新型无线神经刺激器：尺寸最小、效率最高！

导读

近日，美国加州大学伯克利分校的工程师们研制出一款迄今为止体积最小、效率最高、由超声波无线充电的神经刺激器。这项技术为一系列疾病的治疗都带来了新的机遇。

背景

听起来有点像出现在科幻电影中的场景，2016年美国加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）研发出首个植入式、超声波神经尘粒（neural dust）传感器。

研究人员称，该神经尘粒项目的初衷是为了设计新一代脑机接口，使其运用于临床，方便截瘫患者操控电脑或者机械臂。这款神经尘粒传感器，可放入大脑中，监控内部神经和肌肉，也可放入器官中。未来，我们想要采用智能手环等可穿戴设备，实时监测人体内部的神经、肌肉或者器官，而这款神经尘粒传感器的出现使我们离这个目标更近了。

创新

近日，在神经尘粒的基础上，伯克利的工程师们研制出一款迄今为止体积最小、效率最高的无线神经刺激器。

位于10美分硬币上的无线神经刺激器

（图片来源：Rikky Muller）

这款设备的英文名称为“StimDust”，是stimulating neural dust（刺激神经的尘粒）的缩写，在不牺牲神经尘粒技术的小体积和安全性的前提下，研究人员向其中添加了更为复杂的电子器件，从而极大地拓展了神经尘粒的应用范围。研究人员的目标是，通过微创手术将 StimDust 植入人体中，采用因人而异的方法实时监测和治疗疾病。

4月10日，在圣迭哥召开的IEEE定制集成电路大会（CICC）上，研究人员对于这项研究进行了展示。研究团队由神经尘粒的发明者之一、伯克利电气工程与计算机科学系教授 Michel Maharbiz 和伯克利电气工程与计算机科学系助理教授 Rikky 共同领导。

技术

StimDust 的体积只有6.5立方毫米，通过超声波无线供电。该设备使用超声波为神经刺激供电的效率达82%。

Rikky Muller 表示：“StimDust 是最小的深部组织刺激器，我们意识到它能刺激外周神经系统中几乎所有主要疗法的目标物。该设备展现了一个愿景，即我们想通过微创方法将微小设备植入人体，来调节或刺激外周神经系统。它已对一系列疾病展示出了疗效。”

在伯克利的神经尘粒创造工作，由 Maharbiz 与伯克利电气工程与计算机科学系教授、海伦威尔斯神经科学研究所成员 Jose Carmena 领导。这项为通过身体内由超声波供电的微小植入式设备，与大脑和外周神经系统进行无线通信，打开了大门。全世界的工程师团队都正在使用神经尘粒平台，打造超声波无线充电的设备。

Maharbiz 想到了采用超声波为非常微小的植入物供电以及与之通信。团队与伯克利教授 Elad Alon 和 Jan Rabaey 一起开发出技术框架，演示了通过调节超声波功率，使之用于植入式设备。

早期设计工作由Alon 和 Maharbiz 合作指导的伯克利博士生 D.J. Seo 完成，实验验证工作由Carmena 指导的另外一位伯克利研究生 Ryan Neely完成，他们一起为神经尘粒的开发奠定了基础。神经尘粒发明后这些年来，超声波被证明是为植入式设备供电并与之通信的最有前途的技术之一。

2016年，Muller 来到伯克利，成为了神经尘粒创新的关键驱动者。她的研究小组专攻人体双向电子接口，特别是在大脑与外周神经系统中。她的团队一直致力于设法利用能传输至神经尘粒的能量。在 StimDust 中，她的实验室采用神经尘粒平台，构建出能包裹神经袖口（ cuff ）的更有效的刺激器，并且也可以记录、传输和接收数据。他们设计了一个定制集成电路，以一种控制良好、安全且高效的方式，将超声波电量传输至神经中。

相比研究团队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个数量级。StimDust 组件包括：一个作为天线的单独的压电晶体、一个1毫米的集成电路、一个电荷存储电容。StimDust 的底部具有电极，通过一个包裹着神经的袖口与之接触。除了这个设备，Muller 的团队还设计了一个定制的无线协议，让它们在保持效率的同时，具有长距离可编程性。整个设备的功率只有4毫瓦，重量10毫克。

StimDust 组件的详细示意图

（图片来源：Rikky Muller）

在试验台上测试 StimDust 之后，研究团队将它植入到活的啮齿目动物中，进行真实环境中的测试。研究团队通过包裹着坐骨神经的袖口，控制动物的后腿运动，记录刺激活动，并测量受到刺激后施加于后退肌肉的力有多大。然后，研究人员逐渐增加刺激，并对比后退肌肉的响应，从而准确地了解需要多少力来实现期望的肌肉运动，这是一种需要医疗器械的复杂分析方法。

（图片来源：Rikky Muller）

价值

Muller 希望她的研究将带来 StimDust 的新应用，治疗心律不齐、慢性疼痛、哮喘以及癫痫。

Muller 表示：“我们研究小组的宏大愿景之一，就是创造这些非常高效的神经系统双向接口，使之与智能连接在一起，真正理解疾病信号，然后以一种智能的、有条不紊的方式治疗疾病。对于真正具有变革意义的康复应用来说，这是一个难以置信的机遇。”

关键字

神经、传感器、无线充电、超声波

参考资料

【1】http://news.berkeley.edu/2018/04/10/berkeley-engineers-build-smallest-volume-most-efficient-wireless-nerve-stimulator/

---

了解更多前沿技术文章，请点击“阅读原文”。咨询和交流，请联系微信：JohnZh1984