神經(jīng)微系統(tǒng)與機(jī)器人-文庫(kù)吧
2024-12-20 15:07 本頁(yè)面
【正文】 面的研究 還比較 落后 。對(duì)于無(wú)源微電極，研究單位主要有華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院、復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院骨科等，而且他們研究的重點(diǎn)是單點(diǎn)測(cè)量微電極，屬手工制作，所以機(jī)械和電子特性的重復(fù)性很難保證。另外，這種手工制作的電極還有體積大，對(duì)神經(jīng)組織易造成損傷等缺陷。而對(duì)于有源微電極，研究單位主要有東南大學(xué)生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所等，其研究水平大都還處于二維微電極或者單通道微電極上，未來(lái)有很大的發(fā)展空間。 神經(jīng)微電極與神經(jīng)纖維的耦合 ? 作為生物信息系統(tǒng)和電子信息系統(tǒng)的接口，神經(jīng)微電極是通過(guò)耦合這一方式與神經(jīng)纖維進(jìn)行信息交換的 。生物電是實(shí)現(xiàn)這種耦合的物質(zhì)基礎(chǔ)，緊貼神經(jīng)纖維的植入微電極可以感應(yīng)神經(jīng)元細(xì)胞膜上的電位變化，產(chǎn)生出微弱的電信號(hào)。后繼的電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)這個(gè)微弱電信號(hào)的放大、濾波和變換等一系列處理，這個(gè)過(guò)程就是神經(jīng)信號(hào)檢測(cè)和處理。 另一方面，在神經(jīng)激勵(lì)微電極上施加適當(dāng)波形和頻率的電信號(hào)，利用空間耦合和生物膜的電壓敏感特性，可以在膜上產(chǎn)生超過(guò)閾值的電位，激活神經(jīng)元并產(chǎn)生特定的動(dòng)作電位，恢復(fù)受損神經(jīng)的某些功能，這個(gè)過(guò)程就是神經(jīng)功能修復(fù) 。 神經(jīng)微電極的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原則 ? 電極金屬和封裝材料生物相容性必須良好；封裝結(jié)構(gòu)外形流線化，質(zhì)地柔韌；易于手術(shù)操作，具有臨床可行性和可靠性； 考慮微流體學(xué)原理作用下電刺激信號(hào)改變附近體液流動(dòng)對(duì)電極穩(wěn)定性的影響。 神經(jīng)信號(hào)檢測(cè)微電極的設(shè)計(jì)還應(yīng)注意盡可能加強(qiáng)電極與被測(cè)神經(jīng)纖維的耦合；系統(tǒng)中所有接觸電阻應(yīng)該低而且阻值應(yīng)該彼此接近，以改善噪聲性能 。神經(jīng)元激勵(lì)微電極的設(shè)計(jì)原則還應(yīng)注意 選用電荷負(fù)載能力強(qiáng)的金屬，電極表面具有足夠大的面積以降低電流密度；采用恒流源激勵(lì)神經(jīng)；激勵(lì)信號(hào)采用雙向脈沖以減少細(xì)胞膜表面電荷累積 神經(jīng)微電極主要類型 ? 微絲 電極 ? 薄膜 電極 ? 電極 植入需要考慮的問(wèn)題： ? 電極 制造技術(shù)和信號(hào)記錄技術(shù)的發(fā)展 微絲電極 ? 微絲（絕緣金屬絲）電極，如 圖所 示，是指用絕緣材料覆蓋封裝的特定金屬導(dǎo)線，在導(dǎo)線兩端留有裸露的信號(hào)傳輸點(diǎn)； 目前它是最成功以及最穩(wěn)定的一種記錄電極，已經(jīng)被長(zhǎng)期用來(lái)采集植入式胞外神經(jīng)信號(hào)，并被證明對(duì)哺乳動(dòng)物包括人類都是適用的。 微絲電極的主要特點(diǎn)和要求 : ? （ 1）微絲的直徑必須適中，通常在 2550181。m范圍 內(nèi) ? （ 2）微絲需保持適當(dāng)?shù)挠捕群图?度 ? （ 3）微絲必須使用具有生物惰性的材料達(dá)到最佳的絕緣效果 ? （ 4）電極的阻抗必須很低且噪聲非常 小 ? （ 5）微絲電極的針尖可以通過(guò)細(xì)致地定型來(lái)增強(qiáng)獲取神經(jīng)信號(hào)的 能力 薄膜電極 ? 當(dāng)代半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了用于植入式神經(jīng)信號(hào)采集系統(tǒng)的薄膜電極的誕生。自從 20世紀(jì) 70年代 Wise等人在美國(guó)斯坦福大學(xué)首次利用半導(dǎo)體工藝開發(fā)出用于神經(jīng)信號(hào)胞外采集的薄膜電極，它已經(jīng)發(fā)展成為形式多樣，用于植入式神經(jīng)信號(hào)采集的一種最主要的電極； 其中除了最典型的 Michigan(密歇根 )電極 和 Utah(猶他 )電極 之外，還有硅篩電極，分子束微電極， SOI襯底電極，陣列通孔電極，可變記錄點(diǎn)電極，聚合體襯底電極等諸多薄膜電極 。 薄膜電極 ? Michigan電極 ? Utah電極 Utah 電極 (平面電極陣列 ) ? Utah電極又稱平面電極陣列 ， 這類電極采用整塊硅片制作，用 N型硅作為基底，在其中用熱遷移法形成多個(gè) P型硅通道，從基底的一面穿透到另一面，這些 P型硅通道彼此絕緣，去除多余的 N 型硅，只留一薄層包裹在 P型硅周圍，形成多個(gè)細(xì)針，產(chǎn)生正方形電極針陣列。 Michigan 電極 ( 線性電極陣列 ) ? Michigan電極又稱線性電極陣列，這類電極與集成電路制造相似，采用微電子制造技術(shù)，在硅或陶瓷材料為基底的薄片上，按照設(shè)計(jì)好的電極線路，噴鍍上導(dǎo)電金屬；或者在整個(gè)覆蓋有導(dǎo)電金屬層的印制板上 , 蝕刻去除不需要的部分，留下需要的電極線路，導(dǎo)電金屬可以是不銹鋼、鎢、金或鉑，然后，除了記錄點(diǎn)以外，在其余連接記錄點(diǎn)和輸出端的導(dǎo)電線路上覆蓋絕緣層 , 常用的絕緣材料是氮化硅。為了增強(qiáng)導(dǎo)電性能和生物相容性，記錄點(diǎn)表面鍍上銥或金 薄膜電極優(yōu)點(diǎn) ? 薄膜 電極的大小與微絲電極可以具有相同的量級(jí)； ? 單個(gè) 薄膜電極具有多個(gè)記錄點(diǎn)； ? 半導(dǎo)體 工藝和薄膜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)薄膜電極的批量生產(chǎn)，從而保證了它們具有相同的記錄特性，包括理想的阻抗匹配、精確的電極間隔和器件分布。 電極植入需要考慮的問(wèn)題 ? 電極植入的定位問(wèn)題 ? 電極植入的數(shù)量問(wèn)題 ? 電極植入的安全問(wèn)題 ? 電極植入的穩(wěn)定問(wèn)題 ? 神經(jīng)微電極的生物相容性 問(wèn)題 ? （以上每個(gè)問(wèn)題均能展開話題） 理想的神經(jīng)微電極應(yīng)該具有如下特征 ? 電極 材料與組織不僅要有高度的機(jī)械生物相容性，而且要有生物相似性； ? 高度 的柔韌性，以免隨著機(jī)體軟組織的活動(dòng)而發(fā)生斷裂； ? 能夠 良好的固定于神經(jīng)組織而不發(fā)生移動(dòng)，并能保證與神經(jīng)組織的緊密連接； ? 能 夠受組織液的長(zhǎng)期腐蝕，而不引發(fā)組織的
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