最新综述 | 皮层内外无线神经信号记录系统为脑机接口技术注入全新血液

编译作者：YiYi

植入式BCI与非侵入式相比BCI它可以更准确地获取信号和控制信号，从而广泛应用于感觉和运动功能恢复以及神经系统疾病的治疗。但目前大部分工作集中在整个植入系统的单一方面，如电极、电路或数据传输，无线传输报告较少，无线传输性能为植入式BCI工作绕不开。微、轻、无线、可植入的微系统是在自然条件下长期、实时、稳定地监测自由移动的动物或人类的关键。其中涉及到电极、处理芯片、控制器、无线数据传输和电源等模块的性能优化，以及近年来逐渐完善的采集系统，例如皮层脑电（ECoG）和局部电位（LFPs）采集系统。

无线神经元记录系统的典型配置包括五个模块：（1）神经信号采集的植入式电极；（2）信号放大、滤波、多通道传输、数字化和控制参数设置的处理芯片和控制器；（3）无线数据传输到计算机或其他便携式设备进一步数据分析；（4）无线充电或电感线圈电源满足系统功耗；（5）实现尺寸紧凑、使用寿命长的包装。微机电系统（MEMS）、集成电路（IC）、无线神经元记录系统正朝着小型化、集成化、智能化的方向快速发展。微机电系统（MEMS）、集成电路（IC）、无线神经元记录系统正朝着小型化、集成化、智能化的方向快速发展。它不仅可以帮助当前流行的医疗保健和严重运动障碍者的互动行为，而且在未来的娱乐和军事场景中也有潜力。图源：中国科学报

记录电极

皮层内神经界面可记录三种电位：皮层电位（ECoG）、局部场电位（LFPs）和动作电位（spikes）。ECoG它记录在更接近皮层表面的硬膜外或硬膜下，通常是贴片电极。可拉伸弹性微电极已经实现，手术一般是微创的，不需要侵入脑组织。穿透电极可用于记录LFPs和spikes，神经元信息丰富，但侵入性创伤较高，LFP比ECoG空间分辨率更高，spikes一般记录单个神经元的信号，典型记录电极UEA电极阵列，一般为三维结构，每根电极上有多个记录和刺激位点。还有后来出现的硅探针，用来记录LFPs或spikes，能记录深脑信号。

电极记录在典型的皮层和皮层中。(a) Macro-ECoG直径为2的电极阵列.3 mm，覆盖范围大:4 cm×10 cm (b) 微型ECoG电极阵列，50μm×50μm，间距200μm(c) 非传统Utah每个电极有9个记录点，共900个微电极点 (d) Argo：类似Utah阵列，高密度记录有65536个通道 (e) Neuropixels：刚性硅探针，70 μm × 20 μm手柄上有960个记录点 (f) Neuralink’ s threads：每个阵列有3072个电极点，分布在96个螺纹上。图源：中国科学报

1处理芯片、控制器和基本电路

信号处理芯片、控制器和基本电路是构建完整无线皮层或皮层内神经元记录系统的必要组成部分，也是神经信号高保真度和后续实时传输的关键。微弱的EEG信号容易被噪音淹没，需要放大器和滤波器，但会造成信号冗余，增加能耗。多路复用器通过一个通道处理多个信号记录通道来解决这个问题。根据集成度，系统包装可分为四种方案：(1)模块化分布式，(2)堆叠式，(3)集成式，(4)超紧凑型。大量的商业现成模块通常用于模块划分布式系统（COTS），能够快速构建完整的系统，价格和时间成本低，但也存在印刷电路板面积大的问题，使。而将PCB可以减少板分为模块和折叠的方法PCB三维叠加法是减小系统尺寸的典型方法，但模块化系统往往不能满足小结构中大量通道集成的需要。近年来，研究人员利用它CMOS处理技术在微型化、高通道数和低功耗方面取得了巨大进展CMOS工艺水平可达7nm，这使得实现系统的轻量化和低功耗成为可能。

各种集成方案：信号处理芯片、控制器和基本电路：(a)使用大量COTS模块化分布式方案 (b)柔性电缆连接单元的堆叠方案 (c)由CMOS特定集成电路方案的典型定制应用 (d)采用特殊压电晶体材料制成的超紧凑系统，可实现供能微型化。图片来源：中国科学报

无线数据传输

根据人脑神经信号频率的特点，无线数据传输是实现植入式和轻量化的重要模块，无线传输速率至少应大于1.2 Mbps。无线神经元记录系统采用的无线传输模式可分为射频和红外（IR）和超声通信。射频通信由于屏蔽影响小，技术难以实现和广泛使用，但容易发生信号串扰，相关组织专家通过信号频段划分或改进蓝牙通信手段改善信号干扰现象，此外，红外通信的使用也可以减少不同设备之间的干扰。

不同的无线数据传输方式：(a) 带有无线电SoC低功耗蓝牙和定制天线（BLE）通信 (b)在MICS频段工作的UHF射频通信 (c) 射频传输功能和红外传输 (d) 射频同步供电和传输数据

能量供应

对于连续监控的无线系统来说，电源是一个重大挑战。目前，典型的无线传输模式包括电池、无线充电和无线供电。起搏器、人工耳蜗等经典植入式设备采用电池供电，但对于无线设备BCI电池供电明显不够，而且受损耗限制，而无线充电技术可以避免这种麻烦，比如采用磁共振耦合法为电池充电，然而，该方案存在电池体积和重量过大的问题，因此出现了无线电源方案。无线不同的能量传输形式，无线电源方案可分为红外和超声波等两种类型。

供电模式不同(a) 一次性电池或可充电电池直接供电 (b) 由可充电电池供电，依靠无线充电 (c) 无线射频供电 (d) 由超声波无线供电。图源:中国科学报

系统封装

为了保证各模块在体内的稳定性，系统的封装是不可忽略的，在这方面主要考虑两个因素。首先，系统应满足水蒸气道比（WVTR）和氧气道比（OTR）严格要求，避免水气屏障短路。其次，生物相容性材料应用于包装外壳，以防止生物组织的排斥反应。有些人使用氧化铝陶瓷作为密封包装材料，以保护核心芯片和电路免受水腐蚀。此外，钛合金包装和防潮层涂层保护系统稳定性。

用于神经元记录的典型系统封装(a) BrainCon：该系统由氧化铝陶瓷包装，涂有PDMS和Parylene-C (b) WIMAGINE: 系统由密封钛合金外壳包装（c）钛合金外壳包装涂层Parylene-C的系统（d）钛合金外壳包装系统采用单晶蓝宝石窗。图片来源：中国科学报

人脑有800多亿神经元，现有系统水平无法完全记录或控制人脑神经活动。无线植入式神经记录系统的发展面临的主要挑战是：

(1)高密度电极与电路的稳定连接，高通量神经信号的高保真放大滤波器、模数转换和算法处理；

(2)高通量数据无线传输常用射频技术受功耗和发热的限制；

(3)信号处理和无线传输需要消耗大量电能，数万通道无线神经记录系统的安全无线充电功率远远不够；

(4)高通量无线传输和高功率供电过程发热严重；

(5)高密度无线神经记录系统在小型化方面并不完善；

（6）无线神经记录系统寿命受多方面因素影响，对长期植入人体安全性缺乏可靠验证

无线植入神经元记录系统是一个综合性强、跨学科性强的新兴研究领域。它涉及微纳制造、微电子、通信、能源、生物医学、脑科学和人工智能。上述任何技术的发展都将促进该领域的进步BCI为了在不久的将来广泛应用于人类社会，系统将朝着更微型化、集成化、智能化的方向发展。

西北工业大学论文的共同第一作者吉博文副教授和研究生梁泽凯；西北工业大学常洪龙教授和上海交通大学刘景全教授是共同通讯的作者。

吉博文

西北工业大学副教授

研究方向：

包括植入式柔性脑机接口器件，可穿戴柔性传感与人机交互。

参考链接：

论文信息：

Ji, B., Liang, Z., Yuan, X. et al. Recent advancesin wireless epicortical and intracortical neuronal recording systems. Sci.China Inf. Sci. 65, 140401 (2022).

DOI链接：

https://doi.org/10.1007/s11432-021-3373-1

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