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天津大學(xué)學(xué)者助力成功打造高效神經(jīng)調(diào)控芯片，助推腦機(jī)接口新時(shí)代

發(fā)布時(shí)間：2025/1/8 10:06:48編輯：Ma Liang
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隨著神經(jīng)科學(xué)和腦機(jī)接口技術(shù)的快速發(fā)展，如何在神經(jīng)調(diào)控中實(shí)現(xiàn)高效、安全的神經(jīng)刺激一直是科研和醫(yī)療領(lǐng)域的重點(diǎn)課題。

近日，由天津大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、天津中醫(yī)藥大學(xué)、南方科技大學(xué)的研究人員合作設(shè)計(jì)出一款八通道高壓神經(jīng)刺激集成電路(IC)，采用雙相指數(shù)波形輸出和電荷平衡，極大提升了神經(jīng)刺激的效率和安全性。該研究作為Neuroelectronics期刊創(chuàng)刊號(hào)的第一篇文章發(fā)表，為神經(jīng)調(diào)控和植入設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)。北京工業(yè)大學(xué)劉旭副教授為論文第一作者。天津大學(xué)孫彪教授及南方科技大學(xué)余浩教授為共同通訊作者。

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圖題：八通道神經(jīng)刺激芯片裝置主要包括波形發(fā)生器、電荷平衡器、和高壓驅(qū)動(dòng)器，在電極模型、PBS溶液和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。該圖突出顯示了高壓驅(qū)動(dòng)器和指數(shù)衰減波形的電流產(chǎn)生器，這些模塊都有助于實(shí)現(xiàn)98%的輸出功率效率。該芯片可應(yīng)用于多種腦-機(jī)接口和人-機(jī)接口中，如脊髓刺激調(diào)控等。

研究背景

在神經(jīng)調(diào)控的應(yīng)用中，刺激裝置的效率和安全性一直是首要考慮的問(wèn)題。最新設(shè)計(jì)的這款高壓神經(jīng)刺激芯片突破了傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，具有30V高壓輸出，特別適用于高阻抗電極-組織界面，可為神經(jīng)刺激提供足夠的電荷輸送。

雙相刺激電流配合主動(dòng)電荷平衡保證安全性：為了確保長(zhǎng)期使用的安全性，該芯片采用了創(chuàng)新的主動(dòng)電荷平衡機(jī)制，通過(guò)精確控制每個(gè)刺激周期內(nèi)的電荷傳遞，極大降低了殘余電荷的積累風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到了每周期僅0.77%的殘余電荷量。這意味著在進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間神經(jīng)刺激時(shí)，能夠有效減少對(duì)組織的損傷，保證患者安全。

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指數(shù)電流實(shí)現(xiàn)高功率效率：功率效率的提升是本次設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)。通過(guò)使用指數(shù)波形輸出代替?zhèn)鹘y(tǒng)的恒流刺激模式，功率效率提高至98%，不僅減少了電能消耗，還有效控制了設(shè)備在工作過(guò)程中的熱量散發(fā)，為未來(lái)的植入式設(shè)備開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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生物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證芯片功能：此外，這款芯片經(jīng)過(guò)體外與體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的雙重驗(yàn)證。在體外測(cè)試中，與不同的電極-組織界面模型進(jìn)行了廣泛的模擬實(shí)驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了低殘余電荷的神經(jīng)刺激。在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)大鼠的迷走神經(jīng)和坐骨神經(jīng)進(jìn)行刺激，觀察到顯著的肌肉收縮效果，證明了其在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。

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總結(jié)與展望：隨著技術(shù)的不斷演進(jìn)，低功耗、高效能、安全性高的神經(jīng)調(diào)控芯片將為更多神經(jīng)疾病治療和增強(qiáng)領(lǐng)域帶來(lái)突破性的進(jìn)展。此次研究成果不僅為神經(jīng)科學(xué)研究提供了重要工具，更有望在智能醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域開(kāi)辟新篇章，讓神經(jīng)調(diào)控技術(shù)更好地服務(wù)于臨床和康復(fù)治療。

作者簡(jiǎn)介：孫彪，天津大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。國(guó)家優(yōu)青，天津市131創(chuàng)新型人才，天津市首批青年科技人才第一層次，IEEE Senior member，中國(guó)電子學(xué)會(huì)電子機(jī)械工程分會(huì)委員，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)智能機(jī)器人專(zhuān)委會(huì)委員，中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)青委會(huì)委員，天津市康復(fù)醫(yī)學(xué)會(huì)視覺(jué)康復(fù)青委會(huì)委員。研究方向?yàn)槟X機(jī)接口與人工智能集成電路設(shè)計(jì)。發(fā)表SCI收錄論文50余篇，受邀在ICCAD、ICASSP、BioCAS等國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上報(bào)告