神經(jīng)元記錄系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種神經(jīng)元記錄系統(tǒng)。通過使用增益提升拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以增大放大器輸入阻抗并同時減小噪聲。該系統(tǒng)可以被配置為以低功耗來分別記錄局部場電位（LFP）和神經(jīng)元峰電位。利用靈活的數(shù)字控制器模塊（DCM），可以啟用各記錄通道的任何子集以便以在每個通道處獨(dú)立的采樣率來進(jìn)行記錄。該系統(tǒng)中可以集成有傳輸所記錄的神經(jīng)元數(shù)據(jù)的無線接口和執(zhí)行實(shí)時信號處理的片上神經(jīng)元處理器。
【專利說明】神經(jīng)元記錄系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于記錄來自神經(jīng)元的電信號的方法、裝置和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]神經(jīng)科學(xué)家和臨床醫(yī)生已經(jīng)從事通過記錄腦細(xì)胞(神經(jīng)元)的電活動來對大腦如何運(yùn)行進(jìn)行理解。神經(jīng)元如何啟動和相互作用的底層機(jī)制可以被解釋為熟練的和精確的運(yùn)動，并且對該機(jī)制的理解可以被用作診斷腦部疾病的工具。已經(jīng)證明，所記錄的來自運(yùn)動皮質(zhì)的神經(jīng)元活動能夠被用于控制機(jī)器人裝置[1]_[2]。神經(jīng)科學(xué)家已經(jīng)采用來自頭皮或長期植入顱內(nèi)電極的神經(jīng)元記錄來研究電生理活動，以用于癲癇發(fā)作檢測和預(yù)測[2]。那些試驗(yàn)涉及對大量神經(jīng)元的記錄，因而刺激了對開發(fā)多通道神經(jīng)元記錄系統(tǒng)的需求。 [0003]設(shè)計(jì)神經(jīng)元記錄系統(tǒng)的挑戰(zhàn)與生理神經(jīng)元信號的特性高度相關(guān)。該記錄裝置必須能夠以大動態(tài)范圍的信號幅度和頻率來記錄這些信號，并且能夠?yàn)V去在電極-電解液的界面處出現(xiàn)的直流偏移。該系統(tǒng)的功耗必須被降低，以便長期工作并避免腦部組織溫度的升高，腦部組織溫度的升高會導(dǎo)致永久性損傷[3]。電極阻抗和放大器輸入阻抗形成分壓器，因此在放大器輸入端處示出的實(shí)際神經(jīng)元信號比其真實(shí)值小。
[0004]對于局部場電位(LFP)記錄，劣化是嚴(yán)重的，這是因?yàn)殡姌O阻抗在IOHz處比其在IkHz處的值高得多[4]。如果在記錄放大器輸入端處的神經(jīng)信號嚴(yán)重衰減，則很難將其與背景噪聲區(qū)別開來。此外，該記錄系統(tǒng)的下一代應(yīng)該具有通過信號檢測、特征提取、模式分類和其它機(jī)制來處理大量神經(jīng)信息的能力。未來的記錄系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)具有減少要被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和/或從大神經(jīng)元池中提取穩(wěn)定的控制信號以便對假體裝置進(jìn)行控制的能力。上述設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)可以被解釋為迫使先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的低電壓和低功率設(shè)計(jì)。本發(fā)明解決這些挑戰(zhàn)中的至少一些挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了完全集成的低功率神經(jīng)元記錄前端系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用TSMC65nmlp6mMOS技術(shù)。該系統(tǒng)可擴(kuò)展以支持成千上萬個通道。在一個示例中，我們具有兩個記錄模塊，每一個記錄模塊包括具有可調(diào)整帶寬和增益的32個記錄通道、32至I復(fù)用器、在每一個通道上具有可編程的采樣率的一個差分逐次逼近寄存器(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、以及數(shù)字控制器模塊，以對信號數(shù)字化進(jìn)行管理以及對來自兩個ADC的數(shù)字化后的神經(jīng)元信號進(jìn)行編碼和序列化。布局后模擬(post-layout simulation)和實(shí)際芯片測量兩者的結(jié)果是一致的。所述結(jié)果示出了記錄放大器在3.8 μ Vniis的輸入?yún)⒖荚肼?input-referred noise)的情況下消耗6 μ W。所述ADC可以以9位的分辨率和40kS/s的采樣率對神經(jīng)信號進(jìn)行數(shù)字化。整個系統(tǒng)的總功耗是2.56mW，并且整個系統(tǒng)占據(jù)了 3X4mm2的面積。
[0006]根據(jù)示例性實(shí)施例的本發(fā)明包括以下特征:
[0007](a)模擬前端的可擴(kuò)展體系結(jié)構(gòu)，其支持神經(jīng)元記錄系統(tǒng)的高密度通道，甚至支持>1000個通道。[0008](b)完全集成的模擬前端的低功率/低噪聲芯片設(shè)計(jì)，該模擬前端包括3級放大器和SAR ADC,該SAR ADC采用深亞微米CMOS工藝技術(shù)，例如65nm、45nm、22nm等CMOS工藝。
[0009](C)低功率和低噪聲設(shè)計(jì)，通過特殊的增益提升折疊共源共柵放大器來提高放大器的開環(huán)增益并同時減小輸入?yún)⒖荚肼暋?br> [0010](d)所述放大器具有高輸入阻抗并且能夠支持可編程增益(47-59dB)和可編程帶寬(0.lHz-12KHz),以用于神經(jīng)信號處理的局部場電位和動作電位(action potential),以及用于諸如環(huán)境和化學(xué)試劑檢測之類的其它應(yīng)用。
[0011](e)通過對在弱反型區(qū)處工作的晶體管系列的偏置電壓以及負(fù)載電容進(jìn)行調(diào)整來實(shí)現(xiàn)可編程帶寬。
[0012](f )每個9位SAR ADC具有可變的采樣率，并且被32個通道的放大器經(jīng)由32:1復(fù)用器來共享，因此32個通道的數(shù)據(jù)被序列化并經(jīng)由有線或無線通信輸出。
[0013]在一個實(shí)施例中，提供了采用增益提升的完全集成的神經(jīng)放大器，以用于來自生物對象的局部場電位(LFP)、神經(jīng)元峰電位(spike)、皮質(zhì)電圖(ECoG)信號。工作電極和對電極這兩個電極連接至神經(jīng)放大器的隔直流電容器(Cin)。而接地/參考電極將主體地(body ground)連接至放大器的電路地。電容性反饋配置將神經(jīng)放大器的增益設(shè)置為輸入電容器(Cin)和反饋電容器(Cf)的比率。通過提高的放大器開環(huán)增益，可以抑制來自Cpm、Cin和Cf的寄生效應(yīng)，以將增益失真最小化，其中是在亞閾值區(qū)中工作的輸入晶體管的寄生電容。
[0014]通過將輔助放大器集成到常規(guī)折疊共源共柵(FC)放大器中同時仍消耗與常規(guī)FC放大器所消耗的電流量相當(dāng)?shù)碾娏髁?，來?shí)現(xiàn)所述放大器的開環(huán)增益增強(qiáng)。所述放大器的總增益是FC放大器的增益和輔助放大器的增益之和。
[0015]用于增益增強(qiáng)的輔助放大器通過兩個共源(CS)放大器來實(shí)現(xiàn)。第一放大器可以由具有與二極管連接的負(fù)載或電流源負(fù)載的差分對形成。第一放大級的輸出分別連接至FC放大器的各電流源晶體管的兩個柵極，所述各電流源晶體管被用作第二 CS放大器。第二 CS放大器被嵌入到FC放大器的折疊分支中以用于將電流消耗最小化。
[0016]輸入信號由兩條路線放大(參見圖3):—條是通過FC放大器的差分輸入對Mla-Mlb ；另一條由Mlc;-Mld和M5a-M5b的第一 CS放大器以及由M4a-M4b和從M4a漏極呈現(xiàn)出的阻抗形成的第二 CS放大器來進(jìn)行放大。增益提升放大器的總增益被導(dǎo)出如下:
【權(quán)利要求】
1.一種完全集成的神經(jīng)信號的神經(jīng)放大器，包括: (a)工作電極和對電極，所述工作電極和所述對電極兩者都連接至隔直流電容器Cin； (b)電容性反饋電路，其用于將所述神經(jīng)放大器的增益設(shè)置為所述輸入電容器(Cin)和反饋電容器(Cf)的比率；以及 (c)具有增益提升器的折疊共源共柵(FC)放大器，其中所述增益提升器包括兩個共源(CS)放大器，其中所述第一共源(CS)放大器由具有與二極管連接的負(fù)載的差分對形成，其中所述第一共源(CS)放大器的各差分輸出分別連接至所述折疊共源共柵(FC)放大器的各電流源晶體管的兩個柵極，所述各電流源晶體管被用作第二共源(CS)放大器，其中所述第二共源(CS)放大器被嵌入到所述折疊共源共柵(FC)放大器的折疊分支中以用于將電流消耗最小化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的神經(jīng)放大器，其中，所述神經(jīng)信號為局部場電位(LFP)、神經(jīng)元峰電位、皮質(zhì)電圖信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的神經(jīng)放大器，其中，所述神經(jīng)放大器被單片集成在單一的半導(dǎo)體芯片上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的神經(jīng)放大器，其中，所述神經(jīng)放大器不需要外部/片外電容器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的神經(jīng)放大器，其中，所述神經(jīng)放大器具有約4μW或更小的功耗。
【文檔編號】A61B5/04GK103687536SQ201280035320
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月20日
【發(fā)明者】Y·羅, W·劉 申請人:加利福尼亞大學(xué)董事會