利用机械肌图信号连续估计FES引起的神经肌肉疲劳

《IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics》：Continuous Estimation of FES-Induced Neuromuscular Fatigue Using Mechanomyography Signals

生物植入物无线能量传输系统采用402 MHz片上天线和电压模式全集成谐振调节整流器（IR3），通过充电时序调节补偿电路实现0.3%低纹波系数，结合数字控制相位补偿方案提升瞬态响应，系统在1.5 mW负载下转换效率达65%，有效解决深层植入场景下低导纳耦合（<0.01）带来的能量传输难题。

　　

摘要：

本文设计了一种用于深层组织生物植入物的无线电力传输（WPT）系统，该系统由一个电压模式全集成谐振调节整流器（IR3）和一个工作在402 MHz频率的片上天线组成。所提出的IR3整流器包含一个200 pF的解耦电容，采用0.22 mm2的活性区域，并在180-nm CMOS工艺中实现。基于充电时间的调节补偿电路在1.8 V输出电压下提供了0.3%的低纹波系数和1.73的高电压转换效率（VCE），以克服由于深层植入环境导致的低电感耦合系数（小于0.01）问题。此外，还提出了一种基于时钟门控的电压控制延迟（VCDL）补偿方案，用于补偿IR3整流器的相位误差。通过在一个阶段同时完成整流和调节功能，IR3整流器有效提升了电力转换效率。整个系统在1.5 mW负载下的功率转换效率（PCE）达到了65%。此外，基于数字控制的补偿电路还改善了系统的瞬态响应性能：当负载从65 μW变化到1.5 mW时，响应时间仅为6.9 μs。

引言

近年来，微型化、安全可靠的无线电力植入设备在临床试验和诊断中得到了广泛应用，例如耳蜗植入物、视网膜植入物、皮质植入物和周围神经植入物[1]、[2]、[3]、[4]。其他研究也关注了深层组织的微型生物植入物，如心脏起搏器[5]。对于一些可穿戴传感器节点和表层植入物，使用厘米级的片外RX天线是可行的。然而，对于某些深层植入物（如植入式血压传感器），其尺寸受到严格限制，因为较大的植入物体积会增加血栓形成的风险[6]。另有研究表明，微型化植入物对植入部位环境的影响较小，能有效降低组织炎症和正常细胞死亡的概率[7]，因此有必要减小深层植入物的尺寸。由于提高工作频率可以有效减小无源设备的体积，将工作频率提升到亚GHz频段被认为是一种有效的减小深层生物植入物体积的方法[8]。然而，大多数无线供电植入物的工作频率低于50 MHz，其尺寸往往受到RX天线尺寸的限制。美国联邦通信委员会（FCC）将402-405 MHz频段分配给医疗植入通信服务（MICS）。在该频段工作的植入物可以使用片上线圈而非片外线圈，从而进一步实现微型化。此外，已有研究证明，在100 MHz以上频率下，毫米级植入物（如皮层电图（ECoG）和神经信号采集系统）是可以实现的[9]、[10]。在该频率范围内，谐振电感器和电容器可以集成在单个芯片上。