一種人工耳蝸系統(tǒng)專用植入刺激芯片設(shè)計(jì)

 

人工耳蝸是幫助傳感性耳聾患者恢復(fù)聽覺的一種電子裝置，它把外部的聲音轉(zhuǎn)換為聽神經(jīng)需要的電刺激，將這種刺激通過植入電極刺激聽覺神經(jīng)，人工制造出聽覺。

 

人工耳蝸主要由四部分構(gòu)成： （１）語音處理器，按照一定的算法將聲音轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾娦盘?；（２）傳輸系統(tǒng)，用來將電信號和體內(nèi)電路所需的能量從體外傳送到體內(nèi)；（３）植入刺激電路，用來處理體外傳入的電信號并產(chǎn)生刺激聽神經(jīng)的電脈沖；（４）電極（組），用來直接刺激聽覺神經(jīng)。其中植入刺激電路、接收天線和電極組通過外科手術(shù)植入耳內(nèi)。

 

植入刺激電路是人工耳蝸的核心部件，早在１８００ 年，Ａｌｅｓｓａｎｄｒｏ Ｖｏｌｔａ 在實(shí)驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)將通電的電極插入雙耳時“使頭內(nèi)產(chǎn)生轟響聲”，隨后會聽到“一種如同粘液沸騰的聲音”。此后人類便開始了對電刺激恢復(fù)聽覺的研究［１］；到１９６０ 年ＦＢＳｉｍｍｏｎｓ等人［２］使用了一種單通道刺激系統(tǒng)，在耳蝸內(nèi)插入一根電極，用電脈沖直接刺激聽神經(jīng)，使患者可以產(chǎn)生音調(diào)感覺；此后，受到電極陣列技術(shù)條件和無法實(shí)現(xiàn)小面積低功耗的植入刺激電路的限制［３］，人工耳蝸的發(fā)展很慢；２０ 世紀(jì)８０ 年代，電極技術(shù)有了較大突破，可以在一根載體中放入４ 根或者更多的獨(dú)立電極［４］，同時集成電路的制造和設(shè)計(jì)技術(shù)也有了很大的進(jìn)步，植入芯片由分立元件實(shí)現(xiàn)發(fā)展到專用集成電路實(shí)現(xiàn)，功耗和面積都得到了很大程度的降低，越來越多的人工耳蝸系統(tǒng)開始出現(xiàn)。目前三家商用的人工耳蝸系統(tǒng)［５］的植入刺激電路普遍采用數(shù)模混合專用集成電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

 

本文介紹一種適用于１６ 通道、電流脈沖刺激方式的人工耳蝸系統(tǒng)［６７］的體內(nèi)刺激電路。

 

１ 芯片結(jié)構(gòu)和功能

 

植入刺激電路的結(jié)構(gòu)如圖１ 所示。

 

 

圖１ 植入刺激電路結(jié)構(gòu)示意圖

 

植入刺激電路通過接收線圈接收體外電路發(fā)射的信號，從中提取出數(shù)據(jù)和能量，并對數(shù)據(jù)解碼形成相應(yīng)的脈沖刺激電流刺激聽神經(jīng)。具體各部分的功能為：（１）接收線圈負(fù)責(zé)接收體外線圈發(fā)射的調(diào)制信號；（２）整流濾波電路對接收線圈接收到的信號進(jìn)行整流、濾波，得到１２ Ｖ 的高壓電源電壓ＶＣＣ；（３）高壓帶隙基準(zhǔn)模塊產(chǎn)生低壓降穩(wěn)壓器使用的１２ Ｖ 參考電源電壓Ｖｒｅｆ； （４）低壓降穩(wěn)壓器負(fù)責(zé)產(chǎn)生３３ Ｖ 的常壓電源ＶＤＤ給其他常壓模塊供電；（５）上電復(fù)位電路負(fù)責(zé)在低壓降穩(wěn)壓器輸出到一定電位時產(chǎn)生復(fù)位信號，控制數(shù)字模塊復(fù)位，進(jìn)入工作狀態(tài)；（６）數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)模塊將線圈接收到的信號進(jìn)行處理，解調(diào)出數(shù)字控制模塊所需的數(shù)據(jù)信號（ｄａｔａ）和時鐘信號（ｃｌｋ）； （７）數(shù)字控制模塊負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)模塊恢復(fù)出的數(shù)據(jù)信號中提取出關(guān)于刺激電流的各種參數(shù)（刺激電極選擇、刺激維持時間、刺激強(qiáng)度等），控制開關(guān)陣列和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路；（８）常壓帶隙基準(zhǔn)源負(fù)責(zé)產(chǎn)生數(shù)模轉(zhuǎn)換電路所需要的０９ Ｖ 參考電壓；（９）１２ 位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路根據(jù)數(shù)字控制模塊提取出的刺激強(qiáng)度產(chǎn)生控制壓控電流源的控制電壓； （１０）壓控電流源負(fù)責(zé)根據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的控制電壓產(chǎn)生精確的刺激電流；（１１）開關(guān)陣列根據(jù)數(shù)字控制模塊提取出的電極序號選通待刺激的電極，并維持相應(yīng)的刺激時間。

 

體內(nèi)刺激電路有兩個工作電壓，１２ Ｖ 高壓電源ＶＣＣ和３.３ Ｖ 常壓電源ＶＤＤ。使用１２ Ｖ 高壓電源的模塊為高壓模塊，采用相應(yīng)的高壓工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)；使用常壓電源的模塊為常壓模塊，采用常壓工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用雙電源既可以有效地降低電路功耗，又可以保證刺激的強(qiáng)度。

 

２ 關(guān)鍵模塊電路實(shí)現(xiàn)

 

２ １ 帶隙基準(zhǔn)源

 

植入刺激電路中有高壓和常壓兩個帶隙基準(zhǔn)源，二者均采用了傳統(tǒng)的帶隙結(jié)構(gòu)［８］，其核心電路如圖２ 所示。通過雙極型晶體管ＶＢＥ的負(fù)溫度系數(shù)和不同電流密度的兩個雙極型晶體管的ＶＢＥ之差ΔＶＢＥ的正溫度系數(shù)相加產(chǎn)生與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓，輸出電壓為