[發明專利]有源神經微電極

無效

• 申請號: 200710061400.3
• 申請日: 2007-10-10
• 公開（公告）號: CN101248994A
• 公開（公告）日: 2008-08-27
• 發明（設計）人: 李醒飛;鐘瑩;李洪宇;孫斐;韓雪;王盼
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: A61B5/0478
• 分類號: A61B5/0478;A61B5/0476
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司
• 代理人: 侯力

技術領域

本發明屬于生物醫學工程技術領域，特別涉及一種可以與生物體的神經系統進行交流和溝通的有源神經微電極。

背景技術

自1950年第一個金屬電極問世至今，半個世紀以來，神經微電極一直是被神經生理學家用作探索神經系統的重要手段。它是一種可以與生物體的神經系統進行交流和溝通的傳感系統。伴隨著集成傳感器和微機電技術(MEMS)的迅猛發展，性能優良，穩定性好的神經微電極的生產漸漸變為可能，這樣就為神經信號的采集及刺激提供了強大的工具。在某種意義上甚至改變了神經科學的研究方向。

國內外神經微電極的研制已具有一定的基礎，如美國的MIT大學采用鉬，利用光阻和氮化硅等不同的介質作密封，使得微電極探針厚度減為18微米；斯坦福大學采用硅，利用等離子蝕刻確定探針結構，但結果信噪比過低，缺乏蝕刻終止技術，降低探針物理特性，二者皆屬于無源微電極。在中國專利文獻CN?1060219A所披露的環狀神經電極中，采用一種環狀記憶材料，制成了在給定工作溫度范圍中保證與神經周圍的電接觸以便在那里產生電刺激的環狀神經電極；此發明應用于肌肉的電刺激，不具備神經電信號的采集功能，因此也屬于無源電極。

目前，神經微電極的研究已取得一定的進展，但無源神經微電極有一定局限：

(1)首先，典型的神經信號的幅值為幾百微伏，環境噪聲通過耦合到傳輸原始信號的連接端，使原始信號的幅度相對變小，使后續信號處理變得更加困難。

(2)其次，神經信號是在高阻抗條件下記錄的，寄生電容所引起的衰減非常大。

(3)最后，電極與人體組織液之間會產生高達一百毫伏的極化電壓，且這個電壓隨時間變化，如果它進入后續放大電路，將影響被測神經信號。

要解決這些問題，單從微電極的結構和材料上改進收效甚微，因此，將后續信號調理電路與微電極集成的方法便應運而生，即有源神經微電極。

有源神經微電極采用微電極與微電子信號調理控制芯片微裝配辦法，將信號的采集，處理以及刺激功能集成在一個前置信號處理芯片上，不僅減少了因為環境噪聲的干擾，而且很好的抑制了寄生電容引起的衰減，濾除了極化電壓，大大增強了整個微電極的信噪比和穩定性。同時，將數字邏輯控制和刺激電路也集成在此芯片上，減少了輸出引線的數目，簡化了后續電路的復雜性。

發明內容

為了克服了現有技術中無源微電極存在的信噪比小，克服環境干擾能力差，系統復雜等問題，本發明提供一種將后續信號調理電路與微電極集成在一起的有源神經微電極。

本發明所述的有源神經微電極包括：硅基微電極，片上信號調理模塊，片上控制及多路選擇模塊，信號后處理模塊，刺激信號生成模塊，數字控制模塊。

本發明采用圖1所示的結構框圖來實現有源神經微電極的采集及刺激。

有源神經微電極工作在兩種模式：圖1中第1路所示的是采集模式，將神經細胞作為主要的信號源，通過微電極對神經信號采集提取，再在集成的芯片上進行信號調理，濾除極化電壓，并對神經信號進行約100倍的放大，然后根據片上控制決定是否向將此神經信號傳輸到用戶界面。第2路刺激模式，用戶發出刺激指令，經過數字控制模塊和刺激信號生成模塊，并通過片上模式選擇，將刺激信號經過神經微電極送入神經細胞，從而實現對神經細胞的刺激。

上述硅基微電極包括基于微工藝的硅基探針和cmos工藝的集成電路芯片。

上述片上信號調理模塊是由依次串聯連接的高通濾波、偏置電路、放大電路及并聯連接在放大電路兩端的反饋網絡組成。

上述片上控制及多路選擇模塊包括：控制電路，用于實現對微電極工作模式的控制，完成采集模式和刺激模式的切換；多路選擇器，用于完成對不同測點的選擇，這對實現神經信號的多點測量從而能夠研究完整的神經信號體系有著至關重要的作用；門控開關，用于控制信號的執行電路，實現對采集的神經信號和外加刺激信號通斷的控制。

上述刺激信號生成模塊是利用DSP產生類似于神經信號的微電流信號，并通過芯片控制和探針傳輸到神經細胞。

上述數字控制模塊，利用cmos傳輸門和與非門協同控制采集和刺激模式。

本發明相對于現有技術具有如下突出特點：

(1)有源神經微電極將信號的采集，處理以及刺激功能集成在一個前置信號處理芯片上，不僅減少了因為環境噪聲的干擾，而且很好的抑制了寄生電容引起的衰減，濾除了極化電壓，大大增強了整個微電極的信噪比和穩定性；

(2)同時，將數字邏輯控制和刺激電路也集成在此芯片上，減少了輸出引線的數目，簡化了后續電路的復雜性。