近期，由天津大学、北京工业大学、天津中医药大学和南方科技大学的联合团队成功开发出一款八通道高压神经刺激芯片。
该芯片具备30V高压输出能力，并采用双相指数波形和主动电荷平衡技术，不仅显著提升了神经调控效率，还在安全性方面取得了重大进展。
研究成果发表在《Neuroelectronics》创刊号，为未来的神经刺激和植入设备应用带来了新契机。
设计创新：指数波形输出与功率效率
在神经刺激的设计中，传统的恒流模式虽然普遍应用，但热量消耗大，效率有限。
团队通过双相指数波形输出模式替代了这一传统模式，显著提高了芯片的功率效率至98%。
相比恒流模式，指数波形在电荷分配方面更灵活，能够更有效地降低热量，并提高每次电流脉冲的电荷传输效率。
这对于长时间连续运行的神经刺激设备尤为关键，既保证了设备运行的稳定性，也极大地降低了功率消耗。
此外，指数波形输出尤其适用于高阻抗电极-组织界面，这也是植入式神经设备面临的主要挑战之一。
由于电极-组织之间的阻抗通常较高，传统设计难以实现持续的高效刺激，而该芯片的输出波形能够突破这一技术障碍，为神经调控带来更稳定、有效的信号传输。
安全保障：主动电荷平衡技术
神经刺激设备在长期使用中会积累残余电荷，可能对神经和周围组织产生副作用，甚至造成损伤。
为了解决这一问题，该团队设计了一个创新的主动电荷平衡机制。
该机制可以精确控制每次刺激过程中的电荷传递，将残余电荷降至每周期仅0.77%。
如此低的残余电荷量大大降低了设备的潜在风险，能够有效保护组织，尤其在长期治疗中确保安全。
这种电荷平衡技术采用了实时监控系统，动态调整电荷传输的平衡。
在实验中，这种精确控制的主动平衡机制在多种应用场景下表现出稳定性。
对于神经刺激设备来说，这意味着在进行长时间神经调控时，不仅可以减少对神经组织的伤害，还提高了设备的安全性，为长期植入的可能性提供了技术保障。
双重验证：体外与体内实验效果显著
为验证该芯片的实际效果，研究团队进行了体外与体内的实验测试。
在体外实验中，芯片与不同的电极-组织界面模型进行了广泛测试，结果显示其在高阻抗条件下仍能实现低残余电荷的神经刺激能力。
此外，该芯片的实验结果还验证了其在不同环境条件下的适应性和稳定性。
体内实验则进一步验证了其在生物体中实际应用的潜力。
通过对实验大鼠的迷走神经和坐骨神经进行刺激，团队观察到了明显的肌肉收缩反应。该结果不仅证明了芯片的高效性，也展示了其在神经调控领域的应用前景。
这些实验为芯片的临床应用奠定了坚实的基础，使其在生物医学领域的潜力得到了初步验证。
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供稿|科创产业观察
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