适用于脑-机接口的安全、低功耗神经刺激芯片研究、设计和实现

Neural stimulation chip is an essential and basic device for the brain-machine interface system with the function of feedback from machine to human recognition. This project targets to the safety problem caused by the remaining charge produced from the neural stimulator and accumulated during its operation, aiming to study and implement a safe, power-efficient neural stimulation integrated circuit which could effectively remove the remaining charge.Based on the power efficiency analysis and capacitive feature of the interface between stimulating electrode and neural tissue, this research will propose a dual-phase exponential-waveform current generation circuit according to Taylor approximation theory in the neural stimulation chip design, improving the power efficiency of the neural stimulation chip compared to the traditional one with rectangular stimulation current. Moreover, by designing a matching circuit for positive and negative exponential current and adopting active charge balancing technique, the chip would effectively remove the remaining charge and thus improve the safety of neural stimulation.Finally, this project would combine the technique of circuit sharing and the method of low-power circuit design to build a multi-channel neural stimulation circuit and system. The safe and power-efficient multi-channel neural stimulation chip for brain-machine interface will be implemented by CMOS process technology. This research could provide basic device and condition for the development of smart human-machine interaction system, and also promote the development of neural engineering and technology.

神经刺激芯片是脑-机接口系统实现从机器反馈到人的感知的功能的重要基础器件。本项目针对神经刺激器在工作过程中所产生的残余电荷积累所引发的安全性问题，旨在研究并实现一种可以有效消除残余电荷的安全、低功耗的神经电刺激集成电路。本研究将根据功率效率分析，以及刺激电极-神经组织界面所呈现的电容特性，在神经刺激芯片的设计中提出一种基于泰勒近似原理的参数可调节的双相指数波形电流产生电路，使这种神经刺激芯片的功率效率与传统的方波电流刺激器相比有显著提高；并通过设计正、负指数电流匹配电路以及有源电荷平衡技术，有效消除残余电荷，增强电刺激安全性。最后，拟结合电路复用技术和低功耗电路设计方法进行多通道神经刺激电路系统构建，用CMOS半导体工艺实现这种适用于脑-机接口的安全、低功耗的多通道神经刺激芯片。本研究可为人机交互智能系统的发展在器件上提供基础条件，还可促使神经工程技术的发展。

神经刺激器是构成闭环人脑-机器接口的重要组成部分，广泛地应用在医疗和人-机交互智能系统中。本项目通过对神经刺激芯片的设计方法进行研究和优化，实现一种安全的、低功耗神经刺激器。研究内容主要包括指数波形电流产生和电荷平衡这两个核心电路的设计和性能优化，并完成总体神经刺激电路系统的搭建、仿真、芯片测试和实验验证。.本研究所取得的重要结果，首先是掌握了安全、低功耗神经刺激集成电路的系统架构和各模块的设计方法。其次是优化了神经刺激器中的指数波形电流产生电路，将最大脉冲宽度从250 us提升至700 us，并且与理想指数波形的误差小于1%。第三，研究剩余电荷消除方法并提出了一种改进的电荷平衡电路，在电极-组织上实现了±50 mV的电刺激安全窗口，剩余电荷小于1 nC。第四，得到自主设计流片的芯片23颗，通过了实验验证。共发表SCI收录的国际期刊3篇和EI收录的会议论文4篇；另有国际期刊录用1篇（待检索），授权发明专利1项，受理专利2项。.本项目成果的主要科学价值在于对芯片在电刺激过程中对残余电荷的消除方法进行了改进，优化了刺激波形，给出了一种综合方案，保证了神经刺激芯片的安全性。此芯片具有我国自主知识产权，有助于打破外国公司的相关芯片设计技术垄断。其在安全性能方面的改善，为人脑-机器接口的关键基础器件研究领域做出了一定的贡献。.