新型無線神經刺激器：尺寸最小、效率最高！

最新 04-13

近日，美國加州大學伯克利分校的工程師們研製出一款迄今為止體積最小、效率最高、由超聲波無線充電的神經刺激器。這項技術為一系列疾病的治療都帶來了新的機遇。

背景

聽起來有點像出現在科幻電影中的場景，2016年美國加州大學伯克利分校（University of California, Berkeley）研發出首個植入式、超聲波神經塵粒（neural dust）感測器。

研究人員稱，該神經塵粒項目的初衷是為了設計新一代腦機介面，使其運用於臨床，方便截癱患者操控電腦或者機械臂。這款神經塵粒感測器，可放入大腦中，監控內部神經和肌肉，也可放入器官中。未來，我們想要採用智能手環等可穿戴設備，實時監測人體內部的神經、肌肉或者器官，而這款神經塵粒感測器的出現使我們離這個目標更近了。

創新

近日，在神經塵粒的基礎上，伯克利的工程師們研製出一款迄今為止體積最小、效率最高的無線神經刺激器。

位於10美分硬幣上的無線神經刺激器

（圖片來源：Rikky Muller）

這款設備的英文名稱為「StimDust」，是stimulating neural dust（刺激神經的塵粒）的縮寫，在不犧牲神經塵粒技術的小體積和安全性的前提下，研究人員向其中添加了更為複雜的電子器件，從而極大地拓展了神經塵粒的應用範圍。研究人員的目標是，通過微創手術將 StimDust 植入人體中，採用因人而異的方法實時監測和治療疾病。

4月10日，在聖迭哥召開的IEEE定製集成電路大會（CICC）上，研究人員對於這項研究進行了展示。研究團隊由神經塵粒的發明者之一、伯克利電氣工程與計算機科學系教授 Michel Maharbiz 和伯克利電氣工程與計算機科學系助理教授 Rikky 共同領導。

技術

StimDust 的體積只有6.5立方毫米，通過超聲波無線供電。該設備使用超聲波為神經刺激供電的效率達82%。

Rikky Muller 表示：「StimDust 是最小的深部組織刺激器，我們意識到它能刺激外周神經系統中幾乎所有主要療法的目標物。該設備展現了一個願景，即我們想通過微創方法將微小設備植入人體，來調節或刺激外周神經系統。它已對一系列疾病展示出了療效。」

在伯克利的神經塵粒創造工作，由 Maharbiz 與伯克利電氣工程與計算機科學系教授、海倫威爾斯神經科學研究所成員 Jose Carmena 領導。這項為通過身體內由超聲波供電的微小植入式設備，與大腦和外周神經系統進行無線通信，打開了大門。全世界的工程師團隊都正在使用神經塵粒平台，打造超聲波無線充電的設備。

Maharbiz 想到了採用超聲波為非常微小的植入物供電以及與之通信。團隊與伯克利教授 Elad Alon 和 Jan Rabaey 一起開發出技術框架，演示了通過調節超聲波功率，使之用於植入式設備。

早期設計工作由Alon 和 Maharbiz 合作指導的伯克利博士生 D.J. Seo 完成，實驗驗證工作由Carmena 指導的另外一位伯克利研究生 Ryan Neely完成，他們一起為神經塵粒的開發奠定了基礎。神經塵粒發明後這些年來，超聲波被證明是為植入式設備供電並與之通信的最有前途的技術之一。

2016年，Muller 來到伯克利，成為了神經塵粒創新的關鍵驅動者。她的研究小組專攻人體雙向電子介面，特別是在大腦與外周神經系統中。她的團隊一直致力於設法利用能傳輸至神經塵粒的能量。在 StimDust 中，她的實驗室採用神經塵粒平台，構建出能包裹神經袖口（ cuff ）的更有效的刺激器，並且也可以記錄、傳輸和接收數據。他們設計了一個定製集成電路，以一種控制良好、安全且高效的方式，將超聲波電量傳輸至神經中。

相比研究團隊注意到的具有相似功能的任何有源器件，StimDust 的尺寸差不多要小一個數量級。StimDust 組件包括：一個作為天線的單獨的壓電晶體、一個1毫米的集成電路、一個電荷存儲電容。StimDust 的底部具有電極，通過一個包裹著神經的袖口與之接觸。除了這個設備，Muller 的團隊還設計了一個定製的無線協議，讓它們在保持效率的同時，具有長距離可編程性。整個設備的功率只有4毫瓦，重量10毫克。

StimDust 組件的詳細示意圖

（圖片來源：Rikky Muller）

在試驗台上測試 StimDust 之後，研究團隊將它植入到活的嚙齒目動物中，進行真實環境中的測試。研究團隊通過包裹著坐骨神經的袖口，控制動物的後腿運動，記錄刺激活動，並測量受到刺激後施加於後退肌肉的力有多大。然後，研究人員逐漸增加刺激，並對比後退肌肉的響應，從而準確地了解需要多少力來實現期望的肌肉運動，這是一種需要醫療器械的複雜分析方法。