【儀表網 研發快訊】隨著神經科學和腦機接口技術的快速發展，如何在神經調控中實現高效、安全的神經刺激一直是科研和醫療領域的重點課題。
近日，由天津大學、北京工業大學、天津中醫藥大學、南方科技大學的研究人員合作設計出一款八通道高壓神經刺激集成電路(IC)，采用雙相指數波形輸出和電荷平衡，極大提升了神經刺激的效率和安全性。該研究作為Neuroelectronics期刊創刊號的第一篇文章發表，為神經調控和植入設備的進一步發展帶來了新的契機。北京工業大學劉旭副教授為論文第一作者。天津大學孫彪教授及南方科技大學余浩教授為共同通訊作者。
圖題：八通道神經刺激芯片裝置主要包括波形發生器、電荷平衡器、和高壓驅動器，在電極模型、PBS溶液和動物實驗中進行了測試和驗證。該圖突出顯示了高壓驅動器和指數衰減波形的電流產生器，這些模塊都有助于實現98%的輸出功率效率。該芯片可應用于多種腦-機接口和人-機接口中，如脊髓刺激調控等。
研究背景
在神經調控的應用中，刺激裝置的效率和安全性一直是首要考慮的問題。最新設計的這款高壓神經刺激芯片突破了傳統技術瓶頸，具有30V高壓輸出，特別適用于高阻抗電極-組織界面，可為神經刺激提供足夠的電荷輸送。
雙相刺激電流配合主動電荷平衡保證安全性：為了確保長期使用的安全性，該芯片采用了創新的主動電荷平衡機制，通過精確控制每個刺激周期內的電荷傳遞，極大降低了殘余電荷的積累風險，達到了每周期僅0.77%的殘余電荷量。這意味著在進行長時間神經刺激時，能夠有效減少對組織的損傷，保證患者安全。
指數電流實現高功率效率：功率效率的提升是本次設計的一大亮點。通過使用指數波形輸出代替傳統的恒流刺激模式，功率效率提高至98%，不僅減少了電能消耗，還有效控制了設備在工作過程中的熱量散發，為未來的植入式設備開發奠定了堅實基礎。
生物實驗驗證芯片功能：此外，這款芯片經過體外與體內實驗的雙重驗證。在體外測試中，與不同的電極-組織界面模型進行了廣泛的模擬實驗，成功實現了低殘余電荷的神經刺激。在體內實驗中，通過對大鼠的迷走神經和坐骨神經進行刺激，觀察到顯著的肌肉收縮效果，證明了其在實際應用中的潛力。
總結與展望：隨著技術的不斷演進，低功耗、高效能、安全性高的神經調控芯片將為更多神經疾病治療和增強領域帶來突破性的進展。此次研究成果不僅為神經科學研究提供了重要工具，更有望在智能醫療設備領域開辟新篇章，讓神經調控技術更好地服務于臨床和康復治療。
作者簡介：孫彪，天津大學自動化學院教授，博士生導師。國家優青，天津市131創新型人才，天津市首批青年科技人才第一層次，IEEE Senior member，中國電子學會電子機械工程分會委員，中國計算機學會智能機器人專委會委員，中國儀器儀表學會青委會委員，天津市康復醫學會視覺康復青委會委員。研究方向為腦機接口與人工智能集成電路設計。發表SCI收錄論文50余篇，受邀在ICCAD、ICASSP、BioCAS等國際學術會議上報告20余次。出版專著2本，授權發明專利15項。主持和參與國家自然科學基金項目、國家重點研發計劃項目等20余項。
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