一种颅骨植入的小型化脑机接口系统植入装置
阅读：693发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种颅骨植入的小型化脑机接口系统植入装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种颅骨植入的小型化 脑机 接口 系统植入装置。主要由植入脑区的微 电极 阵列、植入头部颅骨的与 生物 容性材料封装在一起的 开关 阵列、 信号 采集与刺激产生模 块 、控 制模 块和 无线通信模块 ，无线电源管理模块，以及远端控制终端，手持式智能终端 控制器 ，无线通信单元和无线充电换能器所组成。本发明的装置通过无线方式对生物体内的 控制模块 的控制 软件 进行无线升级，利用无线 超 声波 /无线磁感应/磁共振原理实现生物体内 电子 设备的无线充电，避免了升级程序和充电二次手术的痛苦。，下面是一种颅骨植入的小型化脑机接口系统植入装置专利的具体信息内容。
1.一种颅骨植入的小型化脑机接口系统植入装置，其特征在于，包括植入装置和体外装置；
所述植入装置包括植入脑区的微电极阵列，与植入颅骨内的开关阵列相连；所述开关阵列与信号采集与刺激产生模块和无线电源管理模块相连；所述信号采集与刺激产生模块与控制模块相连；所述无线电源管理模块与信号采集与刺激产生模块、控制模块、和无线通信模块相连；所述控制模块与无线通信模块和信号采集与刺激产生模块相连；
所述体外装置包括无线通信单元，与智能终端控制器相连；所述智能终端控制器与充电换能器和控制终端相连。
2.根据权利要求1所述颅骨植入的小型化脑机接口系统植入装置，其特征在于，所述智能终端控制器为手持式智能终端控制器。
3.根据权利要求1所述颅骨植入的小型化脑机接口系统植入装置，其特征在于，所述充电换能器为无线充电换能器；所述控制终端为远端控制终端。
4.根据权利要求1所述颅骨植入的小型化脑机接口系统植入装置，其特征在于，所述信号采集与刺激产生模块与生物容性材料封装在一起。
5.根据权利要求1所述颅骨植入的小型化脑机接口系统植入装置，其特征在于，所述信号采集与刺激产生模块通过数字接口和控制模块相连接。
6.根据权利要求1所述颅骨植入的小型化脑机接口系统植入装置，其特征在于，所述智能终端控制器通过以太网或无线方式和控制终端相连接，智能终端控制器可以具备数据缓存、数据离线记录功能。
7.根据权利要求1所述颅骨植入的小型化脑机接口系统植入装置，其特征在于，所述控制终端可以控制智能终端控制器通过无线通信单元对动物头部颅骨内控制模块的软件进行无线升级，无线充电换能器可以实现动物头部颅骨内无线电源管理模块的无线非接触充电。
一种颅骨植入的小型化脑机接口系统植入装置
技术领域
背景技术
[0002] 脑机接口为神经肌肉损伤患者提供一种不依赖正常的外围神经和肌肉输出通道的通讯工具，采用脑机接口技术可以建立脑信号新的传导途径控制肌肉或者外部设备，可以用于治疗顽固性慢性疼痛、癫痫病、帕金森病、小儿麻痹症等顽固性疾病。
[0003] 脑机接口按照采集脑信号的方式可以分为非植入式和植入式两种类型。非植入式脑机接口技术的输入信号是宏观电活动透过头皮形成的头皮电信号（EEG），利EEG来实现对外部设备的控制，优点是不需要进行手术，不会造成创伤，易于实验，缺点是容易受外界电磁环境的干扰、信号不稳定、时空分辨率不高且个体差异大。植入式脑机接口技术将多通道微电极阵列植入大脑皮层，可以记录到试验对象的神经集群的峰电位发放，这些神经信号直接来自神经元，时空分辨率高，信息丢失少，控制外部设备的自由度和精度都更高，缺点是需要外科开颅手术，存在术后感染风险，且脑组织一旦损毁就不可逆。
[0004] 目前，国内外在植入式脑机接口技术研究方面取得了一系列的成果，通过植入式脑机接口技术可以利用被实验对象的脑电信号实时控制假肢，完成不同的动作，国内外的研究大多数都关注脑电信号识别准确性。然而，对利用植入式脑机接口技术对被实验对象进行人工智能、大数据预测反向闭环预测控制技术，基于植入式脑机接口技术的神经电刺激方法，植入式脑机接口中电子设备软件无线升级技术、无线充电技术等方面研究较少。
[0005] 将软件无线升级技术和无线充电技术应用到脑机接口技术领域可以降低开颅手术的次数，降低被实验对象的手术痛苦，将人工智能和大数据预测反向闭环预测控制技术应用到脑机接口技术领域可以提高脑机接口技术的智能化程度，降低人为干预控制。
发明内容
[0006] 本发明的目的是降低手术植入脑机接口系统的次数和风险，给出了一种可非接触无线充电、可二次重用、微小型化、可动态闭环刺激神经方案的、可动态调整处于活动状态的采集电极、可无线升级生物体内软件、智能化的颅骨植入闭环控制脑机接口系统。
[0007] 一种颅骨植入的小型化脑机接口系统植入装置，包括植入装置和体外装置；
所述植入装置包括植入脑区的微电极阵列，与植入颅骨内的开关阵列相连；所述开关阵列与信号采集与刺激产生模块和无线电源管理模块相连；所述信号采集与刺激产生模块与控制模块相连；所述无线电源管理模块与信号采集与刺激产生模块、控制模块、和无线通信模块相连；所述控制模块与无线通信模块和信号采集与刺激产生模块相连；
所述体外装置包括无线通信单元，与智能终端控制器相连；所述智能终端控制器与充电换能器和控制终端相连。
所述植入装置包括植入脑区的微电极阵列，与植入颅骨内的开关阵列相连；所述开关阵列与信号采集与刺激产生模块和无线电源管理模块相连；所述信号采集与刺激产生模块与控制模块相连；所述无线电源管理模块与信号采集与刺激产生模块、控制模块、和无线通信模块相连；所述控制模块与无线通信模块和信号采集与刺激产生模块相连；
所述体外装置包括无线通信单元，与智能终端控制器相连；所述智能终端控制器与充电换能器和控制终端相连。
[0008] 所述智能终端控制器为手持式智能终端控制器。
[0009] 所述充电换能器为无线充电换能器；所述控制终端为远端控制终端。
[0010] 所述信号采集与刺激产生模块与生物容性材料封装在一起。
[0011] 所述信号采集与刺激产生模块通过数字接口和控制模块相连接。
[0012] 所述智能终端控制器通过以太网或无线方式和控制终端相连接，智能终端控制器可以具备数据缓存、数据离线记录功能。
[0013] 所述控制终端可以控制智能终端控制器通过无线通信单元对动物头部颅骨内控制模块的软件进行无线升级，无线充电换能器可以实现动物头部颅骨内无线电源管理模块的无线非接触充电。
[0014] 微电极阵列分布在需要采集和刺激的不同或相同脑区，通过开关矩阵和信号采集与刺激产生模块相连接，控制模块可以控制开关矩阵完成不同脑区神经信号的采集，同时也可以将模拟电刺激信号通过开关矩阵施加到微电极阵列，控制模块将采集的神经信号通过无线通信模块传输出去，无线通信的方式可以是WIFI、网桥等高速传输方式等。无线电源管理模块一方面为控制模块、信号采集与刺激产生模块和无线通信模块供电，另一方面，当颅骨内的电子设备的电源供电不足时，控制模块向生物体外无线充电换能器发出无线充电请求，无线充电换能器接收到无线充电请求后向无线电源管理模块辐射无线电波，无线电源管理模块将无线电波转换为电能；当充电完成时，向外无线充电换能器反馈充电完成信号，无线充电换能器收到充电完成信号时停止辐射无线电波。
[0015] 手持式智能终端控制器通过无线通信单元接收到采集的原始脑区神经信号，对脑区神经信号进行初步预处理后发送给远端控制终端，手持式智能终端控制器和远端控制终端的通信方式可以是WIFI、网桥等高速传输方式。远端控制终端依据数据模型和历史神经数据记录情况提取出脑神经信号特征，对生物的行为进行预测判断后，通过手持式智能终端控制器控制无线通信单元以无线的方式动态调整生物颅骨内的电刺激信号的波形、刺激强度、刺激持续时间，同时并行动态调整采集神经信号的部位、采集数据量，完成生物大脑神经组织的闭环反向控制。另一方面，手持式智能终端控制器根据生物头部颅骨内的电子设备反馈的充电请求信号和充电完成信号动态开启或关闭无线充电换能器，完成对生物头部颅骨内的电子设备的无线充电，还可以通过无线方式动态升级生物头部颅骨内电子设备的软件。
[0016] 本发明的有益效果：本发明的装置通过微电极阵列采集生物大脑不同脑区的神经信号，并以无线方式发送给手持式智能终端控制器，手持式智能终端控制器对神经信号进行初步的信号处理后发送给远端控制终端，远端控制终端依据数据模型提取出神经信号特征，对生物的行为进行预测判断后，通过手持式智能终端控制器控制无线通信单元以无线的方式动态调整生物颅骨内的电刺激信号的波形、刺激强度、刺激持续时间，同时并行动态调整采集神经信号的部位、采集数据量，完成生物大脑神经组织的闭环反向控制。另一方面，本发明的装置通过无线方式对生物体内的控制模块的控制软件进行无线升级，利用无线超声波/无线磁感应/磁共振原理实现生物体内电子设备的无线充电，避免了升级程序和充电二次手术的痛苦。附图说明
[0017] 图1为颅骨植入的小型化脑机接口系统植入装置安装结构示意图。
[0018] 图2为颅骨植入的小型化脑机接口系统植入装置组成图。
[0019] 图3为颅骨植入的小型化脑机接口系统植入装置闭环预测控制框图。
[0020] 图4为颅骨植入的小型化脑机接口系统植入装置流程图。
[0021] 图5为软件无线升级流程图。
[0022] 图6为神经信号采集和神经电刺激的流程图。
[0023] 图7为神经信号采集和神经电刺激电路原理示意图。
[0024] 图8为无线充电电路原理示意图。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解的是，本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
[0026] 图1是颅骨植入的小型化脑机接口系统植入装置安装示意图。颅骨植入的小型化脑机接口系统植入装置由微电极阵列、路由开关阵列、智能神经信号采集与电刺激设备和无线电源管理模块所组成，其中开关阵列、智能神经信号采集与电刺激设备、无线电源管理模块均由生物容性材料封装在一起。微电极阵列分布在不同的脑区，用于采集原始神经信号或刺激脑神经。开关阵列、智能神经信号采集与电刺激设备、无线电源管理模块互相靠近安装，通过专用生物容性线缆连接起来。智能神经信号采集与电刺激设备是颅骨植入核心电子设备，包括无线通信模块、控制模块、信号采集与刺激产生模块所组成，且由生物容性材料封装而成。无线通信模块、控制模块、信号采集与刺激产生模块可以有片上系统或FPGA或控制器等方式实现。
[0027] 图2为颅骨植入的小型化脑机接口系统植入方法及装置组成图。控制模块通过数字接口控制信号采集与刺激产生模块工作，数字接口可以是SPI、I2C接口，信号采集与刺激产生模块通过模数转换接口和控制模块相连接，控制模块通过高速板上总线和无线通信模块相连接，高速板上总线有LVDS、BLVDS，无线通信的方式可以是WIFI、网桥等高速传输方式，无线电源管理模块为颅骨内的电子设备供电。通过开关阵列可以动态配置微电极阵列和信号采集与刺激产生模块之间的连接关系。手持式智能终端控制器通过SPI数字接口控制无线通信单元和颅骨内电子设备通过纠错码进行无线通信，手持式智能终端控制器通过以太网或无线方式和远端控制终端相连接。远端控制终端依据数据模型和历史神经数据记录情况提取出脑神经信号特征，对生物的行为进行预测判断后，通过手持式智能终端控制器控制无线通信单元以无线的方式动态调整生物颅骨内的电刺激信号的波形、刺激强度、刺激持续时间，同时并行动态调整采集神经信号的部位、采集数据量，完成生物大脑神经组织的闭环反向预测控制。远端控制终端可以控制手持式智能终端控制器通过无线通信单元对生物头部颅骨内控制模块的软件进行无线升级，无线充电换能器可以向外辐射无线电磁波，实现生物头部颅骨内无线电源管理模块的无线非接触充电。
[0028] 图3为颅骨植入的小型化脑机接口系统植入方法及装置闭环预测控制框图。微电极阵列通过采集脑区的神经信号，从原始神经信号提取的时空特性，输入给神经网络计算模型，神经网络计算模型依据历史信号信息和实时信号信息计算得到神经化学和电生理刺激反应，然后将其输入给预测控制模型，计算得到对应的刺激模型参数，如频率、幅度、信号强度和持续时间等，然后通过FPGA或ASIC产生可调电刺激序列施加到不同的脑区，从而实现闭环预测控制。神经网络计算模型和预测控制模型处理的数据量比较大，对实时相要求较高，可以通过图2中的手持式智能终端控制器和远程控制终端来实现。
[0029] 图4为颅骨植入的小型化脑机接口系统植入方法及装置流程图。植入生物颅骨内的电子设备处于低功耗状态，等待接收外部的无线通信命令中断唤醒控制模块进入工作模式，控制模块首先判断设备电压是否正常，当设备欠压时，通过无线通信模块向外部设备发出无线充电请求，外部无线充电换能器收到充电请求后向外辐射无线电磁波，颅骨内的无线电源管理模块将无线电磁波转换为电能，当充电完成信号时向外部设备发出充电完成信号，外部无线充电换能器收到充电完成信号后停止辐射无线电磁波；当设备供电正常时，控制模块读取接收缓冲区的无线通信命令后进入响应的工作流程，主要有启动软件无线升级流程、启动神经信号采集流程和启动神经电刺激流程。
[0030] 图5为软件无线升级流程图。为了确保软件升级的安全性，防止软件升级失败造成颅骨内控制模块失效，软件升级过程中采用严格的握手机制。外部手持式智能终端控制器和颅骨内控制模块之间的无线通信数据采用编码和解码的方式进行传递，在发送端将要发送的数据进行编码，在接收端对接收的数据按照对应的算法进行解码，编码和解码可以提供无线通信系统的容错能力并实现部分错误数据的纠错功能，比如编码后码元的汉明距离代表该种编码方式的纠错能力。在升级时，当控制模块收到外部手持式智能终端控制器连续发送的10帧无线升级请求命令时，首先检查控制模块是否处于空闲状态，当处于空闲状态时，向外部手持式智能终端控制器发送连续10帧的升级准备好应答信号；当处于忙状态时，向外部手持式智能终端控制器发送连续10帧的升级未准备好应答信号。当控制模块处于空闲状态时，外部手持式智能终端控制器按照约定的通信协议通过方式向控制模块发送程序升级数据包，控制模块收到程序升级数据包进行纠错并校验通过时，向外部手持式智能终端控制器请求下一帧数据包；控制模块收到程序升级数据包进行纠错并校验未通过后，向外部手持式智能终端控制器请求当前帧数据包，当连续3次校验未通过时，向外部手持式智能终端控制器发送无线升级失败应答帧。当控制模块接收到所有的升级数据包和程序包的校验和比对正确时，向外部手持式智能终端控制器发送升级成功应答帧。当控制模块接收到所有的升级数据包和程序包的校验和比对错误时，向外部手持式智能终端控制器发送重复升级请求，当连续4次升级失败时，向外部手持式智能终端控制器发送升级失败应答帧。
[0031] 图6为神经信号采集和神经电刺激的流程图。神经信号采集流程首先接收外部手持式智能终端控制器发送无线参数配置命令，配置内容包括模拟放大滤波电路的滤波器的截止频率和放大倍数、路由开关的路由方式、模数转换器的采样率和工作模式（如选择使用内部参考电压还是外部参考电压、输出信号编码方式是偏移二进制码还是二进制补码方式）以及数据编码方式，参数配置完成后，等待外部手持式智能终端控制器发送无线数据采集启动命令，启动数据采集，根据采集数据量的大小将数据编码后存储，然后再通过无线通信模块发送给外部手持式智能终端控制器。神经信号编码再传输的目的是降低无线传输的误码率，提高数据无线传输的准确性。神经电刺激流程等待电刺激方案命令，电刺激方案决定了电刺激的波形、电刺激强度、电刺激持续时间、路由开关的开闭方案，然后控制模块控制神经电刺激电路将电刺激方案转换为电刺激信号并通过路由开关施加到刺激电极，从而完成脑神经的刺激。
[0032] 图7为神经信号采集和神经电刺激电路原理示意图。神经信号采集和神经电刺激电路包括数字开关矩阵、神经信号放大采样ASIC、可编程电刺激产生模块。数字开关矩阵将不同采集电极采集的神经信号通过前端数字可编程路由开关1、前端数字可编程路由开关2输入到神经信号放大采样ASIC中的可编程滤波放大电路，数字开关矩阵和神经信号放大采样ASIC的控制接口数据有时钟信号、数据信号和片选信号。可编程电刺激产生模块由FPGA编程逻辑电路、电平转换逻辑和静电保护电路、数模转换电路和滤波电路、模拟求和电路、数控幅度调制电路、恒流源电路和升压电路所组成。可编程电刺激产生模块产生的可调电刺激波形通过前端数字可编程路由开关1、前端数字可编程路由开关2施加到刺激电极，完成不同脑区神经的刺激。
[0033] 图8为无线充电电路原理示意图。图8是利用线圈电磁感应原理的无线充电示意图，本发明的无线充电不局限于电磁感应，可以是磁共振和超声波原理组成的无线充电电路。无线充电电路由无线充电发射端和无线充电接收端的原理示意图。无线充电发射端将电能转换为无线电波（或超声波）通过线圈（或超声波换能器）以磁场（或超声波）的形式传递出去，无线充电接收端将发射线圈（或超声波器）的磁场（或超声波）转换为电能，然后给电池充电。以线圈电磁感应原理为例说明无线充电原理，其它无线充电方法与之类似。无线充电发射端由单片机控制器、H桥驱动电路、数模转换器发射线圈和无线通信模块所组成。数模转换器将采样的线圈电流转换为数字信号发送给单片机控制器，单片机控制器根据采样电流的大小闭环调整线圈的谐振频率，从而使能量传递最大化，提高充电效率。无线充电接收端主要由接收线圈、无线接收器电源、无线充电管理电路和电池所组成。图中的三极管Q1可以实现电池充电完成自动断电功能，图中的VCC比VCC1至少高0.7V或者0.3V，三极管才导通，其它情况下三极管处于关闭状态。图中的放大器是一个比较器，工作在开环状态，当电池电压过低时，放大器输出高电平，该高电平控制无线充电管理电路的使能端，使能电池充电；当电池电压正常时，放大器输出低电平，关闭电池充电。
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