技术领域
[0001] 本
发明属于植入式医疗设备领域，具体涉及了一种全植入式
脑机接口系统。
背景技术
[0002] 脑机接口技术是一种不依赖于常规的外围的神经肌肉组织，直接利用电脑
信号跟外部设备进行交互的技术。它为感觉或运动功能障碍者的
治疗和康复提供了一种解决方案，在医学治疗和康复领域、军事领域以及休闲娱乐领域中均具有广泛地应用价值。
[0003] 根据信号来源方式的不同，可以将脑机接口分为非植入式和植入式两大类：非植入式脑机接口技术是将
电极置于头皮上来提取脑
电信号，采集方式是无创的，但是头皮脑电信号的
信噪比低，周围环境干扰以及人主观的精神状态对脑电信号的影响比较大；植入式采集的信号来源于植入到大脑颅骨以下组织的电极记录的信号，可以精确记录单个神经元的电活动，采集的信号
时空分辨率高，能够提取更加丰富的信息，在精确运动控制以及大脑激励探索等方面具有很大的优势。植入式脑机接口技术又可以根据植入程度的不同分为两类，一类是非全植入式脑机装置，只将电极或者电极连同前级
放大器一起植入体内，供电和数据传输部分置于体外。现在应用比较广泛的Blackrock的商用植入式脑机装置就是非全植入式的。采用这种方式，体内电极和体外
电路需要有线连接，因而具有易感染、负荷重、对实验对象的灵活性制约比较大等缺点。另一类是全植入式的脑机接口，它将微电极和包含神经电信号前端采集电路、植入式无线通信、数字控制以及无线供能等部分集成一个整体一起植入体内。电极和电路一体化将会显著减小脑机装置的体积和重量，减轻佩戴者的负荷，同时还可以移除体内和体外连接的
导线，减小了感染的
风险。在脑机接口植入式神经装置由实验向临床转变的过程中，电极和
数据处理传输的完全植入化对脑机接口产品的使用者来说是十分必要的，是未来的发展趋势。
[0004] 总的来说，传统的非植入式脑机接口采集的信号受环境干扰以及采集对象精神状态影响大，采集信号
质量低。半植入式脑机接口体内电极和体外电路需要有线连接，易感染、负荷重、对实验对象的灵活性制约比较大。因脑机接口一些芯片的功耗大、体积大，目前还未有全植入式脑机接口。
发明内容
[0005] 为了解决
现有技术中的上述问题，即脑机接口因功耗、体积大无法全植入而半植入式脑机接口易感染、负荷重、不灵活的问题，本发明提供了一种全植入式脑机接口系统，该脑机接口系统包括全植入单元、外置监测单元；
[0006] 所述全植入单元，用于采集被测对象脑电信号并发送至所述外置监测单元以及采集所述全植入单元
工作温度并结合设定温度
阈值调整系统工作模式、报警信息，发送系统工作模式、报警信息至所述外置监测单元；
[0007] 所述外置监测单元，用于接收所述全植入单元传递的被测对象脑电信号、系统工作模式、报警信息。
[0008] 在一些优选的
实施例中，所述全植入单元包括第一微处理模
块、前端采集模块、温度传感模块、第一
无线通信模块、电极、无线供电模块、第一HF天线、第一MICS天线；
[0009] 所述前端采集模块与所述电极连接，用于接收所述电极采集的被测对象脑电信号并进行放大、数字化处理后发送至所述第一微处理模块；
[0010] 所述第一微处理模块分别与所述前端采集模块、温度传感模块、第一无线通信模块连接，用于接收所述前端采集模块传输的被测对象脑电信号、所述温度传感模块采集的所述全植入单元工作温度，结合设定温度阈值调整系统工作模式、报警信息，并通过所述第一无线通信模块将被测对象脑电信号、系统工作模式、报警信息发送至所述第一MICS天线；
[0011] 所述无线供电模块，分别与所述前端采集模块、温度传感模块、第一微处理模块、第一无线通信模块连接并为各模块供电；
[0012] 所述第一HF天线，用于接收所述外置监测单元的
辐射能量并发送至所述无线供电模块；
[0013] 所述第一MICS天线，用于将接收的被测对象脑电信号、系统工作模式、报警信息转换为
电磁波形式后发送至所述外置监测单元。
[0014] 在一些优选的实施例中，所述系统工作模式包括标准模式、待机模式。
[0015] 在一些优选的实施例中，所述第一无线通信模块为低功耗无线电收发器芯片ZL70103、ZL70102、ZL70323中的一种。
[0016] 在一些优选的实施例中，所述第一HF天线、第一MICS天线集成于柔性PCB上。
[0017] 在一些优选的实施例中，所述外置监测单元包括第二HF天线、第二MICS天线、第二无线通信模块、第二微处理模块、
电池、能量辐射模块；
[0018] 所述第二HF天线与所述第一HF天线
配对，通过能量辐射模块接收电池的能量并发送至所述第一HF天线；
[0019] 所述第二MICS天线与所述第一MICS天线配对，用于接收电磁
波形式的被测对象脑电信号、系统工作模式、报警信息并转换为电信号后发送至所述第二无线通信模块；
[0020] 所述第二无线通信模块与所述第一无线通信模块配对，通过与所述第一MICS天线配对的第二MICS天线接收被测对象脑电信号、系统工作模式、报警信息并发送至所述第二微处理模块；
[0021] 所述第二微处理模块，配置为控制第二无线通信模块、辐射能量模块以及第三无线通信模块的工作，接收所述能量辐射模块的工作状态，将被测对象脑电信号、系统工作模式、报警信息发送至外部PC；
[0022] 所述电池分别与所述第二无线通信模块、第二微处理模块、能量辐射模块连接并为各模块供电；
[0023] 所述能量辐射模块，配置为将电池的能量通过能量辐射的方式发送至所述第二HF天线以及发送其工作状态至所述第二微处理模块。
[0024] 在一些优选的实施例中，所述外置监测单元还设置有第三通信模块；
[0025] 所述第三通信模块，用于所述外置监测单元与外部PC的信号传递。
[0026] 在一些优选的实施例中，所述第三通信模块为蓝牙模块、wifi模块、USB模块中的一种或多种。
[0027] 在一些优选的实施例中，所述无线供电方法为：
[0028] 通过磁共振耦合式的无线能量传输方式进行供电。
[0029] 本发明的有益效果：
[0030] (1)本发明全植入式脑机接口系统，将微电极和包含神经电信号前端采集电路、植入式无线通信、数字控制以及无线供能等部分集成一个整体一起植入体内，去除体内和体外连接的导线，减小了感染的风险，采集的脑电信号不易受环境干扰、质量高。
[0031] (2)本发明全植入式脑机接口系统，选用低功耗、小体积的无线通信模块，并通过HF天线进行无线供电，系统体积小、重量低，可实现系统全植入式，减轻佩戴者的负荷，灵活轻便。
附图说明
[0032] 通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本
申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0033] 图1是本发明全植入式脑机接口系统的
框架示意图；
[0034] 图2是本发明全植入式脑机接口系统一种实施例的无线供电模块结构示意图；
[0035] 图3是本发明全植入式脑机接口系统一种实施例的能量辐射模块结构示意图。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
[0037] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
[0038] 本发明的一种全植入式脑机接口系统，该脑机接口系统包括全植入单元、外置监测单元；
[0039] 所述全植入单元，用于采集被测对象脑电信号并发送至所述外置监测单元以及采集所述全植入单元工作温度并结合设定温度阈值调整系统工作模式、报警信息，发送系统工作模式、报警信息至所述外置监测单元；
[0040] 所述外置监测单元，用于接收所述全植入单元传递的被测对象脑电信号、系统工作模式、报警信息。
[0041] 为了更清晰地对本发明全植入式脑机接口系统进行说明，下面结合图1对本发明方法实施例中各模块展开详述。
[0042] 本发明一种实施例的全植入式脑机接口系统，包括全植入单元、外置监测单元，各模块详细描述如下：
[0043] 全植入单元，用于采集被测对象脑电信号并发送至外置监测单元以及采集全植入单元工作温度并结合设定温度阈值调整系统工作模式、报警信息，发送系统工作模式、报警信息至外置监测单元。
[0044] 全植入单元包括第一微处理模块、前端采集模块、温度传感模块、第一无线通信模块、电极、无线供电模块、第一HF天线、第一MICS天线。
[0045] 前端采集模块与所述电极连接，用于接收所述电极采集的被测对象脑电信号并进行放大、数字化处理后发送至所述第一微处理模块。
[0046] 电极可以植入在被测对象大脑的皮质层采集皮质电信号，也可以植入到神经元上采集单个神经元的放电信号。
[0047] 本发明一个实施例中，选用Intan公司的RHD2000系列的芯片采集脑电信号，并将其放大数字化后传输到第一微处理模块。
[0048] 温度传感模块用于检测全植入单元在脑内工作时的温度。
[0049] 第一微处理模块分别与前端采集模块、温度传感模块、第一无线通信模块连接，用于接收前端采集模块传输的被测对象脑电信号、温度传感模块采集的全植入单元工作温度，结合设定温度阈值调整系统工作模式、报警信息，并通过第一无线通信模块将被测对象脑电信号、系统工作模式、报警信息发送至第一MICS天线。
[0050] 第一微处理模块将采集的被测对象脑电信号通过第一无线通信模块传输至外置监测单元，同时会根据获得的温度值控制全植入式系统的工作模式，具体为：
[0051] 温度值超过设定阈值，由第一微处理模块通过第一无线通信模块向外置监测单元传输报警信息，并调整系统工作在待机模式，以避免系统温度过高对大脑产生影响；
[0052] 温度值低于设定阈值，不做任何处理，保持当前的工作模式。
[0053] 系统工作模式包括标准模式、待机模式。
[0054] 第一无线通信模块为低功耗无线电收发器芯片ZL70103、ZL70102、ZL70323中的一种。
[0055] 本发明一个实施例中，选用Microsemi公司的用于植入式医疗设备的超低功耗无线电收发器芯片ZL70103、ZL70102、ZL70323中的一种作为第一无线通信模块。该通信模块的通信频带为402MHz-405MHz，属于医疗植入通信频带(MICS)。
[0056] 第一HF天线、第一MICS天线集成于柔性PCB上，用以减小系统体积。
[0057] 无线供电模块，分别与所述前端采集模块、温度传感模块、第一微处理模块、第一无线通信模块连接并为各模块供电。
[0058] 如图2所示，为本发明全植入式脑机接口系统一种实施例的无线供电模块结构示意图，采用了磁共振耦合式的无线能量传输方式，LC接
收线圈感应空间内的电
磁场变化，经过整流和稳压电路后为全植入式系统的其它模块提供稳定的供电
电压，其中电感线圈即代表无线供电的天线。
[0059] 本发明一个实施例中，选用13.56MHz的HF线圈天线，整流电路选用了全波整流电路。
[0060] 第一HF天线，用于接收所述外置监测单元的辐射能量并发送至所述无线供电模块。
[0061] 第一MICS天线，用于将接收的被测对象脑电信号、系统工作模式、报警信息转换为电磁波形式后发送至所述外置监测单元。
[0062] 外置监测单元，用于接收全植入单元传递的被测对象脑电信号、系统工作模式、报警信息。
[0063] 外置监测单元包括第二HF天线、第二MICS天线、第二无线通信模块、第二微处理模块、电池、能量辐射模块。
[0064] 第二HF天线与第一HF天线配对，通过能量辐射模块接收电池的能量并发送至第一HF天线。
[0065] 第二MICS天线与第一MICS天线配对，用于接收电磁波形式的被测对象脑电信号、系统工作模式、报警信息并转换为电信号后发送至第二无线通信模块。
[0066] 第二无线通信模块与第一无线通信模块配对，通过与第一MICS天线配对的第二MICS天线接收被测对象脑电信号、系统工作模式、报警信息并发送至第二微处理模块。
[0067] 第二微处理模块，配置为控制第二无线通信模块、辐射能量模块以及第三无线通信模块的工作，接收能量辐射模块的工作状态，将被测对象脑电信号、系统工作模式、报警信息发送至外部PC。
[0068] 电池分别与第二无线通信模块、第二微处理模块、能量辐射模块连接并为各模块供电。
[0069] 能量辐射模块，配置为将电池的能量通过能量辐射的方式发送至第二HF天线以及发送其工作状态至第二微处理模块。
[0070] 如图3所示，为本发明全植入式脑机接口系统一种实施例的能量辐射模块结构示意图，包括
功率放大器模块、匹配电路模块以及LC线圈。其中，LC线圈中的电感即代表第二HF天线，与全植入单元中的第一HF天线一致。
输入信号来源于
微处理器输出的固定
频率的正弦信号或方波信号，经功率放大器输出大功率的能量，经过匹配电路后由LC谐振线圈将能量辐射出去。
[0071] 本发明的一个实例中，功率放大器为E类功放，由一个功放管和扼流电感组成，效率高。匹配电路的作用是为了提高功率放大的效率，可以采用PI型匹配或T型匹配等无源匹配电路结构，无源器件的参数利用仿真
软件进行仿真验证。
[0072] 外置监测单元还设置有第三通信模块，用于所述外置监测单元与外部PC的信号传递。
[0073] 第三通信模块为蓝牙模块、wifi模块、USB模块中的一种或多种。
[0074] 需要说明的是，上述实施例提供的全植入式脑机接口系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块的名称，仅仅是为了区分各个模块，不视为对本发明的不当限定。
[0075] 术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
[0076] 术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
[0077] 至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
