[发明专利]单片神经接口系统

说明书

一种包括形成芯片的单片基板的设备，所述芯片包括无线、无电池的单片集成神经接口(MINI)设备。所述芯片包括集成电路(IC)，所述集成电路嵌入第一单片基板中，且包括多个放大器，所述放大器配置为放大从被监控对象接收的神经信号，以及无线电数据信号发生器，所述无线电数据信号发生器配置为处理放大的神经信号并产生多路复用数字信号。所述芯片包括嵌入在第二单片基板中的射频(RF)平面线圈，通过第一单片基板电连接到IC，配置为将多路复用数字信号无线传输到远程无线设备，并配置为接收无线功率信号为IC供电。包括多个片上电极以直接感测对象的神经信号并将神经信号提供给所述多个放大器。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年11月20日提交的标题为“MONOLITHIC NURAL INTERFACESYSTEM(单片神经接口系统)”的美国临时申请No.62/588,605的权益，其整体通过引用并入本申请。

技术领域

本发明涉及一种神经接口系统，尤其是一种配置为单片系统的神经接口系统。

背景技术

与大脑通过接口连接的设备或系统称为脑机接口(brain-machine interface，BMI)或脑机接口(brain-computer interface，BCI)。此类设备提供了与大脑神经元的直接通信路径，感应大脑神经信号以进行大脑研究，并将大脑信号生成并传输至适当的大脑神经元，以增强或修复人类的认知或感觉运动功能。

在神经外科手术中，将侵入式BCI直接植入到大脑的灰质中。侵入式BCI设备可以修复受损的视力并恢复运动，或者为瘫痪的患者提供新功能，例如，通过使用通过接口连接至计算机或机械臂帮助患者的设备。因为它们位于灰质中，所以侵入式设备在所有BCI设备中产生最高质量的信号，但易于形成疤痕组织，导致当人体对大脑中的异物做出反应时信号衰减。

非侵入式BCI涉及使用检测大脑中的电活动的EEG(脑电图)设备。尽管基于EEG的接口设备易于佩戴且不需要手术，但它们的空间分辨率相对较低，并且由于颅骨会衰减此类信号，因此无法有效使用高频信号，从而分散和模糊了神经元产生的电磁波。

将侵入式BCI植入颅骨内但在大脑外部，在硬脑膜上或硬膜下。正如预期那样，与非侵入式BCI相比，这些设备提供更好的信号质量，并且形成疤痕组织的风险也比侵入式BCI更低。由于更高的空间分辨率、良好的信噪比以及在更宽的频率范围内有用的信号，这种中间的BCI模式有前景。

除了上述各种BCI模式之外，还需要外部设备(例如，放大器、记录器)来监视和记录大脑中的神经元产生的电信号。通常，BCI感应电极通过有线连接连接到外部设备。但是，有线连接很麻烦，限制了患者的活动能力，并且必须使用存在感染风险的经皮线(transcutaneous wire)。

所描述的每种BCI技术都需要传感器阵列来感应/接收神经信号。由此类阵列(对于侵入式BCI设备，通常设置于感觉皮层或主要运动皮层内)接收的并行神经信号对可用于指导恢复认知或运动功能的研究的信息进行编码。该阵列还可以向大脑区域提供神经信号，以恢复认知和运动功能。从传感器阵列获得的信息的质量取决于所感测到的神经信号的密度和分辨率，这与传感器阵列的性能直接相关，包括阵列电极的间距和灵敏度。

但是目前的脑机接口设备中的电极密度仍然不足以对许多患者产生临床影响；需要做出重大改进，以帮助严重残疾的患者恢复完全的活动能力或解决其他受损的功能。例如，恢复肢体运动可能需要BMI才能同时监控5,000–10,000个神经元。全身运动可能需要100,000次神经测量。

完全可植入的神经接口系统设计为许多部件的复杂集成，包括：电极阵列、放大器、处理器、无线发射器和电源。现有技术的系统使用导线穿通建立部件之间的电连接，并且该连接用防止泄漏的材料绝缘。