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中枢神经系统的损伤特别是脊柱、脊椎的损伤尤为普遍,且给患者带来巨大痛苦。随着微电子学和神经生物学等相关领域的飞速发展,可植入式芯片技术开始应用于神经疾病的研究与治疗。本文中的电压激励神经信号再生系统探索了利用微电子学的方法为受损神经建立辅助的信号通路,从而探索治疗神经损伤新方法。
在本课题组成员利用分立器件设计的4通道电压激励神经信号再生电子系统成功应用于动物实验再生了神经信号的基础上,采用相同原理,利用CSMC0.5μm CMOS工艺设计了多通道的神经信号再生电路。
电压激励神经信号再生电路由神经信号检测电路,功能电激励电路和缓冲电路组成。检测电路通过与神经电极相接的阻容耦合网络,用低噪声、高共模抑制比的仪器放大器从神经的上端探测神经信号。激励电路中,采用反相运算放大器来进一步放大神经信号,放大的神经信号通过输出缓冲电路来激励受损神经的下端神经,实现了神经信号的传递,从而实现神经信号再生的功能。
单通道的芯片面积为0.80mm×0.72mm。电路工作于±2.5V电压之下,增益利用片外电阻调节,仿真显示电路增益58dB~110dB可调,增益带宽积达到7.68MHz,3dB带宽大于4kHz,功耗3.89mW,输出电阻达到6.2Ω。利用单通道芯片采用多芯片封装技术研制了4通道电压激励神经信号再生微模块,并进行了测试,电路各项指标符合设计要求。
为了应用于更多通道的神经信号再生,采用相同的电路结构,设计制作了6通道电压激励神经信号再生电路芯片,6通道芯片面积为1.9mm×1.6mm,封装制作出6通道电压激励神经信号再生模块,并进行了测试。
用芯片制作的再生模块与卡肤电极、针状双体电极一起,用于神经信号再生的活体动物实验,成功地再生了动物的坐骨神经和脊髓信号。