编译作者：YiYi

植入式BCI相比非侵入式BCI能够在获得信号和控制信号方面都更精准，从而在感觉和运动功能恢复领域以及神经系统疾病的治疗方面有广泛的应用潜力。但目前大多数工作都集中在整个植入式系统的单一方面，如电极、电路或数据传输，且在无线传输方面的工作报道较少，而无线传输性能是植入式BCI绕不开的工作。一个微型的、轻量级的、无线的、可植入的微型系统是实现在自然条件下对自由移动的动物或人类进行长期、实时和稳定监测的关键。其中涉及到电极、处理芯片、控制器、无线数据传输和电源等模块的性能优化，以及近年来逐渐完善的采集系统，例如皮层脑电（ECoG）和局部场电位（LFPs）采集系统。

无线神经元记录系统的典型配置包括五个模块：(1）用于神经信号采集的植入式电极；（2）用于信号放大、滤波、多通路传输、数字化和控制参数设置的处理芯片和控制器；（3）无线数据传输到计算机或其他便携式设备以便进一步数据分析；（4）无线充电或电感线圈供电满足系统功耗；（5）一个实现紧凑尺寸和较长使用寿命的封装。随着微机电系统（MEMS）、集成电路（IC）、无线传输和供电以及机器学习算法的融合发展，无线神经元记录系统正朝着小型化、集成化和智能化方向快速发展。它不仅可以辅助目前热门的医疗保健和严重运动障碍者的交互行为，而且在未来的娱乐和军事场景中也有潜力。图源：中国科学报

记录电极

皮层内神经接口可以记录三种类型的电位：皮层电位（ECoG）、局部场电位（LFPs）和动作电位（spikes）。ECoG是从更接近皮层表面的硬膜外或硬膜下区域记录的，一般为贴片电极。目前已经实现了可拉伸弹性微型电极，手术一般为微创，无需侵害脑组织。而穿透性电极可用于记录LFPs和spikes，包含更丰富的神经元信息，但有较高的侵入性创伤，LFP比ECoG有更高的空间分辨率，而spikes一般记录单个神经元的信号，记录电极较典型的有UEA电极阵列，一般为三维结构，每根电极上有多个记录和刺激位点。还有后来出现的硅探针，用于记录LFPs或spikes，能够记录深脑信号。

典型的皮层和皮层内记录电极。(a) Macro-ECoG电极阵列，直径达到2.3 mm，覆盖范围较大：4 cm×10 cm  (b) 微型ECoG电极阵列，50μm×50μm，间距200μm(c) 非传统Utah阵列，每根电极上有9记录点，总共有900个微电极点 (d) Argo：类似Utah阵列，有65536个通道，用于高密度记录 (e) Neuropixels：刚性硅探针，在70 μm × 20 μm的柄上有960个记录点 (f) Neuralink’ s threads：可活动的聚酰亚胺探针，每个阵列有3072个电极点，分布在96条螺纹上。图源：中国科学报

1   处理芯片、控制器和基本电路

信号处理芯片、控制器和基本电路是构建一个完整的无线皮层或皮层内神经元记录系统的必要组件，同时也是保证神经信号高保真度和后续实时传输的关键。微弱的EEG信号容易被噪声淹没，因此需要一个放大器和滤波器，但这又会造成信号的冗余而增加能耗。而多路复用器通过使多个信号记录通道以复用方式由一个通道处理来解决这个问题。系统的封装根据集成度可分为四种方案：(1)模块化分布式，(2)堆叠式，(3)集成式，(4)超紧凑式。模块划分布式系统通常使用大量的商业现成模块（COTS），能够快速构建完整系统，价格和时间成本较低，但同时也存在印刷电路板面积大的问题，使系统难以小型化。而将PCB板划分为模块并折叠的方法可以减少PCB的面积，三维叠加法是减小系统尺寸的典型方法，但模块化系统往往不能满足大量通道集成在小型结构上的需求。近年来，研究人员利用CMOS处理技术在微型化、高通道数和低功耗方面取得了很大进展，最新的CMOS工艺级别可以达到7nm，这使得实现系统轻量化和低功耗成为可能。

信号处理芯片、控制器和基本电路的各种集成方案：(a)使用大量COTS的模块化分布式方案 (b)由柔性电缆连接单元的堆叠方案 (c)由CMOS工艺制造的典型定制应用特定集成电路方案 (d)超紧凑系统，用特殊压电晶体材料制成，能够实现供能微型化。图源：中国科学报

无线数据传输

无线数据传输是实现植入式和轻量化的重要模块，根据人脑的神经信号频率特点，无线传输速率至少应大于1.2 Mbps。根据不同的物理形式，无线神经元记录系统采用的无线传输模式可分为射频、红外（IR）和超声波通信。其中射频通信由于受遮挡影响小，技术实现难度大而被广泛使用，但很容易发生信号串扰，相关组织专家通过对信号频段划分或改进的蓝牙通信手段来改善这种信号干扰的现象，另外，使用红外通信也可以减少不同设备之间的干扰。

不同的无线数据传输方式：(a) 带有无线电SoC和定制天线的低功耗蓝牙（BLE）通信 (b)在MICS频段工作的UHF射频通信 (c) 射频传输功能复用和红外传输 (d) 同步供电和传输数据的射频

能量供应

对于连续监测的无线系统来说，电源是一个重大挑战，目前比较典型的无线传输模式有电池、无线充电和无线供电等形式，心脏起搏器和人工耳蜗等经典植入式设备采用电池供电，但对无线BCI来说，电池供电显然是不够的，且受到损耗限制，而无线充电技术可以避免这一麻烦，比如采用磁共振耦合方法为电池充电，但这种方案存在电池体积和重量过大问题，于是出现了无线电源方案。根据不同的能量传输形式，无线供电方案可分为两种类型：电磁能量传输和其他能量传输形式，如红外线和超声波。

不同的供电模式(a) 直接由一次性电池或可充电电池供电 (b) 由可充电电池供电，依靠无线充电 (c) 由射频无线供电 (d) 由超声波无线供电。图源：中国科学报

系统封装

为了保证各模块在体内的稳定性，系统的封装是不可忽略的，在这方面主要考虑两个因素。首先，系统应满足水蒸气道比（WVTR）和氧气道比（OTR）的严格要求，以避免水和气体屏障出现短路。其次，包装外壳应采用生物相容性材料，以防止生物组织的排斥反应。有人采用氧化铝陶瓷作为密封包装材料以保护核心芯片和电路免受水腐蚀，除此之外还有钛合金包装和涂抹防潮层等手段保护系统稳定性。

用于神经元记录的典型系统封装(a) BrainCon：由氧化铝陶瓷包装的系统，并涂有PDMS和Parylene-C (b) WIMAGINE: 由密封的钛合金外壳封装的系统（c）由钛合金外壳封装并涂有Parylene-C的系统（d）带有单晶蓝宝石窗口的钛合金外壳封装的系统。图源：中国科学报

人脑有超过800亿的神经元，现有系统水平还无法实现完全记录或控制人脑神经活动，而无线植入式神经记录系统的发展目前面临的主要挑战有：

（1）高密度电极与电路的稳固连接，高通量神经信号的高保真放大滤波、模数转换和算法处理；

（2）高通量数据无线传输常用射频技术受到功耗和发热的限制；

（3）信号处理和无线传输需要消耗大量电能，而上万通道无线神经记录系统的安全无线充电功率还远远不够；

（4）高通量无线传输和高功率供电过程发热严重；

（5）高密度无线神经记录系统在小型化方面不过完善；

（6）无线神经记录系统寿命受多方面因素影响，对长期植入人体安全性缺乏可靠验证

无线植入式神经元记录系统是一个新兴的研究领域，具有很强的综合性和跨学科性。它涉及微纳制造、微电子、通信、能源、生物医学、脑科学和人工智能等方面。上述任何技术的发展都将促进该领域的进步，无线植入式BCI系统将朝着更加微型化、集成化和智能化进步，以便在不久的将来实现在人类社会中的广泛应用。

论文的共同第一作者为西北工业大学吉博文副教授和研究生梁泽凯；西北工业大学常洪龙教授和上海交通大学刘景全教授为共同通讯作者。

吉博文

西北工业大学副教授

研究方向：

包括植入式柔性脑机接口器件，可穿戴柔性传感与人机交互。

参考链接：

论文信息：

Ji, B., Liang, Z., Yuan, X. et al. Recent advancesin wireless epicortical and intracortical neuronal recording systems. Sci.China Inf. Sci. 65, 140401 (2022).

DOI链接：

https://doi.org/10.1007/s11432-021-3373-1

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