1.本发明涉及电子和生物医学工程交叉技术领域，具体地，涉及一种全植入脑机接口系统的模块化结构。
背景技术：2.可植入生物电子学是一个新兴领域，其在改善治疗效果、降低医疗保健成本并改善生活质量等方面起着重要作用，并在现代社会中引起了广泛关注。考虑到体内温湿度环境与人体的免疫，以及植入后系统寿命、系统安全性、医疗监测限制性和生活便携性等因素，植入式器件尤其是全植入式系统的封装起到了至关重要的作用。
3.在植入式脑机接口系统方面，影响其性能的参数指标主要包含以下几个方面：脑机接口器件的通道数量、便携性、电磁兼容性、长期稳定性和功能多样化。
4.在脑机接口器件的通道数量方面，更高的通道数意味着更多的神经元信息，可以更加精确的分析大脑机理。2017年jun等人在国际著名杂质nature上发表题为“fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity”的论文，提出可实现960通道的脑机接口器件。2021年，上海交通大学wang等人发表题为“dense packed drivable optrode array for precise opticalstimulation and neural recording in multiple-brain regions”的论文，实现1024通道的脑机接口器件。除此之外，2021年欧洲微电子中心开发的硅基高密度cmos神经探针实现5120记录通道的高空间密度覆盖，但是因为其高功耗和庞大的数据量而只能使用有线的方式进行供电和数据传输，该机构研制的5120导cmos神经探针的为现阶段在体应用的最高植入通量脑机接口器件。虽然万导甚至数万导通道数的目标已成为国际广泛的目标追求，但由于脑机接口器件加工工艺、信号处理技术等多科学与技术领域的限制，目前还未能实现具备万导的全植入脑机接口系统。
5.在便携性方面，随着脑机接口技术的发展和人们生活水平的提高，以往有线脑机接口系统对患者的活动带来极大的限制。因此，无线脑机接口系统已成为脑机接口领域的重点发展方向。目前限制无线脑机接口系统发展的原因主要为两点：1、系统续航；2、系统体积。对于全植入脑机接口系统而言，需要由电池进行供能。然而电池的引入会造成脑机接口系统强烈的电磁伪影，这将无法对患者实现多方位、多参数核磁成像，很大程度上减少对患者病情的基本了解。为了保证长时间续航，脑机接口系统往往需要容量更大的电池。此外，温湿度传感、信号处理芯片、多功能脑机接口器件的集成以及电极通道和数量的增加都会使整个系统的体积增加，这将违背全植入脑机接口的初衷。为实现植入式无线系统结构，blackrock公司实现了商用化的无线96通道电生理采集模块。该系统结构虽然实现无线功能，但仍有两个主要缺点：1、通道数较少，且难以进行扩展；2、采用可拆卸式半植入方式，增加了接口暴露而感染的风险。
6.在电磁兼容方面，脑机接口方面的电磁兼容方案研究起步较晚、发展较慢，目前重点仅在脑机接口器件表面电极点的材料优化，多采用碳等非磁化材料避免在电磁兼容时，
带来电磁伪影等问题。而对于全植入式系统的应用而言，受限于电子、机械、生物等领域的多方面限制，目前全球范围内未见提出或研制出具备电磁兼容的脑机接口系统的相关报道。因此，实现脑机接口系统的电磁兼容将极大加快脑疾病与脑科学的研究进程。
7.长期稳定性方面，决定全植入系统长期稳定性的因素主要有两点：1、封装壳体的生物相容性；2、生物组织液的侵蚀。现有壳体多采用具备生物相容性的金属钛作为封装材料减少炎症反应，2019年发表的论文“an integrated brain-machine interface platform with thousands of channels”正是利用金属钛作为系统的壳体材料。系统植入体内后，生物组织液会以液体、蒸汽等方式对系统表面与内部进行侵蚀，研究机构采用电极和芯片直连的封装方式，并且直连部分无密封壳体保护，如neuropixels公司开发的两个版本神经像素探针、这种连接方式下封装区域易受脑组织液影响，造成芯片功能失效，仅适用于短期的在体应用。
8.功能多样化方面，这里脑机接口系统的多功能主要包含两点：1、脑机接口器件的多功能；2、大脑范围的多脑区。在器件多功能方面，电、光、药物等功能在脑科学与医学研究中都具备不可替代的地位，而集成更多的功能意味着更大的体积与更高的功耗，这对全植入脑机接口系统而言很难寻找平衡的中间点。目前全植入脑机接口系统大都采用电刺激与记录的方式，如2016年thomas等人结合血管造影的同轴导管技术将全植入式stentrode神经微电极通过血管植入进行长期的信号采集，生物相容性高，但该器件无法进行神经调控。其次在大脑范围的多脑区方面，大脑环路与多脑区协同研究领域是人类了解大脑工作机理的重要内容，需涉及多脑区记录与刺激，目前针对多脑区的研究主要集中在非植入的可穿戴脑机接口系统，在植入式脑机接口系统中，代表性的为2022年德国科学家chaudhary等人在期刊nature communication发表的题为“spelling interface using intracortical signals in a completely locked-in patient enabled via auditory neurofeedback training”的文章，该文章将犹他电极植入人类大脑辅助运动区和初级运动区，使患者通过听觉训练进行单词拼写。但该系统采用半植入方式，不具备高通道、电磁兼容性和便携性。
9.在现有全植入脑机接口系统的研究中，最具代表性的是2021年美国neuralink公司提出的全植入系统。该系统采用脑机接口器件与供能电池一体放置的架构，将电池、充电线圈、信号采集芯片、处理电路和脑电极集成在同一个封装内植入到猪脑内。结合以上方面，该系统具有以下特点：1、通道数实现1024导，与万导(10240导)差一个数量级；2、无线充电与全植入的方式使该系统具备便携性；3、由于电池与记录电极集成结构，使该系统不具备电磁兼容性；4、长期稳定性方面，该系统采用钛作为外壳，具备一定程度的生物相容性；5、功能多样化方面，该系统可实现电记录与电刺激两种功能。
10.综上所述，一个安全、可靠且具备医疗与科研价值的全植入脑机接口系统，最好具备以下特点：1、高通道数，突破现有国际通道瓶颈实现万导甚至数万导；2、具备便携性，实现全植入，将多功能化与小体积之间的抑制关系取得有效平衡点：3、具备电磁兼容性，避免电磁伪影的影响；4、具备长期稳定性，实现生物相容，减少免疫反应并防止生物组织液侵蚀；5、功能多样化，实现除电功能之外其他具备医疗与科研效果的功能，如光等。目前，除电磁兼容没有实现之外，其他几点都在单方面取得一定成果，但都没有进行结合。因此，亟需一种新的系统结构解决以上问题，实现有机统一，推动全植入式脑机接口系统在生活、娱乐、医疗和科研领域的跨越式进步。
技术实现要素：11.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种全植入脑机接口系统的模块化结构，可以实现全植入式脑机接口系统在大脑皮层和神经系统中长期稳定有效服役。
12.根据本发明的一个方面，提供一种全植入脑机接口系统的模块化结构，该模块化结构包括：
13.供能模块，用于为整个脑机接口系统内的器件和电路系统供能；
14.采集刺激模块，用于实现记录神经信号和刺激神经细胞中的至少一种功能；
15.连接模块，用于连接所述供能模块与所述采集刺激模块。
16.进一步地，所述供能模块包括第一壳体单元和设于所述第一壳体单元内的供能单元；所述第一壳体单元包括用于保护内部单元的第一壳体，所述第一壳体上开设有第一可扩展接口以及用于将所述供能模块固定到颅骨的第一固定孔，所述第一可扩展接口用于连接所述采集刺激模块以及扩展所述供能模块的数量；所述供能单元的供能方式采用内置电池和无线供能方式中的至少一种。
17.进一步地，所述第一壳体单元内部还设有分别与所述供能单元连接的第一数据处理单元和第一传感器单元；所述第一传感器单元用于监测所述供能模块的环境状态，所述第一传感器单元包括温度传感器、湿度传感器、气体传感器、压力传感器、加速度计和陀螺仪中的至少一种；所述第一数据处理单元用于实现处理所述采集刺激模块的记录信号、控制所述采集刺激模块的刺激指令、处理所述第一传感器单元采集的数据和处理无线供能数据中的至少一种。
18.进一步地，所述采集刺激模块包括第二壳体单元和设于所述第二壳体单元内的脑机接口器件；所述第二壳体单元包括用于保护内部单元的第二壳体，所述第二壳体上开设有第二可扩展接口以及用于将所述采集刺激模块固定到颅骨的第二固定孔，所述第二可扩展接口用于连接所述采集刺激模块以及扩展所述供能模块的数量；所述脑机接口器件具备采集功能和刺激功能中的至少一种，其中，所述采集功能包括采集脑电信号与脑内化学信号，所述刺激功能包括光刺激、电刺激、药物刺激和声刺激中的至少一种。
19.进一步地，所述第二壳体单元内部还设有第二数据处理单元和第二传感器单元；所述第二传感器单元包括温度传感器、湿度传感器、气体传感器、压力传感器、加速度计和陀螺仪中的至少一种；所述第二数据处理单元用于实现处理所述采集刺激模块的记录信号、控制所述采集刺激模块的刺激指令、处理所述第二传感器单元采集的数据和处理无线供能数据中的至少一种。
20.进一步地，所述脑机接口器件与所述第二数据处理单元之间采用三维通孔基板配合馈通的连接方式；所述脑机接口器件的尾端依次通过三维通孔基板和馈通基板与所述第二数据处理单元连接。
21.进一步地，所述第一壳体单元、所述供能单元、所述第一数据处理单元、所述第一传感器单元、所述第二壳体单元、所述脑机接口器件、所述第二数据处理单元和所述第二传感器单元的表面均设有生物钝化层，所述生物钝化层具有耐腐蚀性。
22.进一步地，所述第一壳体单元和所述第二壳体单元的壳体材料采用生物相容性金属、陶瓷和生物相容性聚合物中的至少一种；所述第一壳体单元和所述第二壳体单元的顶盖采用陶瓷材料形成，所述第一壳体单元和所述第二壳体单元的底座采用生物相容性金属
形成，所述顶盖与所述底座之间通过陶瓷金属化焊接的方式固定连接。
23.进一步地，所述连接模块用于所述供能模块与所述采集刺激模块之间的供能和信号连接，所述连接模块通过可拔插方式分别与所述供能模块和所述采集刺激模块连接；所述连接模块采用生物相容性材料形成，或者所述连接模块的表面具有生物相容性涂层。
24.进一步地，所述采集刺激模块、所述供能模块和所述连接模块均植入在头皮以下，所述采集刺激模块和所述供能模块通过嵌入头骨的方式或直接置于头骨的形式固定在头皮下方。
25.与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：
26.1、本发明通过将整个系统封装分为采集刺激模块、供能模块和连接模块的模块化结构设计，可实现突破性效果有：
①
由于采集刺激电极远离电池，将避免电池产生的电磁伪影，进而实现电磁兼容，如可兼容功能性磁共振成象(fmri)等；
②
实现多脑区采集与刺激，利于多脑协同与神经环路的研究与治疗。
27.2、本发明通过各模块可扩展的方式，可实现有益效果有：
①
在受限于现有电子、机械、生物等领域发展技术的综合瓶颈下，找到合理突破点，通过可扩展的方式，实现万导甚至数万导或更高密度的记录与刺激；
②
多模块与可扩展的设计可实现全植入脑机接口系统中脑机接口器件的多功能，可扩展的模块可有效分担电、光、药、声和热等多功能带来的信号、功耗和体积等负担，实现全植入脑机接口系统的多功能；
③
长时间续航，供能模块的可扩展可灵活解决全植入脑机接口系统因多功能、多通道带来的高耗能的问题，也极大提高使用者的生活便利性。
28.3、本发明通过壳体内外生物涂层的方式，利用壳体材料与生物涂层的双重保护，提高脑机接口系统的生物相容性。
29.4、本发明通过原位三维通孔基板流片与馈通连接相结合的方式，极大提高脑机接口系统的气密性，防止生物组织液通过液体或蒸汽方式进入系统内部并进行侵蚀。
附图说明
30.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
31.图1为本发明一实施例的全植入脑机接口系统的模块化结构的结构示意图；
32.图2为本发明一实施例的供能模块的结构示意图；
33.图3为本发明一实施例的采集刺激模块的结构示意图。
34.图中：1为供能模块，11为第一壳体单元，111为第一可扩展接口，112为第一固定孔，12为供能单元，13为第一数据处理单元，2为采集刺激模块，21为第二壳体单元，211为第二可扩展接口，212为第二固定孔，22为第二传感器单元，23为第二数据处理单元，24为馈通基板，25为三维通孔基板，26为脑机接口器件，261为脑机接口器件尾端，262为脑机接口器件前端，3为连接模块。
具体实施方式
35.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术
人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“上”、“下”等指示的方位和位置关系是基于附图所示的方位和位置关系，仅用于方便描述本发明和实施方式，并不表明所涉及部分必须具有所述特定的方位和位置组合，因此不能理解为对本发明的限制。
36.参照图1，为本发明一实施例提供的全植入脑机接口系统的模块化结构的结构示意图，该模块化结构包括：供能模块1、采集刺激模块2以及连接模块3，其中，供能模块1用于为整个脑机接口系统内的器件和电路系统供能；采集刺激模块2用于实现记录神经信号和刺激神经细胞中的至少一种功能；连接模块3用于连接供能模块1与采集刺激模块2。供能模块1与采集刺激模块2分别固定到颅骨，采集刺激模块2与供能模块1分离设置，由于采集刺激模块2远离供能模块1，能够避免内置电池与无线功能单元等对采集刺激带来的干扰以及核磁伪影或电磁伪影问题，进而实现电磁兼容，如可兼容功能性磁共振成象(fmri)等；另外，还可以实现多脑区采集与刺激，利于多脑协同与神经环路的研究与治疗。该全植入脑机接口系统的模块化结构，通过将供能模块1和采集刺激模块2两个脑机接口模块分开的方式，使得脑机接口系统兼具全植入、经皮无线供能、多脑区刺激与记录、电磁兼容、通道可扩展等优势，为脑机接口系统在体长期稳定性和植入便携性提供了具有高度可行性的解决方案。
37.为实现脑机接口系统的全时段供能，参照图2，在一些具体的实施方式中，供能模块1包括第一壳体单元11和设于第一壳体单元11内的供能单元12；第一壳体单元11包括用于保护内部单元的第一壳体，第一壳体上开设有第一可扩展接口111以及用于将供能模块1固定到颅骨的第一固定孔112，第一可扩展接口111用于连接采集刺激模块2以及扩展供能模块1和采集刺激模块2的数量；供能单元12的供能方式采用内置电池如内置一次性电池和无线供能方式中的至少一种，以实现体内长期测量，具体地，供能单元12包括用于蓄能的电池和与电池搭配的相关电路；当采用无线供能即无线充电方式时，还包括无线供能的相关元件。
38.在一些优选的实施方式中，第一壳体单元11内部还设有分别与供能单元12连接的第一数据处理单元13和第一传感器单元，供能单元12用于为第一数据处理单元13和第一传感器单元供电；第一传感器单元用于监测供能模块1的环境状态，第一传感器单元包括温度传感器、湿度传感器、气体传感器、压力传感器、加速度计和陀螺仪中的至少一种；第一数据处理单元13用于实现处理采集刺激模块2的记录信号、控制采集刺激模块2的刺激指令、处理第一传感器单元采集的数据和处理无线供能数据中的至少一种。
39.在一些具体的实施方式中，采集刺激模块2包括第二壳体单元21和设于第二壳体单元21内的脑机接口器件26；第二壳体单元21包括用于保护内部单元的第二壳体，第二壳体上开设有第二可扩展接口211以及用于将采集刺激模块2固定到颅骨的第二固定孔212，第二可扩展接口211用于连接供能模块1以及扩展供能模块1和采集刺激模块2的数量，连接模块3用于供能模块1对多个采集刺激模块2的供电线，通过第一可扩展接口111和第二可扩
展接口211连接供能模块1和采集刺激模块2，用于供能模块1向多个采集刺激模块2的供能；脑机接口器件26具备采集功能和刺激功能中的至少一种，其中，采集功能包括采集脑电信号与脑内化学信号，刺激功能包括光刺激、电刺激、药物刺激和声刺激中的至少一种。
40.在一些优选的实施方式中，第二壳体单元21内部还设有第二数据处理单元23和第二传感器单元22；第二传感器单元22包括温度传感器、湿度传感器、气体传感器、压力传感器、加速度计和陀螺仪中的至少一种；第二数据处理单元23用于实现处理采集刺激模块2的记录信号、控制采集刺激模块2的刺激指令、处理第二传感器单元22采集的数据和处理无线供能数据中的至少一种，与第一数据处理单元13相比，第二数据处理单元23还可以处理脑机接口器件26记录到的神经信号；以及可以接收脑外的上位机传输的无线控制信号，并且向脑外的上位机无线传输脑机接口器件26记录的神经信号。具体地，第二数据处理单元23用于对记录的神经细胞信号进行滤波、放大、压缩、传输等处理，控制传输脑机接口器件的刺激方式，并记录、传输、处理第二传感器单元22的测试数据。
41.本发明实施例中模块化的封装方式采用可扩展接口，采集刺激模块2和供能模块1上均设有可扩展接口用来进行模块数量与功能可扩展；采集刺激模块2和供能模块1没有数量限制且可扩展，连接线长度没有限制，本发明实施例通过各模块可扩展的方式，在受限于现有电子、机械、生物等领域发展技术的综合瓶颈下，找到合理突破点，通过可扩展的方式，实现万导甚至数万导或更高密度的记录与刺激；其次，多模块与可扩展的设计可实现全植入脑机接口系统中脑机接口器件的多功能，可扩展的模块可有效分担电、光、药、声和热等多功能带来的信号、功耗和体积等负担，实现全植入脑机接口系统的多功能；另外，长时间续航，供能模块1的可扩展可灵活解决全植入脑机接口系统因多功能、多通道带来的高耗能的问题，也极大提高使用者的生活便利性。
42.脑机接口器件26包括脑机接口器件尾端261和脑机接口器件前端262，脑机接口器件前端262位于第二壳体单元21外部，用于植入脑组织以记录神经信号并刺激神经细胞；第二壳体单元21内部自上而下分别为第二传感器单元22、第二数据处理单元23、板24、三维通孔基板25和脑机接口器件尾端261。在一些具体的实施方式中，脑机接口器件26与第二数据处理单元23之间采用三维通孔基板嵌入式馈通的连接方式；具体地，脑机接口器件26的尾端依次通过三维通孔基板25和馈通基板24与第二数据处理单元23连接。
43.在一些具体的实施方式中，三维通孔基板25通过硅通孔互联技术(tsv)、玻璃通孔互联技术(tgv)和陶瓷通孔互联技术(tcv)中的任意一种制作，三维通孔基板25的材料可以选用桂、玻璃和陶瓷中的任意一种。馈通基板24、三维通孔基板25、第二数据处理单元23各部件之间的连接采用球状引脚栅格阵列封装技术(bga)、薄型小尺寸封装技术(tsop)和各向异性导电胶技术中的任意一种。优选地，脑机接口器件26与数据处理单元23之间通过三维通孔基板25和馈通基板24连接，采集刺激模块2中采集与刺激电极通过馈通技术建立与模块内部的连接，防止模块内部电路、器件等受到体内环境的长期侵蚀，利于提高长期稳定性。具体地，三维通孔基板25与脑机接口器件26通过微纳加工工艺原位流片同时制备而成，然后利用bga球焊工艺将三维通孔基板25和馈通基板24实现电气连接。本发明实施例通过原位三维通孔基板流片与馈通连接相结合的方式，极大提高脑机接口系统的气密性，防止生物组织液通过液体或蒸汽方式进入系统内部并进行侵蚀。
44.为提高脑机接口系统的生物相容性，在一些具体的实施方式中，第一壳体单元11、
供能单元12、第一数据处理单元13、第一传感器单元、第二壳体单元21、脑机接口器件26、第二数据处理单元23和第二传感器单元22的表面均设有生物钝化层，生物钝化层具有耐腐蚀性。优选地，壳体单元的外部、传感器单元的表面、数据处理单元的表面和脑机接口器件26的表面沉积聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、二氧化硅和碳化硅等至少一种。
45.为进一步提高脑机接口系统的生物相容性，在一些优选的实施方式中，第一壳体单元11和第二壳体单元21的壳体材料采用生物相容性金属、陶瓷和生物相容性聚合物中的至少一种；为便于无线能量透过，第一壳体单元11和第二壳体单元21的顶盖采用陶瓷材料形成，第一壳体单元11和第二壳体单元21的底座采用生物相容性金属如钛合金等形成，能够保证供能模块1和采集刺激模块2的强度，顶盖与底座之间通过陶瓷金属化焊接的方式固定连接，采用陶瓷金属化工艺，利用无铅焊料实现陶瓷与金属的焊接，能够保证连接的可靠性。本发明实施例通过壳体内外生物涂层的方式，利用壳体材料与生物涂层的双重保护，能够有效提高脑机接口系统的生物相容性。
46.在一些具体的实施方式中，连接模块3用于供能模块1与采集刺激模块2之间的供能和信号连接，为方便供能模块1和采集刺激模块2的可扩展功能，优选地，连接模块3通过可拔插方式分别与供能模块1和采集刺激模块2连接；连接模块3采用生物相容性材料形成，或者连接模块3的表面具有生物相容性涂层。
47.本发明实施例中模块化的封装方式，能够实现集成最大化，有利于皮下全植入。在一些具体的实施方式中，采集刺激模块2、供能模块1和连接模块3均植入在头皮以下，采集刺激模块2和供能模块1通过嵌入头骨的方式或直接置于头骨的形式固定在头皮下方。优选地，为增加便携性与美观性，采用嵌入头骨的方式植入在头皮以下。
48.本发明实施例中供能模块1的工作原理如下：通过无线供能方式接收能量后经由内含阻抗匹配电路、能量恢复电路和后级电路的供能单元12对供能单元12内的电池充电。同理，整个供能模块1的第一壳体单元11采用散热性能好的封装材料，采用“陶瓷-金属”异种材料焊接封装。供能模块1的顶盖处采用陶瓷材料，便于无线能量透过。供能模块1的基座采用钛合金等生物相容材料，并一定程度保证供能模块1的强度。陶瓷-金属连接处，采用陶瓷金属化工艺，利用无铅焊料实现陶瓷与金属的焊接。在可充电植入式电池的选择上，既要满足高安全性和可靠性，同时也要考虑包括能量密度、功率密度、自放电、放电曲线、充放电容等，在电池尺寸和系统供电时间/充电时间的要求上达到最佳平衡。第一壳体单元11外部、供能单元12表面、第一数据处理单元13表面沉积聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、二氧化硅和碳化硅等至少一种，以提高脑机接口系统的生物相容性。
49.本发明实施例中采集刺激模块2的工作原理如下：第二壳体单元21采用与第一壳体单元11相同的设计方案。颅骨打孔并去除脑膜后，将脑机接口器件前端262植入到脑组织内部，用来记录神经信号并刺激神经细胞；脑机接口器件尾端261依次与三维通孔基板25和馈通基板24相连接；记录到的神经信号传入到第二数据处理单元23进行信号处理，经过低噪声信号放大、高精度低功耗模数转换、高效率无损数据压缩等处理后，通过无线传输传到上位机；可采用的植入式无线数据传输的方式包括蓝牙、wifi、红外无线以及低功耗无线传输(如ism band zigbee，medical bodyarea network)等中的任意一种。同理，对于神经细
胞的刺激控制与记录流程正好相反。刺激指令通过无线传输到第二数据处理单元23，通过第二数据处理单元23中具有电荷平衡的可编程多模式高精度电刺激器进行刺激；电刺激器中刺激电流控制可采用高精度双相数模转换技术，确保通过电极的净电荷为零，避免因电荷累积引起的损伤。第二传感器单元22包括温度传感器与湿度传感器对供能模块1与采集刺激模块2的状态进行监控。
50.限于目前mems工艺加工精度水平、神经元有效采集大小、脑机接口界面阻抗需求和材料基底等条件，目前脑机接口通道数无法达到万导。本发明实施例通过模块化的设计，可极大降低单脑机接口器件在高通道数方面所需的技术难度，实现总通道数达到万导甚至数万导。
51.另外，更高的通道数导致更高的功耗，为保证续航，需要增大脑机接口系统体积，因此高通道数与便携性在结合方面拥有相互抑制效果。本发明实施例中模块化的结构可使供能与采集通道分开，减少集成单模块式系统体积实现便携性，除此之外，模块化的结构可使供能模块化，多电池的引入能够大大提高系统续航，解决系统续航方面的问题。
52.在电磁兼容方面，大部分的金属都会带来电磁伪影的问题，在全植入式脑机接口系统中，电池带来的问题中最限制应用的是电磁伪影。但要实现全植入，必须引入电池进行供能。基于现有脑机接口技术，集成式脑机接口系统研究较多，旨在将脑机接口与电池集成到同一封装壳体之内，这种的好处是手术较为方便，仅需植入一个位置，但该结构最高实现千通道，为了实现全植入，有限的体积内必然牺牲一部分器件功能和系统性能；并且，这种集成式的结构直接将电池置于器件上方，将电池的影响最大化，无法实现电磁兼容。本发明实施例提供模块化结构可使器件与电池分离，将电池远离病灶或研究点，最大限度减少电磁伪影对脑机接口器件的影响，实现电磁兼容。
53.在生物相容性方面，本发明实施例提供三维通孔基板流片与馈通连接的方案，可有效阻挡生物组织液对系统内部的侵蚀，提高系统长期稳定性。本发明实施例提供的壳体与内部电路外表面沉积生物钝化层的方式，可二次保护内部电路并减少脑内组织对系统的免疫反应。
54.在功能多样化、高通道数、长续航和全植入便携性结合方面，脑机接口器件的多功能同样导致系统体积占用和功耗的提升，集成式的结构无法给诸如药物、声和光等刺激方式以及引入的多处理芯片提供足够的空间，并且该种方式引入的高耗能会使系统续航大大降低，续航的降低不仅使系统实际应用能力下降，还会导致无法采取足够的数据量，影响临床诊断与科学研究。本发明实施例提供模块化结构，可通过扩展采集刺激模块与供能模块的方法，有效分担器件多功能对系统带来的压力，将功能多样化、高通道数、长续航和便携性方面结合的难度分解成单功能和低通道的难度。并且，模块化结构还可通过连接模块使脑机接口器件遍布所需脑区，满足神经环路和多脑区协同的研究要求，这也是集成式结构无法做到的。
55.本领域技术人员可以理解的是，本发明实施例中全植入脑机接口系统的模块化结构除了包括上述的壳体单元、数据处理单元、数据处理单元与脑机接口器件的连接单元、脑机接口器件、传感器单元和供能单元外，还可以根据实际情况设置其他电路单元。需要说明的是，任何将采集与刺激功能与供能功能分开的设计思路都属于本发明的保护范围。
56.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述
特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。
技术特征：1.一种全植入脑机接口系统的模块化结构，其特征在于，包括：供能模块，用于为整个脑机接口系统内的器件和电路系统供能；采集刺激模块，用于实现记录神经信号和刺激神经细胞中的至少一种功能；连接模块，用于连接所述供能模块与所述采集刺激模块。2.根据权利要求1所述的全植入脑机接口系统的模块化结构，其特征在于，所述供能模块包括第一壳体单元和设于所述第一壳体单元内的供能单元；所述第一壳体单元包括用于保护内部单元的第一壳体，所述第一壳体上开设有第一可扩展接口以及用于将所述供能模块固定到颅骨的第一固定孔，所述第一可扩展接口用于连接所述采集刺激模块以及扩展所述供能模块的数量；所述供能单元的供能方式采用内置电池和无线供能方式中的至少一种。3.根据权利要求2所述的全植入脑机接口系统的模块化结构，其特征在于，所述第一壳体单元内部还设有分别与所述供能单元连接的第一数据处理单元和第一传感器单元；所述第一传感器单元用于监测所述供能模块的环境状态，所述第一传感器单元包括温度传感器、湿度传感器、气体传感器、压力传感器、加速度计和陀螺仪中的至少一种；所述第一数据处理单元用于实现处理所述采集刺激模块的记录信号、控制所述采集刺激模块的刺激指令、处理所述第一传感器单元采集的数据和处理无线供能数据中的至少一种。4.根据权利要求3所述的全植入脑机接口系统的模块化结构，其特征在于，所述采集刺激模块包括第二壳体单元和设于所述第二壳体单元内的脑机接口器件；所述第二壳体单元包括用于保护内部单元的第二壳体，所述第二壳体上开设有第二可扩展接口以及用于将所述采集刺激模块固定到颅骨的第二固定孔，所述第二可扩展接口用于连接所述采集刺激模块以及扩展所述供能模块的数量；所述脑机接口器件具备采集功能和刺激功能中的至少一种，其中，所述采集功能包括采集脑电信号与脑内化学信号，所述刺激功能包括光刺激、电刺激、药物刺激和声刺激中的至少一种。5.根据权利要求4所述的全植入脑机接口系统的模块化结构，其特征在于，所述第二壳体单元内部还设有第二数据处理单元和第二传感器单元；所述第二传感器单元包括温度传感器、湿度传感器、气体传感器、压力传感器、加速度计和陀螺仪中的至少一种；所述第二数据处理单元用于实现处理所述采集刺激模块的记录信号、控制所述采集刺激模块的刺激指令、处理所述第二传感器单元采集的数据和处理无线供能数据中的至少一种。6.根据权利要求5所述的全植入脑机接口系统的模块化结构，其特征在于，所述脑机接口器件与所述第二数据处理单元之间采用三维通孔基板配合馈通的连接方式；所述脑机接口器件的尾端依次通过三维通孔基板和馈通基板与所述第二数据处理单元连接。7.根据权利要求5所述的全植入脑机接口系统的模块化结构，其特征在于，所述第一壳体单元、所述供能单元、所述第一数据处理单元、所述第一传感器单元、所述第二壳体单元、所述脑机接口器件、所述第二数据处理单元和所述第二传感器单元的表面均设有生物钝化层，所述生物钝化层具有耐腐蚀性。
8.根据权利要求4所述的全植入脑机接口系统的模块化结构，其特征在于，所述第一壳体单元和所述第二壳体单元的壳体材料采用生物相容性金属、陶瓷和生物相容性聚合物中的至少一种；所述第一壳体单元和所述第二壳体单元的顶盖采用陶瓷材料形成，所述第一壳体单元和所述第二壳体单元的底座采用生物相容性金属形成，所述顶盖与所述底座之间通过陶瓷金属化焊接的方式固定连接。9.根据权利要求1-8任一项所述的全植入脑机接口系统的模块化结构，其特征在于，所述连接模块用于所述供能模块与所述采集刺激模块之间的供能和信号连接，所述连接模块通过可拔插方式分别与所述供能模块和所述采集刺激模块连接；所述连接模块采用生物相容性材料形成，或者所述连接模块的表面具有生物相容性涂层。10.根据权利要求1-8任一项所述的全植入脑机接口系统的模块化结构，其特征在于，所述采集刺激模块、所述供能模块和所述连接模块均植入在头皮以下，所述采集刺激模块和所述供能模块通过嵌入头骨的方式或直接置于头骨的形式固定在头皮下方。
技术总结本发明提供一种全植入脑机接口系统的模块化结构，包括供能模块、采集刺激模块和连接模块，其中，供能模块用于为整个脑机接口系统内的器件和电路系统供能；采集刺激模块用于实现记录神经信号和刺激神经细胞中的至少一种功能；连接模块用于连接供能模块与采集刺激模块。本发明的模块化结构能够使脑机接口系统兼具全植入、经皮无线供能、多脑区刺激与记录、电磁兼容、万导及以上通道、续航时间长、可扩展等优势，可以实现全植入式脑机接口系统在大脑皮层和神经系统中长期稳定有效服役。层和神经系统中长期稳定有效服役。层和神经系统中长期稳定有效服役。
技术研发人员：刘景全 徐庆达 王隆春 郭哲俊
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2022.07.18
技术公布日：2022/11/1
