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脊髓损伤修复的研究已有近百年的历史。解决脊髓损伤后的中枢神经纤维再生问题,实现神经功能重建,是各国医学界普遍关注并重点投入广泛研究的重大难题。但到目前为止,医学、生物学手段的研究并未取得突破性进展。在此情况下,王志功教授、顾晓松教授和吕晓迎教授在国内外首先提出了“植入式微电子神经信道桥接SOC”的概念,尝试采用微电子的手段来达到神经信号旁路桥接和最终功能重建的目的,并进行了大量的研究与实验。该课题的工作包括电极的设计、检测和激励电路的设计、能量传输的研究、神经信号的分析和动物实验等。其中对于能量传输的研究,该系统拟采用无线经皮能量传输的方式供能,本论文的研究内容属于无线供能的一部分。本论文设计、制作了用于无线经皮能量传输的能量接收模块,配合课题组前期制作的发射模块,初步解决了植入式系统的供电问题,为将来整个系统的植入提供了可能。
本文在课题组前期工作的基础上,用印刷电路板(PCB)制作、优化了能量接收线圈,并通过实验证明了优化线圈可以提高能量接收效率。所制作的线圈能够满足6路神经信号再生电路的供电要求。
首先利用分立元件,搭建了能量接收模块和稳压电路,并通过实验验证了无线经皮供能这一供能方案的可行性。
在分立电路的基础上,进一步利用华润上华0.6μm和0.5μm CMOS工艺,在Hspice、华大九天和Cadence软件工具应用环境下,完成了两种改进的桥式整流电路和带过流保护的低压差稳压电路(LDO)的电路设计及版图设计,并成功实现了芯片制造。芯片返回后进行了测试,结果表明,整流芯片和稳压芯片能够正常工作,性能良好。之后将线圈和芯片组成体内供电模块,为进一步的实验打下了基础。此外,还对双向电荷泵电路进行了初步的探索。
最后,利用本文设计的线圈、电路及供电模块,配合课题组前期制作的经皮能量传输发射模块,利用猪皮等动物组织,进行了模拟植入情况的“包埋式”能量传输实验。实验结果表明,虽然生物组织对能量传输的效率影响较大,但是按照本文的设计,仍可满足以1.8V作为电源的电路的供电要求。