西安交大植入式神经调节芯片研究成果在ISSCC发布!

winniewei 提交于 周五, 02/21/2020
西安交大植入式神经调节芯片研究成果在ISSCC发布!

近日,一年一度的国际固态电路会议(ISSCC)在美国旧金山召开,西安交大研发的植入式神经调节芯片组在大会上进行了分组汇报,实现了西交大集成电路领域的研究成果在ISSCC的突破。ISSCC已经有67年的历史,是国际公认的芯片领域最权威的学术会议,被誉为芯片领域的“奥林匹克运动会”。ISSCC每年大约有200篇论文入选,相当部分的论文来自于芯片领域顶尖的科技公司。历史上入选ISSCC的论文都代表着全球顶尖水平,在一定程度上预示着集成电路产业的发展趋势,如8086(第一代Intel处理器)、第一个1kB DRAM等。ISSCC历史上总共有约8000篇论文,到2019年,中国大陆在ISSCC上发表论文的总数仅为33篇。

此次西交大入选论文的第一作者为微电子学院张鸿教授指导的博士生王玉伟,他同时还获得了ISSCC的“Silkroad Award”奖(丝绸之路奖),该奖项评选范围为以第一作者身份第一次在ISSCC上发表论文的亚太地区学生。王玉伟也成为了ISSCC历史上中国大陆地区第5位获此殊荣的学生。

大会现场

大会现场

(受疫情影响,论文作者未能到达现场,课题组委托在美国高通公司工作的西交大2006级校友朱泷汇报了论文,课题组通过远程工具与现场与会者进行了交流)

此次西交大研发的植入式神经调节芯片主要应用于植入式癫痫诊疗装置。癫痫是仅次于头痛的神经科第二大常见病。截至2019年,中国约有900万左右的癫痫患者,通常有1/3无法通过药物根治疾病。因此,植入式神经调节器逐渐被应用于难治性癫痫的治疗。但是脑电信号低至微伏级别,且面临各种干扰,提取十分困难;同时,当前的分类机对癫痫的诊断不够准确、功耗高、无法在神经刺激的同时进行诊断。这些因素使得现有的方案难以有效实现癫痫的准确识别和精准刺激治疗。

西安交大课张鸿教授课题组通过对大量文献和产业界芯片的调研,针对植入式癫痫治疗芯片面临的设计难题,提出了宽范围的共模抑制反馈电路、快速刺激干扰抑制电路等新的设计方案。同时,针对现有癫痫分类器运算功耗过大的问题,创新性地提出了两级分类的概念,采用粗分类对脑电信号进行超高灵敏度的预分类,大大降低了细分类的工作时间,在实现精准识别的同时大大降低了芯片的功耗。

论文提出的植入式深脑刺激癫痫治疗器系统图

论文提出的植入式深脑刺激癫痫治疗器系统图

经过长达两年的芯片设计、流片、封装、测试等环节,在西安航天民芯、杭州诺为医疗两家公司的合作下,课题组研发的芯片组最终在植入式深脑刺激癫痫治疗器上得到了验证,并以题为“A Closed-Loop Neuromodulation Chipset with 2-Level Classification Achieving 1.5Vpp CM Interference Tolerance, 35dB Stimulation Artifact Rejection in 0.5ms and 97.8% Sensitivity Seizure Detection”的论文在ISSCC 2020上成功发表。

据悉,该神经调节器实现了闭环神经调节,当癫痫患者发病时能够自行进行刺激并在发作结束时及时停止刺激。与当前国际先进的研究成果相比,其能够抑制种类更多、范围更宽的干扰,实现更优的输入阻抗、噪声因子、共模抑制比、谐波失真等性能,同时1.16微瓦的分类机功耗与97.8%的灵敏度均达到了国际领先水平。该神经调节器当前已在小鼠、猪上进行了体内测试验证。

芯片照片及植入式深脑刺激癫痫治疗器外观

芯片照片及植入式深脑刺激癫痫治疗器外观

近年来,微电子学院在院长耿莉教授的带领下,瞄准国际研究前沿和国家重大需求,在集成电路核心技术领域开展高水平研究,相关成果在中国电科、国家电网等国有单位和多家民营企业中得到了应用,并相继在JSSC、ISSCC、CICC、ESSCIRC、TCAS-I和TBioCAS 等顶级期刊和会议上发表了多篇论文。

来源:西安交大电信学部

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