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醫療電子研究分析報告

簡介

  ISSCC 2010在醫療電子的應用領域上,仍以植入式電路應用為主要的研究標的,少部分為生理電化學感測電路設計。在植入式電路應用方面,其中針對植入式神經訊號感測、植入式電路電源解決方案、植入式神經訊號刺激以及創新功能整合為主要三項研究特色。在生理電化學感測電路設計上面,以創新架構為主要設計目標。植入式神經訊號感測電路的設計趨勢,繼續朝向多通道、低雜訊、低功耗設計、功能整合的方針進行設計發展。在創新型整合電路部份,主要強調植入式神經擷取系統之電源解決方案,其中以使用無線充電同時兼顧傳遞訊號之架構為主要設計方式。

在規格領先的部份,截波穩定(Chopper Stablized)設計已成為降低儀表放大器之雜訊設計主架構。低功耗的方針上,低電壓設計是為主要降低功率的主要方式之一。該類型電路架構設計均類似,首先通過儀表放大器提高訊雜比,再經過濾波器濾除頻帶以外的雜訊,最後使用低功耗的SAR ADC將類比訊號轉成數位訊號。

■ 6.4–An Inductively Powered Scalable 32-Channel Wireless Neural Recording System-on-a-Chip for Neuroscience Applications

Author Lee, Seung Bae; Lee, Hyung-min; Kiani, Mehdi; Jow, Uei-Ming; Ghovanloo, Maysam
Author Affiliation
Georgia Institute of Technology, United States

 

由於在動物實驗中,其無線傳輸系統、電池的重量及系統的體積往往造成了條件限制,尤其是對老鼠等小型動物而言。如何能夠持續性地紀錄資訊,又不限制動物的活動自由,於是對於紀錄系統的便利性、無線傳輸性、以及能源供應等,乃需提出一有效之解決方案。故本篇論文即提出以無線感應電力之32通道植入式神經訊號記錄系統,以感應電力的方式提供多通道植入式無線神經訊號記錄系統的電源,以適用於動物實驗之無法攜帶電池的應用場合中。

本系統架構圖如下圖一所示,首先,神經訊號透過32通道的可變增益(67.8/78dB) 全差動低雜訊放大器(濾波器為高通0.1Hz-1kHz,低通8kHz)進行放大濾波。每一低雜訊放大器消耗功率為0.5毫安培,並搭配功率調變技術,讓該放大器在未進行信號轉換的時候進入休眠狀態以節省功耗。被放大後的訊號透過增益轉換時間器,搭配三角波產生器並轉換成PWM訊號。同時並監控四個訊號(VREC/2VSSVBGVT)。該32通道的訊號以及4個監控訊號,透過361之時變多工器(TDM-PWM),將訊號傳輸至PWMPWM驅動著給予震盪器,產生震盪訊號,並推動著非線性Class-AB功率放大器,並透過FSK方式傳輸至後端。在功率傳輸電路的部份,主要線圈(L1),其操作頻率在fP =13.56MHz,並被驅動著 1W class-C 功率放大器。而該功率傳輸電路可被商用RFID讀取器驅動(MLX90121)。在接收端的部份,該電路使用外接式L2C2電路,並將其頻率調整與 fP,相同。能量輸入晶片後,透過全幅整流器以及3V LDO。整流器提供功率轉換效率為80.2%13.56MHz狀態下。本電路擁有四個offset控制bit,透過控制時變多工器的延遲週期來達到電流最小化。而本電路的線圈調變參數可隨著動物移動距離所導致的接收電壓變化,而進行輸出電壓控制。本晶片是使用0.5μm 3M2P 標準 CMOS製程製作,面積4.9x3.3mm2,無線通訊模式使用FSK方式傳輸,在±1.5V狀態下功率消耗為7mW。使用功率調變狀態下,功率可降低至5.4mW。隨著TX RX傳輸距離為5m的條件下,該天線電感之大小為5cm

圖一、系統架構圖

圖二、晶片顯微圖

 

圖三、研究架構圖

 

本篇論文呈現之研究架構可約略定義如圖三所示。然而,非僅只有本篇ISSCC論文以系統整合方式如此呈現,本次會議收錄其他論文與生醫應用相關文獻中,許多跨領域整合型團隊的共同協助才得以將新式生醫應用實現於晶片設計上。該方針顯示近年來ISSCC所收錄的文章趨勢,除以原有之規格創新設計領先外,跨領域的異質整合也漸漸開始重要性。該研究架構包含前端類比電路設計、數位電路整合設計、無線傳輸解決方案、功率電路解決方案、系統整合及生物驗證。以應用端而言,整體電路的規劃須靠系統整合的專家,以定義整體應用所需之電路、規格、傳輸模式,類比電路除設計符合系統規格之電路以外,如何達到低功耗及低雜訊的訊號接收或是信號回饋,是為其主要類比設計方針。數位電路除整合大型電路以外,如何有效確保信號精準度及減少無線傳輸量以降低整體功耗,是為其主要數位電路設計方針。無線傳輸研究方面,強調如何以低功耗的方式傳輸,以及高準確度的無線傳輸,甚至是更進一步的無線電源供應;功率電路方面,則是著重於生物應用上的能量擷取及其相關單晶片的功率轉換。最後,整體電路需經過生物本體驗證,以確保電路上的設計可被生物體有效使用,並不會造成使用上的負擔以及傷害。

是故,若就台灣的研究能量整合,需整合上述六大方面之研究專家,共同制定研究方針及設定系統,進一步的進行研究開發設計,才有機會以此生醫應用整合的角度登上ISSCC國際舞台。

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