基于电耦合体通道通信的植入式外周神经接口系统：实现下一代假肢同步多站点数据传输

《IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society》：An Implantable Peripheral Nerve Interface System With Simultaneous Multi-Site Data Transmission via Galvanically Coupled Body-Channel Communication for Next-Generation Prosthetic Limbs

本文报道了一种面向下一代假肢的植入式外周神经接口系统，其创新性地采用电耦合体通道通信(GC-BCC)技术实现了同步多站点数据上行传输。该系统集成了16通道神经记录模拟前端、GC-BCC收发器和低压差稳压器，通过15毫米猪组织验证了20 Mbps数据传输速率（误码率<1.3×10-5），双收发器同时工作时的串扰可忽略不计。该研究为分布式神经接口提供了高鲁棒性通信解决方案，显著提升了假肢控制的精确度和实时性。

　　

当人们因神经肌肉疾病或血管病变导致运动功能严重受损时，智能假肢系统成为恢复生活品质的重要希望。这类系统通过记录和处理神经信号来解码用户的运动意图，近年来已实现能让截肢者自如行走坡道、楼梯的智能假腿，以及可完成日常抓握任务的仿生手。然而，要实现接近自然生活的精细动作，仍需要从神经系统获取更精确的生物信号。

目前主流的脑电图(sEEG)和皮层脑电图(ECoG)技术存在空间分辨率低、信号易衰减和临床风险高等局限。与之相比，外周神经接口能够以更高的选择性和生理相关性捕获运动信号，为假肢提供更精准、低延迟的控制能力。特别是在截肢者残留神经纤维中解码抓握动作，可比肌电图(EMG)或sEEG更接近自然运动意图。

实现多站点外周神经记录面临重大技术挑战：多个植入物需部署在不同解剖区域采集分布式信号，且必须同时进行低延迟数据上行以支持实时控制。传统射频(RF)或超声波通信方案存在明显不足——超声波上行链路虽能实现深部植入，但数据速率有限；RF链路虽能提供较高数据速率，但多个植入物同时传输时会产生链路间干扰，需要时分多址(TDMA)或码分多址(CDMA)等复杂多址方案，降低了系统效率。

针对这一技术瓶颈，韩国科学技术院(KAIST)和纽约大学阿布扎比分校的研究团队在《IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society》上发表了一项突破性研究，开发出基于电耦合体通道通信(GC-BCC)的植入式神经接口系统。与电容耦合BCC(CC-BCC)相比，GC-BCC采用一对电极通过组织传输差分信号，有效解决了植入环境中返回路径损耗问题。每个发射器-接收器对形成独立的隔离链路，无需多址方案即可实现同步神经数据上行。

关键技术方法包括：采用180纳米CMOS工艺集成的16通道神经记录模拟前端(AFE)，包含低噪声放大器(LNA)和可编程增益放大器(PGA)；基于双极归零(BRZ)编码的GC-BCC收发器，支持20 Mbps数据速率；具有电源抑制比(PSR)增强功能的低压差稳压器(LDO)为系统提供稳定供电；通过猪组织样本(15毫米厚度)验证多站点传输性能。

系统架构与神经记录前端

系统包含神经植入IC和GC-BCC接收器IC两个核心芯片。植入IC集成16通道AFE、电源序列发生器和GC-BCC发射器，采用电容耦合仪表放大器(CCIA)结合电流复用放大器实现LNA和PGA。外周神经动作电位以20 kHz奈奎斯特速率采样，10位逐次逼近寄存器(SAR)ADC进行数字化处理，数据通过BRZ编码后传输至体外接收器。

BRZ基GC-BCC收发器设计

发射器由锁相环(PLL)、BRZ编码器和电流驱动器构成。PLL产生20 MHz时钟，BRZ编码器生成控制信号(IP、IN、CB、PRE)调节双相输出电流。通过4位电流数模转换器(IDAC)编程双相电流幅度，适应不同上行链路条件。接收器AFE包含LNA、前置放大器和PGA，全部采用共源差分放大器实现。

时钟数据恢复(CDR)模块采用Bang-Bang相位检测器(BBPD)、相位频率检测器(PFD)、数字环路滤波器(DLF)和数字控制振荡器(DCO)结构，在发射器空闲时跟踪参考时钟频率，传输时锁定信号相位并重采样输入数据。

PSR增强型LDO稳压器

为抑制GC-BCC发射器高峰值电流引起的电源波动，系统采用PSR增强型LDO稳压器 bank。通过两个专用前馈路径将输入电源电压馈送至栅极，结合米勒补偿确保主调节反馈环路的稳定性，实现宽频带抑制与低静态功耗的平衡。

性能验证与结果分析

芯片实测显示，神经植入IC总面积15 mm2，GC-BCC接收器IC面积4 mm2。神经AFE总功耗182 μW，单通道11.4 μW，植入IC总功耗710 μW，接收器IC功耗9.35 mW。能量效率方面，发射器达20.35 pJ/bit，接收器为467.4 pJ/bit。

神经记录AFE在500 Hz至10 kHz频带内积分输入参考噪声为4.1-8.8 μV_RMS，足以记录 spike信号。通过15毫米猪组织传输20 Mbps PRBS-7数据流的眼图显示垂直余量600 mV，水平余量40 ns，误码率(BER)达9×10^-7。

多站点同步传输性能

双收发器同步工作时，在1.6厘米间距下通过优化终止电阻(R_term=100 Ω)实现BER 1.3×10^-5。间距超过1.6厘米时，串扰显著降低，BER稳定在10^-5附近。16通道神经信号恢复实验采用 extracellular 神经数据集验证，所有通道均清晰显示 spike 信号。

与超声波、RF和CC-BCC等现有方案相比，GC-BCC架构在支持20 Mbps数据速率的同时，无需复杂多址协议即可实现同步多站点上行。该系统集成16通道神经记录AFE，远超同类单通道实现，为分布式神经接口提供了真正可扩展的通信解决方案。

研究结论表明，GC-BCC通信系统通过建立明确的局部化电流路径，成功解决了多植入物同步数据传输中的干扰问题。在15毫米组织深度下实现20 Mbps可靠通信，BER低于1.3×10^-5，验证了其在解剖约束配置中的可行性。该技术为需要并发高保真神经数据采集的下一代假肢系统提供了有前景的上行链路方法，显著推进了神经工程领域的发展。