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光刺激能够革新人工耳蜗的品质，帮助听障人士享受更好的生活质量。 光，能够专门用来刺激耳蜗神经细胞。 开姆尼茨理工大学实验传感器和光电学教授Uli Schwarz领导的研究组正在进行相关研究。他想让那些听力严重受损或失聪的人能够享受大多数人认为理所当然的东西—— 拥有更自然的听力，享受更多音乐的乐趣，在群体环境中更好地理解他人的言辞。 1 、 中间音调 当人耳中的耳蜗无法正常工作，将听觉信号转换为神经脉冲时，就会造成人耳听力丧失。这已经成为人们熟知的一种常见疾病，全球范围内可能影响着几亿人口。 目前的解决方案是电子人工耳蜗——利用电流触发耳蜗内的听觉神经引起神经冲动，神经冲动被传到大脑的听觉神经中枢产生听觉。当前市面上大多人工耳蜗产品的植入体电极数量在12~24个之间，主要特点是能最大程度上模拟正常情况下声音对耳蜗内听觉神经的触动。这种耳蜗让世界上大约70万人拥有了基本的听力和理解语言的能力。 可以说，人工耳蜗是最成功的人工电子器官之一。尽管如此，从工程学来说，电刺激人工耳蜗仍有两大缺陷： 有效通道数目受限： 目前人工耳蜗的效果还无法与健听聆听相比，其中电刺激听觉的频域解析能力受限是非常重要的因素之一，这也是目前电刺激人工耳蜗植入体电极研发的主要瓶颈。 电刺激干扰无法解决： 理论上，电流在内耳的传导会影响植入体电极周围的很多组织器官，电场引起反应的听觉神经范围比传统的声刺激要大，造成精准度下降，频率辨识度降低。尤其在加大电刺激量时，电刺激听觉之间的干扰会更严重。部分人工耳蜗植入者不能分辨不同电极刺激引起的听觉感受，说明相邻的电极会引起相似的听觉神经反应。 说直白一点，就是他们 无法区分不同的音高 。而且，如果有背景噪音，他们会很难理解其他人在说什么。因为虽然电刺激被直接传送到听觉神经，但它们在到达听觉神经时是没有任何区别的。 就这一缺陷，哥廷根大学听觉神经科学教授Tobias Moser有着非常形象的比拟：“对于植入了传统耳蜗的人来说，古典钢琴协奏曲听起来就像是钢琴家戴着手套或用手肘演奏的一样。”他力图做出改变，打开所有的中间音调。 2 、 以光代电 “电刺激的音高辨别能力很差。大量的细胞会同时受到刺激——而这些细胞实际上负责不同的频率。” Uli Schwarz说。这就是传统技术的局限性所在。因此， 对神经细胞进行空间选择性刺激或特定细胞刺激都不可行。 8个频率通道下的巴赫“Air” ,感光现象 ,1分钟 “相比之下，我们可以把光‘束’在一起，从而更加集中地刺激听觉神经。100个或更多可能的频率通道使得使用者可以欣赏到各种形式的音乐。” Uli Schwarz补充道。这就需要 一系列单独可控的光源，有选择性地刺激耳蜗的不同部分，每个部分对应不同的音高。 64个频率通道下的巴赫“Air” ,感光现象 ,1分钟 3 、 小巧柔韧、生物相容 光学刺激有显著的物理优势，但技术要求颇具挑战性。知名的内耳生理学研究者、人工耳蜗领域光遗传学顶尖专家Moser教授在寻找合适光源的过程中，联系上了Schwarz教授。 Schwarz教授自2001年开始就在艾迈斯欧司朗深入研究 LED 和激光二极管。 然而，薄膜技术和LED小型化的联合项目一般针对的是汽车大灯、电视和小型化显示器等领域的应用。 在小型化高功率LED常见技术路径的基础上，Uli Schwarz专注于更小的、可植入的解决方案。所有可用的LED都太大、太硬，无法大量植入耳蜗。必须开发Micro-LED，并将其结合到柔韧的基片上。“要想在耳朵里使用，它们必须非常小，具有柔韧性和生物相容性（不会引起人体排斥）。” Schwarz解释说。“由于只有微小的纽扣电池供电，它们还需要非常节能。而且需要非常快的声音通道，这样人们才可以定位来自不同方向的声音，比如传播时间仅相差毫秒的声音。”这是半导体发展中的一个未知领域。 4 、 光遗传学：光开关 2014年，第一个里程碑实现了。 微小的蓝色薄膜LED被集成在聚合物中，并嵌入到老鼠的耳朵中。但要想真正刺激听觉，就需要一个“光开关”。这一领域的研究被称为光遗传学。神经细胞天生对光线不敏感，因此如果要被光刺激，则需要对其进行适应。将光敏蛋白引入听觉神经细胞可以使其光敏，这样它们在受到刺激时就会发出神经脉冲。 5 、 研究里程碑：临床试验 该项目在生物医学和技术这两个研究领域都取得了巨大进展。Moser教授于2018年在哥廷根演示了内耳的光刺激。现在，他的研究团队已证明，对耳部神经细胞实行局部光刺激也是可行的，高频分辨能力已经与高时间精度成功结合。 “我们背后还有很多艰巨的研究工作。现在我们正在攻克人工耳蜗的技术难题。下一个里程碑是进行人工耳蜗的临床试验。” Schwarz说。 由于人工耳蜗通常在出生一年后植入，它们必须像起搏器一样在人体内终生发挥作用。因此，研究小组正致力于对光源进行密封封装，并减少内耳中材料的数量。使用红光代替蓝光是因为红光能更好、更温和地刺激细胞。 为了支付巨额开发成本，Moser和Schwarz领导的研究团队于2019年创立了OptoGenTech公司，旨在开发、生产和销售多通道光学刺激器。 2020年，该研究团队经过不懈努力再次助力光学人造耳蜗向商业化进程迈进。 团队通过对小鼠的耳蜗3D结构进行X射线断层扫描技术获得了光学耳蜗植入物的三维模型数据，并使用该三维数据设计制造了Micro-LED 16通道光学耳蜗植入物，并将其用于在啮齿动物中表达通道视紫红质（ChR）的SGNs的光刺激。希望以光学激活的方式使沙鼠的听神经产生光敏性并诱发神经反应。 这项研究证实了基于Micro-LED多通道光学CI系统具有改善的频谱选择性的听力恢复并再次证明了其可行性。 尽管该设备在临床试验开始之前还有待进一步完善，在技术端仍需要不断迭代。例如Schwarz说：“我们需要柔性电子元件，同样，我们也需要用于医疗用品的柔性光电元件。”然而，基于半导体的人工耳蜗，以及Moser和Schwarz的设想有望成为现实：利用光使聋人和听障人士享受音乐，并以全新的方式参与到社会生活的各个方面。

0 引言 人工耳蜗是帮助传感性耳聋患者恢复听觉的一种电子装置，它把外部的声音转换为听神经需要的电刺激，将这种刺激通过植入电极刺激听觉神经，人工制造出听觉。 人工耳蜗主要由四部分构成：（1）语音处理器，按照一定的算法将声音转换成适当的电信号；（2）传输系统，用来将电信号和体内电路所需的能量从体外传送到体内；（3）植入刺激电路，用来处理体外传入的电信号并产生刺激听神经的电脉冲；（4）电极（组），用来直接刺激听觉神经。其中植入刺激电路、接收天线和电极组通过外科手术植入耳内。 植入刺激电路是人工耳蜗的核心部件，早在1800年，AlessAndro VoltA在实验时发现将通电的电极插入双耳时“使头内产生轰响声”，随后会听到“一种如同粘液沸腾的声音”。此后人类便开始了对电刺激恢复听觉的研究；到1960年fBsIMMons等人使用了一种单通道刺激系统，在耳蜗内插入一根电极，用电脉冲直接刺激听神经，使患者可以产生音调感觉；此后，受到电极阵列技术条件和无法实现小面积低功耗的植入刺激电路的限制，人工耳蜗的发展很慢；20世纪80年代，电极技术有了较大突破，可以在一根载体中放入4根或者更多的独立电极，同时集成电路的制造和设计技术也有了很大的进步，植入芯片由分立元件实现发展到专用集成电路实现，功耗和面积都得到了很大程度的降低，越来越多的人工耳蜗系统开始出现。目前三家商用的人工耳蜗系统的植入刺激电路普遍采用数模混合专用集成电路设计实现。 本文介绍一种适用于16通道、电流脉冲刺激方式的人工耳蜗系统的体内刺激电路。 1 芯片结构和功能 植入刺激电路的结构如图1所示。 图1 植入刺激电路结构示意图 植入刺激电路通过接收线圈接收体外电路发射的信号，从中提取出数据和能量，并对数据解码形成相应的脉冲刺激电流刺激听神经。具体各部分的功能为：（1）接收线圈负责接收体外线圈发射的调制信号；（2）整流滤波电路对接收线圈接收到的信号进行整流、滤波，得到12V的高压电源电压VCC；（3）高压带隙基准模块产生低压降稳压器使用的1.2V参考电源电压Vref；（4）低压降稳压器负责产生3.3V的常压电源Vdd给其他常压模块供电；（5）上电复位电路负责在低压降稳压器输出到一定电位时产生复位信号，控制数字模块复位，进入工作状态；（6）数据时钟恢复模块将线圈接收到的信号进行处理，解调出数字控制模块所需的数据信号（dAtA）和时钟信号（Clk）；（7）数字控制模块负责从数据时钟恢复模块恢复出的数据信号中提取出关于刺激电流的各种参数（刺激电极选择、刺激维持时间、刺激强度等），控制开关阵列和数模转换电路；（8）常压带隙基准源负责产生数模转换电路所需要的0.9V参考电压；（9）12位数模转换电路根据数字控制模块提取出的刺激强度产生控制压控电流源的控制电压；（10）压控电流源负责根据数模转换电路的控制电压产生精确的刺激电流；（11）开关阵列根据数字控制模块提取出的电极序号选通待刺激的电极，并维持相应的刺激时间。 体内刺激电路有两个工作电压，12V高压电源VCC和3.3V常压电源Vdd。使用12V高压电源的模块为高压模块，采用相应的高压工艺进行设计；使用常压电源的模块为常压模块，采用常压工艺进行设计。采用双电源既可以有效地降低电路功耗，又可以保证刺激的强度。 2 关键模块电路实现 2.1 带隙基准源 植入刺激电路中有高压和常压两个带隙基准源，二者均采用了传统的带隙结构，其核心电路如图2所示。通过双极型晶体管VBe的负温度系数和不同电流密度的两个双极型晶体管的VBe之差ΔVBe的正温度系数相加产生与温度无关的基准电压，输出电压为 其偏置电流由自偏置模块产生，运算放大器为典型的两级运放结构。常压带隙基准源要给数模转换电路提供稳定的有驱动能力的参考电位，因此在基准源的输出端根据数模转换电路的精度，等效电容，刺激速率要求设计完成了两级密勒补偿的缓冲器，用以驱动数模转换电路。 图2 带隙基准源核心电路结构 2.2 数字控制模块 数字控制模块是植入刺激电路中的数字部分，这部分采用有限状态机设计，在不同的状态下生成相应的控制信号。它以数据时钟模块恢复出的时钟为工作时钟，将数据时钟模块恢复出的数据进行译码，提取出刺激强度控制数模转换电路，提取出刺激维持时间、刺激电极序号控制开关阵列。本设计中使用的指令帧格式如图3所示，指令首位是帧起始位，然后依次是刺激模式、刺激强度、刺激脉宽、电极编号1、电极编号2、最后一位是奇偶校验位。该部分电路采用标准AsIC设计流程，规模约1500门，功耗730μW＠10MHz。 图3 指令帧格式 2.3 数模转换电路 12位数模转换电路采用分段电容结构，如图4所示。为了提高数模转换电路电容阵列的匹配性，该数模转换电路采用左右两个对称的电容阵列组成，为减小电路转换的毛刺幅度，提高线性度，高三位使用温度计编码，数模转换电路的参考电平由基准源提供。 图4 数模转换电路 2.4 压控电流源电路 该部分由满足数模转换电路精度和速度的运算放大器和一个高压nMos反馈管组成，具体电路如图5所示。运放与nMos管M1组成的负反馈保证电阻r（本设计中r为外接电阻，以方便对该电路的测试以及调节刺激电流的大小）上的电压为数模转换电路的输出，从而保证流过两个电极的电流为Iout＝VdAC／r以实现刺激强度随数模转换s电路输出的变化。其中运算放大器采用两级密勒补偿结构，输入部分为PMos射级跟随器，用以实现电平移位，保证在数模转换电路输出电压很小时运放仍然正常工作。 图5 压控电流源电路 2.5 开关阵列电路 开关阵列结构示意图如图6所示。本设计中电极共有17个（el0～el16），图中仅给出两个电极作为示意，数字控制部分通过控制如图所示的模拟开关来控制刺激电流方向，刺激维持时间以及选通电极。比如，当elVen1和elAen2闭合时，电流由电极el1流向el2，大小为前面压控电流源产生的由数模转换电路控制的电流，而当elVen2和elAen1闭合时，电流由电极el2流向el1。这样，通过开关阵列，很容易实现电极的选择，电流方向及刺激维持时间的控制。elIdle开关用于短接未被选中的电极以泄放残留的不平衡电荷。 图6 开关阵列结构示意图 3 芯片版图实现 植入刺激电路为一数模混合电路，035μM工艺流片，芯片总面积为9MM2，数字模块、高压模块、常压模块均单独供电，共使用77个PAd（37个高压PAd，40个常压PAd）。为保证能够测量各个组成电路的性能，各个模块间除了必要的连接外均相互独立，并且各个模块都有独立的测试PAd，具体版图如图7所示。 图7 版图实现 4 测试结果 因为电路的PAd数目比较多，同时各个模块都留有单独的测试PAd，所以首先单独封装测试了各个组成模块的性能，然后在此基础上进行了完整功能的测试。带隙基准源电路输出稳定的1.222V电压，基准的平均偏差（5片）为0.082％，片间偏差最大为0.82％，电压调整率为1838mV／V。数字控制模块、数模转换电路、压控电流源均正常工作，芯片整体工作正常，图5中电阻r上的电压测试波形变化如图8所示，刺激脉宽为50μs，在电极间负载为1500Ω时最大输出刺激电流为2MA，每通道刺激频率最高可达930脉冲／s。 图8 测试电极上电压输出 6 结论 本文设计了一种专用于16通道、电流脉冲刺激方式的人工耳蜗体内刺激电路，通过测试表明该芯片的各个组成部分均可以正常工作，指标满足设计的要求。该芯片可以产生16通道的双相刺激电流，电流大小2μA～2mA分1024级可调，无电流刺激时电极通过开关elIdle短接以泄放电极上的不平衡电荷，提高刺激的安全性。同时芯片具有一定的数据检错能力，当数据奇偶校验错误时，会放弃当前接受到的数据，继续进行下一帧数据的处理。