生物阻抗测量技术是各种新兴医疗仪器进行医学诊断、健康监测的重要手段,而高精度的读出电路是实现精确诊断的关键。传统生物阻抗测量系统的读出电路常采用逐次逼近模/数转换器(SAR ADC)实现,在不采用校准算法时,其精度通常不超过12位,无法满足日益提高的生物阻抗读出精度要求。针对该问题,设计了一款面向生物阻抗信号测量的24位增量式Σ-Δ ADC,采用三阶四比特单环前馈结构,在降低量化噪声的同时加快转换速度。在设计中使用数据加权平均(DWA)技术,降低了多比特反馈数/模转换器(DAC)失配引起的非线性,显著提升ADC精度;采用系统级斩波消除ADC前端系统失调。另外,本文采用了可配置的数字滤波器设计,通过配置不同的过采样率(OSR)可实现测量时间与输出精度的灵活折衷。采用180 nm工艺对该ADC进行流片验证,测试结果表明,在128个时钟周期的测量时长条件下(等效为128倍过采样率),ADC的有效位数达到17.8位,信噪比为108.9 dB,总谐波失真为-113.3 dB,等效输入RMS噪声为2.95 μVRMS,工作时整体功耗为930 μW。
设计并实现了一种针对面瘫患者的面部表面肌电(sEMG)信号采集与分析系统,用于评估面瘫程度并辅助临床诊断。系统主要包括3部分:自主设计的肌电采集电极、肌电采集设备以及基于服务器的分析程序。自研电极使用亲肤透气的PU膜材料,增强粘附性和抗过敏性,同时覆盖额肌、颧肌、眼轮匝肌和口轮匝肌等面部主要肌群,实现对健侧和患侧对应肌肉的精细化监测。肌电采集设备通过差分放大和模/数转换结合无线蓝牙传输实时采集并传输sEMG信号至服务器。分析程序从动作特性、相关度特性和肌群特性3个维度进行信号处理与对比,为医生提供患者面瘫部位与程度的量化数据支持。实验结果表明,本系统能够有效区分患者患侧与健侧肌肉的活动特性,系统性能稳定,操作便捷,具有良好的应用前景。
设计了一个基于金属氧化物薄膜晶体管工艺的8位电流舵数/模转换器(Digital to Analog Converter,DAC),包括定时刷新模块、同步寄存器电路、分段译码电路、开关驱动电路、开关阵列和电流源阵列、多路选择器网络、随机序列发生器。在数字电路中设计定时刷新结构解决了传统的自举逻辑门电荷泄露导致的电流源开关驱动电压的下降,避免了在低频信号下采样出错问题的发生。提出采用差分对偶译码的结构,保证打开和关闭两路信号可以同时到达开关驱动电路,保证驱动电路中电压上升和下降窗口的对称性,减小输出的毛刺;同时利用数字电路中的D触发器和译码电路中的逻辑门实现驱动增强电路,保证可以驱动模拟电路中的高位单位电流源,提高转换速率;利用动态元件匹配(Dynamic Elements Matching,DEM)技术提高DAC的动态性能。后仿真结果表明,所设计的DAC面积为73 mm2,功耗为6.5 mW,输出电流摆幅为301.46 μA,最大转换速率为32 kS/s,在单位电流源的随机匹配误差的标准差为0.1的条件下,奈奎斯特频率下的无杂散动态范围(Spurious-Free Dynamic Range,SFDR)可达到42.43 dB,最大的微分非线性(Differential Nonlinearity,DNL)为0.36 LSB,最大的积分非线性(Integral Nonlinearity,INL)为1.75 LSB,满足生物医学用柔性电子系统的需求。
随着单细胞异质性研究的深入,细胞电学特性成为疾病诊断和精准医学的重要研究方向。微流控生物电阻抗传感检测芯片通过高精度测量细胞在电场中的阻抗变化,无需标记即可获取细胞尺寸、膜电容、细胞质电导率等细胞电学特性,显著提升了对细胞异质性的检测能力。相比传统方法,微流控生物电阻抗检测芯片技术具有高灵敏度、操作简便、无损检测等优势,在疾病早期诊断、药物筛选以及个性化治疗中展现出广泛的应用前景。文章首先阐述了该技术的基本原理与系统设计;接着分析了微流控通道与电极配置的优化进展,并讨论了其在细胞分类检测、药物评估等领域的应用;最后,分析了当前面临的技术挑战与未来发展趋势,并展望了其在精准医学和疾病早期诊断中的广泛应用前景。
电刺激技术被广泛应用于多种生物医学领域,包括心脏起搏器、人工耳蜗、肌肉重建、视力恢复和癫痫抑制等。与传统的药物治疗或手术方法相比,电刺激具有更小的侵害性、更高的灵活性和更好的可恢复性,并且消除了药物依赖性与成瘾性的风险。由于集成电路具有功耗低、可靠性高、可编程性强、易于多功能集成和易于大规模生产等优势,能够满足小型化、智能化和经济高效的生物医用需求,近年来已发展成为电刺激器设计的首要选择。然而,高密度电极与刺激产生电路的集成,给电极-组织接口设计带来了很大挑战。本文从电极-组织接口出发,全面概述了植入式电刺激器相关的集成电路设计,包括基础驱动电路拓扑和高性能复杂设计,重点分析了生物医用植入式芯片的可靠性与安全性,并介绍了刺激器与闭环系统中能量收集等模块结合的创新设计。同时结合课题组在电刺激和接口电路方面的工作,讨论了电刺激技术和接口系统的未来方向。
脑类器官是通过人多能干细胞自我组织和诱导分化产生的体外三维细胞培养物,能够部分模拟人脑结构及功能。微电极阵列(Microelectrode Array, MEA)技术能够低损伤、高通量、高时空分辨率地检测脑类器官电生理活动,为脑类器官神经网络的功能表征提供高效的检测平台。脑类器官与MEA技术的融合在神经系统发育及疾病机理研究、生物神经网络智能计算以及在体修复领域引发了广泛关注。在神经系统发育及疾病机理研究方面,MEA技术能够实时长期追踪脑类器官的动态发育过程,并且通过检测不同疾病来源脑类器官的电生理参数信息探究疾病发病机理。在生物神经网络智能计算方面,脑类器官具有异质的三维网络结构和可塑性,是良好的计算载体,通过与MEA的交互,能够构建低功耗、高效率的计算平台。同时,MEA技术在基于脑类器官为载体的神经系统修复领域展现出了广阔的技术应用前景。
综述了生物阻抗检测芯片的设计与优化,重点分析了双电极与四电极的适用场景及其在测量精度和便携性上的取舍。此外,针对不同检测需求,详细探讨了ADC法、DAC法、逐次逼近法、半正弦DAC法及基线消除技术的实现原理与特点。研究结果表明,双电极结合高效DAC方法在便携设备中具有显著优势,而四电极配置则适用于高精度阻抗测量场景。本文为生物阻抗检测芯片的设计提供了理论支持,并展望了其在可穿戴医疗设备和动态监测领域的应用前景。
针对飞行器嵌入式系统对低功耗、高效数据存储解决方案的需求,设计并实现了一种基于GD32微控制器的存储系统,以解决传统基于FPGA的存储系统在高成本、高功耗和技术依赖方面的局限性。本研究采用GD32F470VGT6作为主控单元,结合EXMC接口连接外部存储器NAND Flash,利用USBHS进行数据通信。描述了NAND Flash坏块管理和存储逻辑以及低功耗模式管理。测试结果表明,在执行存储操作时,存储器功耗约为70 mA,平均存储速率达到10.6 MB/s,并且传输数据准确无误。
为了解决电荷泵输出电压不可调的问题,设计了一种输出电压可控的电荷泵电路,该电路由高频振荡电路、负压产生电路、基准电路和反馈模块组成。与传统的电荷泵相比,输出电压更灵活,输出电压波纹更小,整体电路在东部0.18 μm CMOS工艺下完成。仿真结果表明,在输入电流为100 μA下,室温时,输出电压波纹在3 mV以内。在-40~125 ℃范围内,工艺角输出波纹在5 mV以内。该电荷泵电路在输出电压为-3~0 V工作稳定,已应用到轨对轨运放项目中。
