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多功能刺激后端,具有可编程指数电流脉冲形状,用于视网膜视觉假体。

Versatile Stimulation Back-End With Programmable Exponential Current Pulse Shapes for a Retinal Visual Prosthesis.

出版信息

IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2016 Nov;24(11):1243-1253. doi: 10.1109/TNSRE.2016.2542112. Epub 2016 Mar 30.

DOI:10.1109/TNSRE.2016.2542112
PMID:27046904
Abstract

This paper reports on the design, implementation, and test of a stimulation back-end, for an implantable retinal prosthesis. In addition to traditional rectangular pulse shapes, the circuit features biphasic stimulation pulses with both rising and falling exponential shapes, whose time constants are digitally programmable. A class-B second generation current conveyor is used as a wide-swing, high-output-resistance stimulation current driver, delivering stimulation current pulses of up to ±96 μA to the target tissue. Duration of the generated current pulses is programmable within the range of 100 μs to 3 ms. Current-mode digital-to-analog converters (DACs) are used to program the amplitudes of the stimulation pulses. Fabricated using the IBM 130 nm process, the circuit consumes 1.5×1.5 mm of silicon area. According to the measurements, the DACs exhibit DNL and INL of 0.23 LSB and 0.364 LSB, respectively. Experimental results indicate that the stimuli generator meets expected requirements when connected to electrode-tissue impedance of as high as 25 k Ω. Maximum power consumption of the proposed design is 3.4 mW when delivering biphasic rectangular pulses to the target load. A charge pump block is in charge of the upconversion of the standard 1.2-V supply voltage to ±3.3V.

摘要

本文报告了一种可植入视网膜假体刺激后端的设计、实现和测试。除了传统的矩形脉冲形状外,该电路还具有双相刺激脉冲,具有上升和下降指数形状,其时间常数可数字编程。采用 B 类第二代电流传输器作为宽摆幅、高输出电阻的刺激电流驱动器,可向目标组织提供高达 ±96μA 的刺激电流脉冲。生成的电流脉冲的持续时间可在 100μs 至 3ms 的范围内编程。电流模式数模转换器 (DAC) 用于编程刺激脉冲的幅度。该电路采用 IBM 130nm 工艺制造,占用 1.5×1.5mm 的硅面积。根据测量结果,DAC 的 DNL 和 INL 分别为 0.23LSB 和 0.364LSB。实验结果表明,当与高达 25kΩ 的电极-组织阻抗连接时,刺激发生器满足预期要求。当向目标负载输送双相矩形脉冲时,所提出设计的最大功耗为 3.4mW。电荷泵模块负责将标准的 1.2V 电源电压上转换为±3.3V。

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