视觉假体中视神经刺激器的电路设计

摘要

人类认识世界所需信息的70％以上都是来自视觉，所以视觉是人类很重要的感觉器官，因此，失明通常被认为是最严重的残疾。根据世界卫生组织2002年的报告，全球有1.4亿人视觉有残疾，包括4500万盲人，在中国有550万盲人。在各种残疾病患中，患有色素性视网膜炎(RP)和老年黄斑变性(AMD)的人是不可治愈的。
　　 随着现代科学技术的发展，对目前无法治愈的RP和AMD患者的治疗中，视觉假体已经成为国际上的研究热点。视觉假体是人工修复视觉的一种电子装置，其核心是植入式神经刺激器。根据国内外多个研究小组的研究成果，本文针对视神经假体的参数需求，提出了其系统框图，并完成了一款神经刺激器的电路设计。
　　 本文设计的神经刺激器使用双工作电压，高压电源12V，常压电源3.3V，主要由带隙基准电路、ASK解调电路、电荷泵锁相环、数模转换器、输出电路以及数字控制组成。在数字控制端的控制下，该刺激器可以产生多路电荷平衡的双向电流脉冲。
　　 基于TSMC0.35μmBCD工艺，使用HSPICE软件对设计的电路模块进行了仿真，使用Modelsim和FPGA对设计的数字控制电路进行了仿真及验证。为验证刺激器的功能，针对64个电极设计了驱动电路，完成了整体仿真，包括系统功能验证、电源电压变化及负载波动的仿真。实验结果表明，该神经刺激器电路可以在较宽电源电压和电极阻抗变换范围内工作，可以产生64通道的双向刺激电流，电流的幅值和持续时间可变，幅值范围10μA～1022μA，脉冲持续时间范围20μs～400μs，脉冲频率低于350Hz。本文的电极驱动电路的设计方案为高性能视神经假体系统的设计提供了参考方案。