一种基于TDMA技术的神经记录系统级芯片（SoC），配备IIR-RLS自适应滤波器，可在256个通道上实现83.4 dB的伪影抑制效果

《IEEE Journal of Solid-State Circuits》：A TDMA Neural Recording SoC With IIR-RLS Adaptive Filters for 83.4 dB Artifact Suppression Across 256 Channels

多通道神经记录与刺激 artifact 滤波系统研究：基于16通道TDMA架构和IIR RLS自适应滤波器，在65nm工艺下实现0.0018mm2/通道的集成度，输入噪声4.9μVrms（LFP）和4.8μVrms（AP），功耗5.8mW（记录模式）+2.9mW/TF（滤波模块），成功实现83.4dB artifact抑制，支持256通道传输函数组合快速校准。

　　

摘要：

本文介绍了一种数字辅助的多电极神经记录系统，该系统配备了多通道刺激伪迹消除（SAC）模块。该系统采用16电极时分多址（TDMA）方案，通过单个共享的模拟前端（AFE）记录多路神经信号。同时，它使用无限脉冲响应（IIR）递归最小二乘（RLS）自适应滤波器（AF）消除来自16个刺激电极的刺激伪迹。所提出的片上系统（SoC）在体外得到了验证，能够即时实时地将100 mV的刺激伪迹抑制83.4 dB，并且在256种通道传递函数（TF）组合下，AF的校准收敛时间小于5.1秒。该系统采用65纳米工艺制造，每个记录电极的AFE占用面积为0.0018平方毫米，对于局部场电位（LFP）和动作电位（AP）频段，其输入参考噪声分别为4.8 μVrms；在记录模式下功耗为5.8 μW。SAC模块的功耗为2.9 μW/TF，并且对记录的信噪比（SNDR）的影响最小，仅降低了0.8 dB。这是一款在能量和面积效率方面都得到优化的SAC芯片。

引言

双向神经记录和深部脑刺激（DBS）是研究的关键领域，可以为多种神经系统疾病提供见解。帕金森病、精神分裂症、注意力缺陷多动障碍（ADHD）、图雷特综合征和阿尔茨海默病等疾病可以通过DBS得到症状控制[1]、[2]、[3]、[4]。闭环同步电神经信号记录和刺激对于片上神经刺激器系统（SoC）至关重要，以确保为病变神经元提供足够的刺激。此外，电化学神经递质记录对于研究大脑中的一些神经系统疾病也是必要的[5]、[6]。使用快速扫描循环伏安法（FSCV）电化学技术可以监测神经递质水平。DBS和FSCV在神经记录模拟前端（AFE）的接口处会产生高达100 mV的刺激伪迹，这可能导致AFE饱和[7]、[8]、[9]、[10]。这种饱和限制了同时研究电生理信号（范围从V到1 mV，包括1–300 Hz的局部场电位（LFP）频段和0.3–10 kHz的动作电位（AP）频段）以及神经递质动态的能力[11]、[12]、[13]、[14]。因此，有必要将刺激伪迹至少衰减80 dB。