闭环双向脑机接口集成电路芯片设计

A Brain Machine Interface (BMI) is a device designed to generate an artificial communication pathway between the brain and the external hardware. The design of a bi-directional, sensorimotor neural interface, integrated neural recording, stimulation and the signal processing module, is critical to meet the research and/or clinical requirement. This proposal seeks to explore the technology of the design of a bi-directional brain machine interface (BMI) microsystem for closed-loop neuroscience research, especially experiments performed on freely behaving animals. The intellectual merit of this proposal lies in 1) key technology on high performance analog front end design of the neural recording module and the analog back end design of the neural stimulation module; 2) key methodology on hardware implementation of the on-chip, real-time general purpose feature extraction algorithms; 3) key technology on super compact neural analyzer system implementation using the expected IC chip. The design will be fabricated using 65nm standard CMOS technology. System development will be implemented using the designed chip for in-vivo closed-loop clinical experiments. The research outcome will create a significant opportunity to medical researchers, enabling closed-loop neural experiments performed on freely behaving animals and/or human objects. In addition, the research outcome will greatly increase the impact of China to international brain research.

脑机接口是用来联通人脑与人体外部设备的仪器。本项目针对已有脑机接口系统便携性差、功耗高、体积大、联通方向单一、实时信号处理能力差等技术瓶颈展开高集成度、低功耗、多通路闭环双向脑机接口芯片设计的研究。以超低功耗神经信号采集模拟前端、刺激后端电路设计技术，及片上神经信号定制及通用实时特征提取模块的低功耗、低硬件开销实现技术为核心创新点，采用65nm CMOS工艺完成芯片的生产。并基于该芯片，开发可应用于可自由移动的生物体的闭环电刺激学术研究和临床试验的超小体积闭环神经信号采集刺激处理器系统，及与之匹配的无线程控装置及平台。该项目成果将有助于将闭环神经回路研究有效推广到基于自由运动生物体的试验中，并可应用于癫痫、帕金斯综合症、抑郁症等多种神经类疾病的临床研究和治疗当中，提升我国在脑科学研究中的国际地位。

本项目开展了面向生物医学的低噪声低功耗电路设计与系统集成方法学研究。针对脑科学前沿研究对无线小型化神经接口的强烈需求，围绕基于电生理理论的电式神经接口设计方法展开研究。神经接口是联通以大脑为核心的神经系统与外部人造设备的数据信息交互通道。适用于神经信号频段的小体积、高精准、低功耗、闭环神经接口设备在世界范围内长期处于空白状态。针对这一问题，开展的研究工作主要包括：1）针对神经接口应用特点的高性能专用电路设计方法研究；2）小型化无线神经接口系统设计方法研究；3）利用自研系统的神经生物学前沿探索新技术手段设计方法研究。项目执行期内，相关成果先后在Nature Electronics、IEEE JSSC、IEEE TBioCAS等高水平刊物上发表，提出了适用于神经信号频段的高精准、低功耗神经接口专用电路设计方法，解决了在近DC频段微伏信号获取过程中功耗、精度、抗干扰能力不能兼顾的问题；提出了高体积效率的可任意配置多通道神经电刺激电路设计方法，解决了可配置性与面积开销不能兼顾的问题。基于自研芯片，完成了系统集成工作，并应用于可穿戴人机交互、适用于可自由移动的活体被试的脑科学前沿研究中。