术切除病灶是最有效的治疗方法。本课题针对癫痫术前病灶精确定位的需求，研究面向癫痫监测的颅内高频振荡神经脑电信号高速无线采集微系统的关键技术。通过建立传感电极和生物体组织接触电学特性模型，探索全集成具有休眠和快速启动技术的前置放大器设计方法；通过建立超宽带射频信号在生物组织中的信号衰减模型，研究低功耗、高频谱效率、低复杂度脉冲超宽带信号发射电路以及具有相位纠偏技术的超宽带非相关接收电路的设计方法。通过上述研究，提炼出脑电信号记录前端链路的低噪声、低功耗、宽频带设计理论以及透过人体组织的超宽带高速收发链路设计理论。拟实现植入微系统采集通道数256个，物理层传输速率不低于300Mbps，单通道模拟带宽不低于5kHz，系统功耗低于20mW，并对所设计的植入系统和关键模块进行在体动物实验验证。

本课题研究面向癫痫监测的颅内高频振荡脑电信号高速无线采集微系统芯片的系统结构，探索脑电信号记录前端链路的低噪声、低功耗、宽频带设计理论以及透过人体组织的超宽带高速收发链路设计理论。.项目与合作单位珠江医院一起，通过设计激励，制备癫痫模型，使用癫痫病灶数据，对组织激励刺激的方式，建立癫痫异常放电信号源，建立了传感电极和生物体组织接触电学特性模型，为关键芯片设计提供依据。.在此基础上，项目开展了低功耗、低噪声、宽频带的神经信号记录前端链路模块研究，包括低功耗、低噪声神经信号斩波放大芯片技术，使用180nm标准CMOS工艺，设计实现了全差分全集成的低功耗、低噪声神经信号放大电路，该放大器的放大倍数设计为40dB，设计带宽为0.5Hz~5kHz，输入阻抗约300MΩ。采用1.2V电压供电，每通道放大器的功耗为780nW，通带内等效输入噪声为2.31μVrms/rtHz，噪声效率因子NEF 2.31。进一步，采用负阻抗补偿技术实现了高输入阻抗、低功耗、低噪声神经信号放大器电路，在1kHz以内的输入信号频率内输入阻抗基本维持28GΩ的水平。研究了SAR ADC的双电容阵列电荷共享结构低复杂度电容阵列DAC开关方案设计，设计了8-10位可调SAR ADC，仿真结果表明FOM(fJ/conv.-step)依次为32.08、18.40、10.57。.超宽带高速收发链路方面，设计了无线供能载波跟踪超宽带-二进制相移键控收发系统，其中，在颅内超宽带-二进制相移键控发射端实现了单片集成双极性单周期高斯脉冲产生单元、载波跟踪与恢复单元和无线电源接收与恢复单元，集成芯片测试可以实现400MHz频率、5cm距离上的无线能量接收，无线供能电路稳压输出10mW，传输符号速率100Mbps下总功耗8.1mW。项目还开展了新型的电源管理芯片的相关理论和芯片设计。.项目设计了脑电神经信号无线采集板级系统，并集合传感电极和生物体组织接触电学特性模型，同体外上位机进行联合调试。同时对脑电神经信号采集控制策略进行研究，基于微控制器的数字控制和数字处理电路提出了低功耗策略。.项目按计划完成了全部任务。已发表21篇SCI或EI期刊文章和会议文章，授权中国发明专利22件，申请发明专利17件，申请集成电路布图2件。