基于射频能量供电的植入式神经刺激器的研究

摘要

本文提出了一种新型的由射频能量供电的植入式神经刺激器。主要包括射频能量收集器和植入式神经刺激器。其中，射频能量收集器主要由天线阵列、阻抗匹配网络和多级Villard倍压整流网络构成；植入式神经刺激器主要由神经刺激器和体外控制器构成。
　　射频能量收集器的设计要点是输出电压和RF-DC转换效率。为提高能量转换效率，采用多个天线构建多路射频能量收集器，且每两路天线接收信号首先传输给与之对应的阻抗匹配网络和两级倍压整流电路，然后并联汇集电流，再经六级倍压整流电路来提升电压，最后将所有六级倍压整流电路在输出端并联来增大电流。首先通过ADS仿真确定了阻抗匹配网络和倍压整流电路中各元件的具体参数，然后在空气和生物组织两种介质中对所设计的电路进行了测试。
　　植入式神经刺激器的关键技术为刺激脉冲产生电路，主要生成可靠性高和稳定好的刺激脉冲。设计了一种恒流双极性刺激脉冲产生电路，通过PWM波调节刺激脉冲的占空比和频率；通过控制H桥输入电流的大小来调节脉冲幅度。
　　制作了一款射频能量供电的植入式神经刺激器样机，并进行了测试。测试结果表明，当工作频率为2.4GHz，射频输入功率为5~25dBm，负载电阻分别为1 KΩ/10 KΩ/90 KΩ时，在空气介质中测得的射频能量收集器的输出电压为分别为0.05~1.94V/4.73V/6.22V，其能量转换效率分别为0.005~2％/1%/0.02%；当负载为1 KΩ时，在生物组织中测得的输出电压为0.01~3.5V，能量转换效率为0.001~1.5%。所提出的多天线射频能量收集器的输出电压和能量转换效率分别比单天线射频能量收集器高2V和1%。植入式神经刺激器的刺激脉冲幅度在10μA~30mA之间大范围可调，频率在1~300Hz之间可调，占空比在100μs~1000μs可调。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及章节安排

1.4 本章小结

第2章 射频能量供电的植入式神经刺激器

2.1 射频能量供电的植入式神经刺激器的设计需求

2.2 射频能量供电的植入式神经刺激器设计框架

2.3 本章小结

第3章 射频能量收集器

3.1 射频能量收集器框架

3.2 单通路射频能量收集器设计

3.3 多通路射频能量收集器设计

3.4 本章小结

第4章 植入式神经刺激器

4.1 植入式神经刺激器框架

4.2 神经刺激器设计

4.3 无线通信模块设计

4.4 体外控制器界面设计

4.5 本章小结

第5章 射频能量供电的植入式神经刺激器样机与系统测试

5.1射频能量供电的植入式神经刺激器样机

5.2 射频能量供电的植入式神经刺激器系统测试

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间承担的科研任务和主要成果

致谢