植入式微电子神经信道桥接系统体内无线供电模块设计及实验

李贵阳 吕晓迎* 赵海涛 龚 鑫 王志功（东南大学生物电子学国家重点实验室，南京 20096）

2（东南大学射频与光电集成电路研究所，南京 210096）

引言

随着作为信息技术基础的微电子技术持续高速发展，国内外很多研究机构开展了微电子技术应用于生物医学领域的研究。目前，集成规模从VLSI发展到了系统芯片（system on chip，SOC），微芯片上的器件密度已达到人脑中神经元密度水平。随着系统芯片的出现，使得植入式电子器件成为国内外的一个研究热点［1-5］。在植入式电子器件研究中，BION器件、深部脑刺激器、消化道诊疗胶囊等研究已趋于成熟，并被部分应用于临床［6-9］。

神经损伤的研究及其功能恢复是一个古老但常新的课题。传统的神经功能修复多采用手术治疗和物理训练的方法，但实际效果受到诸多影响。2004年，东南大学和南通大学在国际上率先提出了神经信道上下行有源桥接、神经信号再生和功能重建的设想，并开展了利用微电子学的方法修复中枢神经损伤的研究［4］，包括探测电极设计、检测和激励电路设计、供能系统研究、神经信号分析和动物实验等。

对于植入式电子器件的供能，通常有导线导入、植入式电池供电和无线经皮电磁耦合3种方式。无线经皮电磁耦合供能方式与体内植入电池的供能方式相比，具有无需手术更换电池、无泄露危险的优点；而与导线供能方式相比，具有无需外接导线、无感染危险的优点。因此，“植入式微电子神经桥芯片”计划采用无线经皮电磁耦合的供能方式。这种供能方式的基本方法是：将一个由体外电池供电的射频振荡器的输出经射频功率放大器加至体外初级射频线圈，该线圈贴在皮肤表面，植入系统的小型次级感应线圈则平行置于体表线圈之下，并从中感应出射频电压。该射频电压经整流、滤波、稳压后，产生稳定的直流电压，给后续电路提供工作电压，或对体内的电池充电。供能系统的结构如图1所示。

图1 无线经皮电磁耦合系统结构Fig.1 Transcutaneous energy transmission system scheme

目前，国内外许多研究机构对无线经皮供能已进行了一些相关的研究，如日本东北大学利用不同粗细的利兹线设计制作了应用于人工心脏供能的带斜角线圈，重庆大学利用铜线设计制作了应用在远程控制胶囊中的圆柱形线圈等［10-13］。从2004年起，本课题组在开展“植入式微电子神经桥芯片”研究的同时，按照课题的特殊要求，也开始进行无线经皮供能的研究。

本课题研究的前期目标在于实验确定体内外无线射频能量传递的可行性，即发射装置和接收芯片在尺寸都可以接受的情况下，体内植入模块能够得到电路工作所需要的电压和功率。鉴于这种情况，本课题设计制作了用于“植入式微电子神经桥芯片”的体内能量接收模块，包括接收线圈、整流芯片及稳压芯片，并利用动物组织进行了模拟植入情况的“包埋式”能量传输实验。这项研究的创新在于“整合创新”，即综合运用信息技术与生物实验的方法来解决植入式微电子神经桥芯片系统的供电问题。

1 材料和方法

1.1 无线经皮供能发射模块

课题组在前期设计制作了用于无线经皮供能的发射模块，包括振荡器、E类放大器和漆包线发射线圈，发射频率调谐在13.56MHz上，其实物如图2所示［14］。

图2 无线经皮供能发射模块。（a）正面；（b）反面Fig.2 The transmitting module for transcutaneous energy transmission system.（a）obverse；（b）reverse

1.2 无线经皮供能接收模块

无线经皮供能接收模块由接收线圈、整流芯片和稳压芯片组成，接收模块同样调谐在13.56MHz上。

1.2.1 接收线圈

对接收线圈的要求主要有两点［15］：一是线圈尺寸尽量小，以便植入体内；二是有足够高的效率，以便接收到足够的能量，保证系统正常工作。文献［16］指出，当线圈内径约为外径的一半时，可以获得最大的传输效率。按照这一结论，本研究设计的PCB线圈内径约为外径的一半［17］。线圈内径与磁场的关系可以表述为

式中，H为最大磁场强度，I为发射线圈中的电流，N为线圈匝数，R为发射线圈的半径，x为线圈中心轴方向与线圈中心的距离。

在x为常数、同时假定I不变的情况下，如果改变R，就可以根据x与R之间的确定关系得到H。这意味着：对于每种经皮供能系统的发射线圈作用距离，都对应有一个最佳线圈半径R。对H求导，计算其零点，从而有

线圈虽然内外径较大，但中央有约2.5cm2的空白面积，足以将电路部分置于线圈中央，以减小整个系统的面积，便于植入人体。线圈设计的几何参数如表1所示。接收线圈采用PCB工艺制作的平面螺旋线圈来实现，其实物如图3所示。

图3 单层接收线圈实物图Fig.3 Picture of single layer receiving coil

单层PCB接收线圈制作完成后，将其按图4所示分别进行串联和并联，组成双层接收线圈，两层线圈间距为1.4mm，其中a和b为线圈引出端。

图4 双层线圈连接方法。（a）串联线圈；（b）并联线圈Fig.4 Double layer coil connection scheme.（a）series coil；（b）parallel coil

1.2.2 整流芯片

当发射线圈发出正弦波时，接收线圈接收到的电压波形仍是正弦波，需要对其进行整流而得到单极性电压。传统的整流电路有半波整流和全波整流。由于桥式整流电路属于全波整流，与半波整流电路相比，有输出电压大、纹波电压小的特点，故本研究选择了桥式整流电路［18］。

在前期工作中，采用华润上华0.6μm CMOS工艺，利用Hspice、华大九天等EDA设计工具，设计了两种改进型的桥式整流电路，并成功进行了芯片制造，如图5所示。

图5 整流芯片Fig.5 Picture of rectifier chip

1.2.3 稳压芯片

整流器输出的单向电压仍是波动和不稳定的，会受到线圈耦合强弱、负载、环境温度等变化的影响。为了输出稳定的直流电压，必须在整流器后面加接直流稳压电路［19-20］。低压差稳压器（low dropout regulator，LDO）属于DC/DC变换器中的降压变换器，其优点为结构简单、功耗低、尺寸小且外围元件少，因而广泛应用于便携式电子产品以及噪声性能要求比较高的场合［21］。

在前期工作中，采用华润上华0.5μm CMOS工艺，利用Hspice、Cadence等EDA设计工具，设计了低压差稳压电路，输出固定电压为3.3V，并成功进行了芯片制造［17］，如图6所示。经测试，其转换效率为84.8％。

图6 低压差稳压芯片Fig.6 Picture of LDO chip

1.2.4 接收模块

利用板上芯片封装（chip on board，COB）技术，将上述制造好的整流芯片与稳压芯片键合在能量接收线圈PCB上，组成体内供电模块，如图7所示。

图7 体内供电模块Fig.7 Picture of in-vivo power supply module

1.3 “包埋式”能量传输实验

在“植入式微电子神经桥芯片”植入人体后，由于发射和接收线圈之间存在人体组织（主要是皮肤和脂肪），所以对电磁波有一定的吸收作用。本研究利用猪皮等动物组织进行了“包埋式”能量传输实验。虽然猪肉实验跟猪活体实验还有很大的差距，但由于生物组织的电磁学特性，将随着离体时间的增加而逐渐变化，而并非“一旦离体，就完全变化”，故实验中所选猪肉均为新鲜猪肉，具有一定的代表性，力求接近植入后的实际情况。对植入活动物体进行实验是研究工作的下一步目标。

前期的实验表明，串联接收线圈能够获得更高的电压［17］，所以本实验使用了串联线圈作为接收线圈。经调谐可知，其谐振电容为5pF。实验所用的发射模块如文中1.1节中所述。在实验中用到的测试仪器包括：KIKUSUI公司的Regulated DC power supply PMR18-1.3TR数字电源、Agilent公司的33220A任意波形发生器、Agilent公司的DSO6014A示波器。

实验准备过程如下：选取长约15cm、宽约10cm、厚约5cm的长方体新鲜带皮猪肉1块（见图8（a）），将上方1cm厚的皮肤和脂肪层切开（图8（b））；然后，将接收线圈用密封袋密封，引出引线，放置于切开的猪皮下，合上猪皮（见图8（c））。至此，完成包埋过程。在猪皮表面标示接收线圈的位置，以便确定其和发射线圈间的位置关系。将发射线圈置于猪皮之上，进行能量传输实验（见图8（d）），包括位移特性实验、组织厚度特性实验和负载特性实验。

图8 “包埋式”实验准备过程。（a）用于实验的猪皮和脂肪；（b）切开猪皮；（c）放置接收线圈；（d）放置发射模块Fig.8 Preparation process of“embedded-style”energy transfer experiments.（a）animal tissue；（b）cut pig skin；（c）placing the receiving coil；（d）placing the transmitting module

1.3.1 位移特性实验

在系统植入人体后，发射线圈与接收线圈间的中心位置可能存在一定范围的偏离，所以需要进行两线圈间的位移特性实验，以检验位移变化时接收模块的工作情况。

实验过程如下：在猪皮内外保持两线圈所在的平面平行，改变图9中线圈中心轴间的距离d（0～5cm），测量稳压电路输出节点的电压变化。

1.3.2 组织厚度特性实验

当系统植入不同患者的体内时，由于患者体型的差异，皮肤和组织的厚度会有所不同，所以体内外发射线圈和接收线圈间的距离也会有所不同，故需要进行组织厚度特性实验。

实验过程如下：将猪皮及脂肪切成多个5mm厚的薄片，在猪皮内外保持两线圈中心对准，通过增减猪皮及脂肪薄片的数量来改变图10中猪皮和脂肪的厚度h，测量稳压电路输出节点的电压变化。

图9 位移特性实验示意Fig.9 Scheme of displacement characteristics experiment

图10 厚度特性实验示意Fig.10 Scheme of thickness characteristics experiment

1.3.3 负载特性实验

为达到植入式微电子神经桥芯片中不同数量神经信号探测或激励电路的工作要求，需要进行负载特性实验，以检验负载变化时接收模块的工作情况。

实验过程如下：保持发射线圈和接收线圈中心对准，猪皮内外线圈间距为1cm，改变稳压输出端负载电阻的阻值，测量稳压电路输出节点的电压变化。

2 结果与分析

2.1 位移特性实验

稳压后的输出电压曲线如图11所示。当线圈中心轴间距d从0开始增加时，输出电压首先增大；到1cm左右时，输出电压达到最大值。此后，输出电压随d的增大而减小；当发射线圈和接收线圈的中心轴间距为3cm时，输出电压为1.8V（图11的虚线所示；而当d＞4cm时，输出电压显著下降。

2.2 厚度特性实验

厚度特性实验结果如图12所示。当动物组织厚度h从2～47mm逐渐增加时，输出电压从1.932～1.474V逐渐减小，两者之间基本呈现出线性关系。需要说明的是，由于手工切割的原因，猪皮及脂肪可能存在1mm左右的误差以及厚度不太均匀的情况。

图11 输出电压随线圈中心轴间距d的变化Fig.11 The relationship between output voltage and d

图12 输出电压随动物组织厚度h的变化Fig.12 The relationship between output voltage andh

2.3 负载特性

图13 输出电压随负载电阻的变化Fig.13 The relationship between output voltage and the load resistor

负载特性实验结果如表2所示。稳压后的输出电压曲线如图13所示，对应负载电阻上的电流和功率分别如图14和图15所示。图13表明，当负载电阻值逐渐减小时，负载电阻上的电压也随之减小；当负载电阻减小到470Ω时，输出电压突然下降到0。图14表明，当负载电阻减小时，负载电阻上的电流逐渐增大；当负载电阻减小到470Ω时，电流突然下降到0。图15表明，当负载电阻减小时，负载电阻上的功率逐渐减小；当负载电阻减小到470Ω时，功率突然下降到0。

表2 负载特性实验结果Tab.2 Load characteristics experiment result

图14 输出电流随负载电阻的变化Fig.14 The relationship between output current and the load resistor

图15 输出功率随负载电阻的变化Fig.15 The relationship between output power and the load resistor

由图13～图15可见，由于通过电磁感应获得的能量有限，所以如果负载过重，将导致负载上分得的电压过小，而电路不能正常工作。对于本研究中的电路，前级是稳压器，应考虑其输出电阻，后级是负载，应考虑其输入电阻；即负载电阻本身的值。负载电阻为470和430Ω时，由于该值过小（即重负载），其两端电压将很小，以至于影响了电路的正常工作。换句话说，此时电路并未工作，所以才出现了输出电压为0的情况。

由于课题组中前期设计的神经信号探测和激励电路，从其电源端看进去的直流阻抗是6.25kΩ，6路并行电路的阻抗则约为1kΩ。从表2中实验结果可知，负载为1kΩ电阻时，供电电路的输出电压为1.913V；该输出可以再经过一级效率达到95％以上的开关稳压电路，获得1.8V电压的输出，从而为后级的六路神经信号探测和激励电路供电。之所以特别强调1.8V，是因为1.8V是典型的低功耗电路的供电电压，将来“植入式微电子神经桥芯片”的神经信号探测或激励电路有可能使用1.8V的电源供电。

从能量的角度来讲，供电电路在负载为1kΩ时，能够获得3.66mW的功率输出，而此时供能发射模块的输入功率为140mW，无线经皮供能系统的整体传输效率约为3％。由发射模块的测试可知，输入功率约1/4损耗在振荡器电路当中，而且E类功放电路的实际效率只有70％左右，所以加载在发射模块的发射线圈两端的功率仅有70mW左右。由于空气间隙和猪皮介质的存在，使得在接收线圈上耦合到的功率有很大的衰减表明，能量的大部分损耗也就出现在松耦合的无线传输过程中。接收线圈上的功率经过整流芯片和稳压芯片的转换，再次损耗一部分的能量，其输出则最终为负载供能。

3 结论

本研究设计和制作了用于“植入式微电子神经桥芯片”的体内供电模块，包括接收线圈、整流芯片和稳压芯片，并配合课题组前期制作的体外发射模块，进行了猪皮“包埋式”的模拟实验。虽然生物组织对能量传输的效率有影响，但如果提供1.8V的电压，在发射线圈和接收线圈中心轴间距小于3cm或埋置深度小于1.7cm时，模块提供的能量仍能保证电路正常工作：供能模块在输出电压为1.8V时，可以提供2mA左右的电流，为后级的6通道神经信号探测和激励电路供电。此外，体内模块的尺寸对于实际应用还是过大，在今后的研究设计中，应考虑多层串联线圈、添加磁芯等方法来减少体内模块的尺寸。虽然本研究设计制作的体内模块还没有应用到“植入式微电子神经桥芯片”当中，但初步验证了该芯片植入人体后无线供电的可行性，为将来整个芯片系统的植入提供了可能。

本研究所设计的体内供电模块，还可以用于其他植入式电子器件，尤其是低压差稳压芯片，也可以单独用于其他电子产品，作为其电源组成的一部分。

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