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东南大学学报（自然科学版） 2010年第6期40卷 1157-1162页

作者：谢书珊王志功吕晓迎沈晓燕黄宗浩潘海仙东南大学射频与光电集成电路研究所南京210096 东南大学生物电子学国家重点实验室南京210096

根据神经束电信号的特点,提出一种适用于中枢神经束电信号探测放大和再激励的微电子系统设计方案,功能单元包括微弱神经电信号探测电路、交流信号耦合电路和神经束再激励电路.为面向生物体植入应用,系统设计主要考虑功耗、噪声和交流耦... 详细信息

根据神经束电信号的特点,提出一种适用于中枢神经束电信号探测放大和再激励的微电子系统设计方案,功能单元包括微弱神经电信号探测电路、交流信号耦合电路和神经束再激励电路.为面向生物体植入应用,系统设计主要考虑功耗、噪声和交流耦合输入等性能.另外,设计了2种运算放大器单元,分别是用于前置电路的低噪声、低功耗两级运算放大器和具有高增益、高驱动能力的输入输出全摆幅恒跨导折叠运算放大器.系统采用CSMC双层多晶硅双层金属(DP-DM)标准0.5μm CMOS工艺设计完成.仿真和测试结果表明设计芯片实现了微弱低频电信号放大功能,可用于神经信号再生应用,功耗和体积满足生物体植入式器件的要求.

关键词：微电子神经信号探测噪声功耗

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用于神经信号采集的高PSRR及CMRR植入式模拟前端

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华南理工大学学报（自然科学版） 2015年第1期43卷 15-20页

作者：吴朝晖谢宇智赵明剑李斌华南理工大学电子与信息学院广东广州510640

针对人体内神经电信号非常微弱、噪声大、环境干扰大等特点,研究与设计了一款应用于神经信号采集的高电源抑制比(PSRR)和共模抑制比(CMRR)的低噪声植入式模拟前端.该模拟前端采用全差分结构来实现模拟前端中的前置放大器、开关电容滤波... 详细信息

针对人体内神经电信号非常微弱、噪声大、环境干扰大等特点,研究与设计了一款应用于神经信号采集的高电源抑制比(PSRR)和共模抑制比(CMRR)的低噪声植入式模拟前端.该模拟前端采用全差分结构来实现模拟前端中的前置放大器、开关电容滤波器及可变增益放大器,使得电路具有较好的电源抑制比和共模抑制比;采用斩波调制技术来抑制电路的低频噪声,并通过带电流数模转换器(DAC)的纹波抑制环路来抑制前置放大器的输出纹波,从而使该模拟前端在具有高PSRR和CMRR的同时能保持低噪声性能.文中采用0.18μm CMOS工艺设计该模拟前端芯片,版图后仿真结果表明,该模拟前端在0.1 Hz^10 k Hz内的等效输入噪声为2.59μV,实现了46.35、52.18、60.02、65.95 d B可调增益,CMRR和PSRR分别可达146及108d B,很好地满足了植入式神经信号采集的要求.

关键词：神经信号模拟电路模拟前端植入式器件高电源抑制比高共模抑制比

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视网膜神经信号的调制和视网膜疾病

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复旦学报（医学版） 2017年第6期44卷 693-698页

作者：杨雄里复旦大学脑科学研究院上海200032

本文概述了作者所领导的团队近年来在视网膜研究方面的主要工作。在基础研究方面,集中介绍了褪黑素对视网膜神经元的神经调制作用;而在与临床相结合的研究方面,则涉及青光眼的发病机制,特别是Müller胶质化激活和ephrin/Eph信号系... 详细信息

本文概述了作者所领导的团队近年来在视网膜研究方面的主要工作。在基础研究方面,集中介绍了褪黑素对视网膜神经元的神经调制作用;而在与临床相结合的研究方面,则涉及青光眼的发病机制,特别是Müller胶质化激活和ephrin/Eph信号系统的反向信号在视网膜神经节细胞凋亡中的作用。最后论及视网膜多巴胺在眼屈光系统发育及形觉剥夺性近视形成中的作用,以及多巴胺与屈光发育和近视形成的关系。

关键词：视网膜视网膜疾病神经信号

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神经信号读取用生物敏场效应管的设计与仿真

神经信号读取用生物敏场效应管的设计与仿真

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作者：张洁华中科技大学

学位级别：硕士

场效应晶体管在微电子领域,其结构和制作工艺,都有显著的特点,是集成芯片的基本组成单元。将它应用于生物电生理特性的研究,早在上个世纪六十年代就开始了。本文对神经信号读取场效应管的工艺仿真和器件模型仿真做了初步尝试,完成的主... 详细信息

场效应晶体管在微电子领域,其结构和制作工艺,都有显著的特点,是集成芯片的基本组成单元。将它应用于生物电生理特性的研究,早在上个世纪六十年代就开始了。本文对神经信号读取场效应管的工艺仿真和器件模型仿真做了初步尝试,完成的主要工作有以下内容:首先,深入研究神经信号读取场效应晶体管工作原理,依据传统场效应管的基本特性,分析了生物敏场效应管的特性,参照离子敏场效应管的结构,建立了“电解质—传感器介质层—金属—器件栅介质—导电沟道”的生物敏场效应晶体管整体器件模型;其次,改进传统场效应晶体管的结构,引入“微井”结构,增强神经元与生物敏场效应管之间连接紧密度,以期实现选择性的激励和测量神经元细胞的电信号;再者,根据所设计的器件的结构,采用CMOS工艺,利用Silvaco来进行整个工艺流程的仿真,在抽取出器件工艺参数后,对所得到的器件进行基本特性的仿真。在本论文中,主要对神经信号读取场效应管的PMOS管以及后端工艺进行了仿真。在PMOS的工艺仿真流程中,借助Silvaco的Athena模块,我们可以提取仿真所得的PMOS的许多参数出来,主要参数包括源/漏极结深,阈值电压,栅氧化层的厚度,源/漏极方块电阻,LDD方块电阻等。利用Silvaco的Utmost模块,我们提取出所建立的MOS的BSIM3模型出来,为后面建立的等效电路中的MOS管提供模型参数,同样也为后续的放大电路的设计提供了技术指标及要求。

关键词：生物敏场效应晶体管神经信号 TCAD 工艺仿真器件模型

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神经信号桥接电路芯片研究

神经信号桥接电路芯片研究

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作者：张俊东南大学

学位级别：硕士

神经系统的损伤与恢复，一直以来都是神经科学研究中的一项重要方向。目前的研究表明，中枢神经系统损伤后的再生极为困难。现有的生物学和医学方法恢复中枢神经系统功能的效果远达不到实际应用的需求。另一方面信息技术的高速发展以及... 详细信息

神经系统的损伤与恢复，一直以来都是神经科学研究中的一项重要方向。目前的研究表明，中枢神经系统损伤后的再生极为困难。现有的生物学和医学方法恢复中枢神经系统功能的效果远达不到实际应用的需求。另一方面信息技术的高速发展以及电子信息与生物学的交叉融合，为神经损伤的功能恢复提供了新的研究方法。随着集成电路技术的不断发展，特征尺寸也越来越小，为体内植入式器件的发展提供了可能，在受损神经处植入相应的芯片，通过这个芯片建立神经传输的通道，实现受损神经的功能再生。\n 论文首先对神经信号桥接设计和相关理论进行了研究，在课题组前期动物实验数据的基础上，确定电路设计的指标。采用CSMC0.5μm CMOS工艺设计了神经信号桥接电路芯片。该电路包含神经信号探测电路，滤波回路，信号放大，功能电激励电路(FES)。其中探测电路是由三个运算放大器组成的仪表放大器。系统具体的实现为其中两级折叠共源共栅运放和输入输出均为满摆幅的AB类运放的设计。电路的工作频率为400Hz～4KHz，整个系统的功耗，在±2.5V电源电压下为3mW左右。芯片的版图面积为932μm×915μm。芯片的封装形式DIP封装，并完成了电学测试。\n 根据已有的实验结果，采用电压激励时有可能会存在激励电压不够或者能量不够的情况，所以对神经信号桥接电路进行了改进，论文设计了DC-DC升压芯片来提高功能电激励级的驱动能力，这里采用的是峰值电流模PWM/PFM双模式控制的同步整流结构。论文介绍了系统的建模及稳定性分析，讨论了主要的模拟电路模块，如电压带隙基准(Bandgap)，误差放大器，振荡器等的设计。系统的仿真结果显示在PWM模式下系统的效率比较高，可达95％，同时纹波也比较小，在PFM模式下系统也具有较好的效率。

关键词：神经信号桥接设计电路芯片电学测试

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神经信号提取电极及处理电路研究

神经信号提取电极及处理电路研究

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作者：周海峰上海交通大学

学位级别：硕士

论文探索将神经信号作为假肢的控制信号源，为实现多自由度假肢控制提供关键技术，开展了神经信号的提取和处理方面的研究，主要研究内容如下：\n1. 提出基于神经信号源再造的神经信号提取方案。通过手术切分正中神经和桡神经，可以得... 详细信息

论文探索将神经信号作为假肢的控制信号源，为实现多自由度假肢控制提供关键技术，开展了神经信号的提取和处理方面的研究，主要研究内容如下：\n1. 提出基于神经信号源再造的神经信号提取方案。通过手术切分正中神经和桡神经，可以得到控制肌肉相应动作的神经束，在神经束上植入电极，即可提取所需的神经信号。\n2. 植入式神经微电极的研究。应用微加工技术制作符合生物体相容性要求的植入式神经微电极。微电极规格为1×1mm2，厚0.340mm。基底材料为硅，在刻出的通孔边镀上铂金。通过手术植入后，选定的神经束穿过电极上的孔生长，和铂金接触即可将信号引出。实验体在植入该神经微电极后可自由活动。\n3. 神经信号处理电路设计。论文提出的电路系统根据神经信号的特征设计，分为前置输入放大电路、中间级信号处理电路和后续信号识别传输电路三部分，具有输入阻抗高，共模抑制比大，不同频率段相移小，高倍放大，结构稳定可靠等特点，解决了对神经信号进行检测时常遇到的信号微弱、工频干扰和极化电压等难题。\n本文在电极和电路设计制作完成后，进行了相关的动物实验，提取到比较理想的神经信号，验证了电极和电路的功能以及方案的可行性。

关键词：神经信号信号提取信号处理假肢控制电极电路设计

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神经信号处理及传输系统研究

神经信号处理及传输系统研究

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作者：单秋云天津大学

学位级别：硕士

在现代医学的研究与应用中，运用神经微电极进行电刺激的方法正被用于治疗小儿麻痹症、帕金森综合症、失明、耳聋和癫痫病等顽固性疾病。特别是随着近年来康复医学工程的迅速发展，人们开始尝试使用神经信号作为假肢装置的控制信息源。... 详细信息

在现代医学的研究与应用中，运用神经微电极进行电刺激的方法正被用于治疗小儿麻痹症、帕金森综合症、失明、耳聋和癫痫病等顽固性疾病。特别是随着近年来康复医学工程的迅速发展，人们开始尝试使用神经信号作为假肢装置的控制信息源。因此针对此种需求设计的神经信号处理与传输系统，不仅要能够获取真实的神经信号做为临床诊断的依据，还要具有高速的数据处理和传输能力。\n 本项目采用TI公司的TMS320VC5402作为主控制器，与32路三维有源神经微电极配合实现对细胞的电刺激、高速信号采集及处理。利用USB通用串行总线实现与PC机的实时传输，并能够在控制界面以数据和动态波形两种方式显示给用户。\n 研究内容主要包括：神经信号调理电路设计；神经刺激电路设计；信号数字化电路和信号传输电路软、硬件设计。\n 在电路设计制作完成后，使用无源铂针电极对SD级白鼠进行实验，提取到了理想的神经信号，验证了电路的功能及方案的可行性。

关键词：神经信号神经微电极电刺激信号处理

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神经信号采集与刺激系统的研究

神经信号采集与刺激系统的研究

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作者：白秀军天津大学

学位级别：硕士

运用神经微电极进行电刺激的方法正被用于治疗小儿麻痹症、帕金森综合症、失明、耳聋、顽固性慢性疼痛和癫痫病等顽固性疾病,而医生也需要获得真实的神经信号为临床诊断提供依据。本文的最终目的就是设计一个基于DSP数字控制系统的神经... 详细信息

运用神经微电极进行电刺激的方法正被用于治疗小儿麻痹症、帕金森综合症、失明、耳聋、顽固性慢性疼痛和癫痫病等顽固性疾病,而医生也需要获得真实的神经信号为临床诊断提供依据。本文的最终目的就是设计一个基于DSP数字控制系统的神经信号采集和刺激系统,与神经微电极配合获得神经信号并最终通过液晶屏显示。在模拟电路的设计上,主要完成了包括前置输入放大电路、二阶高通滤波电路、二阶低通滤波电路、增益调节电路、50Hz陷波电路在内的神经信号调理电路,以及包括方波产生电路、三态频率调节电路、V/I转换电路在内的神经信号刺激电路。设计了以DSP作为中央处理器的数字电路系统,包括信号的采集、存储、显示三个单元,实现了对整个系统的控制与信号处理。采用C语言和汇编语言混合编程,完成了系统软件的编写,完成了仪器的开发和设计。对神经信号调理电路进行了多种不同性能的测试,包括:增益测试、频率响应、小信号测试及干扰分析等,证明此电路具有很高的共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低漂移。利用模拟电路和数字电路配合产生了三态的神经刺激信号。基于DSP控制成功的实现了信号采集和刺激的液晶屏实时显示。测试结果表明此套系统可以实现神经信号的采集和刺激。

关键词：神经电极 DSP 神经信号控制系统

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神经信号的分析与处理

神经信号的分析与处理

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作者：杨晓锋东南大学

学位级别：硕士

人中枢神经系统的损伤会的导致肢体功能产生障碍，造成瘫痪，给患者的正常生活造成了巨大困难。因此很多不同领域的专家正在从不同方向致力于神经功能恢复的研究。生物学方法主要是通过神经干细胞的移植来修复受损神经组织，但是目前还... 详细信息

人中枢神经系统的损伤会的导致肢体功能产生障碍，造成瘫痪，给患者的正常生活造成了巨大困难。因此很多不同领域的专家正在从不同方向致力于神经功能恢复的研究。生物学方法主要是通过神经干细胞的移植来修复受损神经组织，但是目前还不能用于临床实践。到目前为止外科手术也无法使脊髓神经再生。因此本课题组在国际上率先提出了“微电子神经桥”思想来重建神经功能，即用微电子电路重构神经信息的通路。本文的研究内容是该课题中的神经信号分析与处理部分。　　本文的工作主要包括神经信号的小波降噪，神经信号的峰电位检测，神经信号中伪迹信号的去除以及基于DSP的神经信号伪迹去除实时处理四部分。其中神经信号降噪以及峰电位检测中所用到的神经信号是从蟾蜍体上采集得到的，神经信号伪迹去除部分的待处理信号为PC12细胞所产生的神经信号。　　神经信号的采集中混有大的噪声信号，小波降噪利用小波变换的多分辨率分析特性，可聚焦到神经信号的细节信息，有效去除了信号中存在的大背景噪声，降噪后信号曲线光滑，保留了真实信号成分，有效提高了信噪比。　　在课题组阈值检测峰电位方法的基础上，本文采用非线性能量算子对其进行了改进，信号在加载非线性能量算子后能有效提升峰电位的幅值信息，再利用阈值方法能方便准确地检测出神经信号中存在的峰电位。　　随后对神经信号中的伪迹信号进行了去除。先采用阈值法检测到伪迹信号，对提取出的伪迹信号做相关性分析，按照相关系数对伪迹信号进行分类，并且通过曲线拟合的方法得到伪迹信号的模板，实验表明该方法能有效的将神经信号中的伪迹信号去除。　　最后在DSP上对神经信号中的伪迹信号进行了实时处理，实验结果证明利用曲线拟合的方法能够实现伪迹信号的实时抑制。

关键词：神经信号小波降噪非线性能量算子曲线拟合伪迹抑制

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基于空间分解与决策融合的神经信号识别

基于空间分解与决策融合的神经信号识别

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作者：张晓文上海交通大学

学位级别：博士

神经解剖学和脑科学的研究表明，模块化是人脑高效地进行智能推理的关键。由于模式识别在本质上是对人脑信息处理的一种模拟，因此上述模块化认知过程对于探讨新的模式识别算法，具有重要的启发意义。\n 本文首先回顾了单识别系统的... 详细信息

神经解剖学和脑科学的研究表明，模块化是人脑高效地进行智能推理的关键。由于模式识别在本质上是对人脑信息处理的一种模拟，因此上述模块化认知过程对于探讨新的模式识别算法，具有重要的启发意义。\n 本文首先回顾了单识别系统的缺陷以及人脑的模块化特点，介绍了在识别系统设计中新出现的几种具有“模块化结构”特点的识别方法，以及进行仿真评估时的应用对象—神经信号。接着介绍了神经信号的检测过程，并对神经信号在不同动作模式下的行为特征，结合定量分析与定性比较，从时域、频域以及时频域的角度进行了研究。在此基础上，首先按照传统的单识别系统设计方式，构造了特征向量和分类器，给出了精度评估，作为对识别系统进行模块化设计的对比。随后，从空间分解的角度，详细阐述了如何对识别系统进行模块化设计，并介绍了子模块的选择方法、差异性评估标准，以及对子模块输出进行决策时的融合方法。最后，给出了几种对识别系统进行模块化设计的算法，并以神经信号的运动识别为例，进行了仿真评估，还将结果与单识别系统进行了比较。\n 本论文的创新成果主要包括：(1)借助试验手段，通过对志愿者上肢的神经信息的检测，结合定性分析与定量比较，探讨了上臂三大主神经束(正中神经、桡神经和尺神经)的相互协调关系以及信息发放模式，获得了有重要价值的第一手资料和创新性发现，为研究神经信号支配运动的机理以及神经信息控制假肢的研究创造了条件。\n (2)通过严格的统计计算和合理的识别系统设计，对神经信号的分类识别进行了有益的尝试，指出利用神经埋藏电极引导出神经信息，经模式分类后建立起神经信息与肢体运动的映射关系，从而控制假肢运动，是完全可行的。\n (3)对神经网络隐层作用的机理进行了探讨，提出神经网络的映射关系实质上是一种广义级数展开，并对神经网络中传递函数的作用重新进行了审视。在此基础上，提出了两次赌轮选择算法，按照基因片段的功能划分来对交叉部位进行再次选择，以避免功能相似的基因片段出现在同一个染色体中，防止神经网络遗传优化中“近亲繁殖”的产生。仿真分析证实了该算法的有效性。\n (4)从仿生学原理出发，根据人脑结构和功能上的模块化特点，并结合对任务分解、神经网络集成、样本抽样技术、多专家系统等多个领域的研究，提出了对模式识别系统进行“空间化分解、模块化设计、集成化决策”的设计思想，并分别从输入空间分解、变换空间分解、特征空间分解、决策空间分解以及输出空间分解的角度，逐一阐述了如何在模块化设计中获取有差异性的个体，并通过适当的集成个体选择和决策融合方法来获得最终的识别结果。\n (5)按照模块化的设计理念，以神经信号为对象，设计了几种模块化的识别系统，并将其性能与单识别系统进行了比较。其中，独立信息源法和输出的逐级分解主要是针对神经信号的特点而设计的；变换子空间法相对通用些，与上述两种策略都属于设计方法的创新；基于置信度考虑的***算法以及集成特征选择算法FEFS则是对已有算法的改进，其中AdaBoost.

关键词：模块化设计空间分解决策融合神经信号模式识别

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