利用射頻積体電路於植入式神經環電刺激之運動控制研究(2/2)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

利用射頻積体電路於植入式神經環電刺激之運動控制研究 (2/2)

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC91-2213-E-006-061-

執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立成功大學醫學工程研究所

計畫主持人： 陳家進

共同主持人： 朱銘祥，林志勝

報告類型： 完整報告

處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 92 年 10 月 30 日

I

目錄

中文摘要… … … II 英文摘要… … … III

一、 緣由與目的… … … ..1

二、 系統架構與控制方法… … … .2

三、 結果與討論… … … 4

四、 計畫成果自評… … … 7

五、 參考文獻… … … 7

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

利用射頻積體電路於植入式神經環電刺激之運動控制研究 Apply Radio Frequency IC for Motor Control Studies of

Implanted Nerve Cuff Stimulation 計畫編號：NSC 91－2213－E－006－061－

執行期間： 91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日

計畫主持人：陳家進 國立成功大學 醫學工程研究所 計畫參與人員：朱銘祥 國立成功大學 機械工程研究所

林志勝 國立成功大學 醫學系神經科

中英文摘要

本研究利用一具無線能量傳輸及雙向資料傳輸的通訊介面，以做為神經環電 極配合電刺激器作為動作控制後訊號回傳之植入式訊號監測系統；植入神經本體 上配合生物力學方式評估生物體痙攣的情形；進一步做為新發展痙攣抑制治療效 果的客觀評估工具。可植入式元件接收外部所傳遞的命令訊號，並依命令所指示 來擷取所需要的生理訊號，以差動儀表及放大器及操作放大器為類比前端及放大 器。並使用類比數位轉換器，可以將以擷取之生理訊號與數位化，並經過被動式 的射頻傳輸方式將此數位資料經由無線傳輸方式至體外。此種傳輸方式為負載調 變方式，允許透過同一個無線射頻電磁波傳輸能量及資料。其特點為無線植入 式、體積小、重量輕且不需電源可持續使用，且利用此植入式微系統可直接取得 所需的神經訊號。牽張反射乃是生物體動作控制上重要的反射機制；不正常的牽 張反射導致痙攣之發生。本前置實驗在活體紐西蘭白兔上進行，探討正常動物體 之表現，建立正常模型之基本比對資料庫。未來將在所建立的具痙攣之動物模型 上，利用所發展的評估方式及儀器記錄其痙攣發生的進程；並以此作為療效的評 估之比較標準。

本研究目前我們已經將以離散電子元件成功設計、實現與測試完成的雙向植 入式感測器植入動物體內。其最大傳輸速度可達 125 kbps，而發射線圈與接收線 圈的傳輸距離允許 5 公分以內，並在發射線圈的外圍內允許側向偏移，成功擷 取到與動作控制相關之神經訊號。而植入單元微感測器系統，利用離散電子元件 實現在 20×40 mm²矩形雙面印刷電路板上，整體功率消耗在 70mW 及使用 3-V 電源，並提供與不同的換能器搭配使用。

關鍵詞：無線傳輸、可植入式生醫感測系統、電磁耦合、神經訊號、牽張反射、

痙攣

III

Abstract

This research presents our approach of recording ENG from peripheral nerve via implantable stimulating/sensing device with measurement of reactive torque to evaluate spasticity in animal model. The entire system includes transmission of power supply and bi-directional data between implant and external part. The external unit transmits the commands as well as the power necessary for the internal unit via inductive coupling. The low power consumption and small in size design requires no battery for the internal unit, which significantly reduces the size of implanted sensing device. Stretch reflex is a velocity-dependent phenomenon and exaggerated stretch reflex results in spasticity. First, we investigated the responses associated with stretch reflex in normal animal model to set up the database for future comparison with spastic animal model. The evaluation of the spastic limb was evaluated in a pneumatic torque measurement device, combined with ENG recording. This technology shall be useful for the assessing the spasticity suppression in the spastic animal model and recording the progresses of spasticity.

Currently, we have successfully implemented all the functional blocks of bi-directional implantable sensing device system into the rabbit’s hind limb. The maximal read-out transmission rate can reach around 125 kbps when the distance between the transmitter coil and receiver coil is within 5 cm. Within this transmission distance, the ENG would be recorded, because the lateral displacement of receiver coil is allowed as long as it is inside the area of transmitting coil. The overall implantable sensing device including the RF interface circuitry dissipates 70 mW of power from a 3-V supply and occupies 20×40 mm² of area.

Keywords : Implantable sensing device, wireless transmission, class-E amplifier, ENG, stretch reflex, spasticity

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

利用射頻積體電路於植入式神經環電刺激之運動控制研究 Apply Radio Frequency IC for Motor Control Studies of

Implanted Nerve Cuff Stimulation 計畫編號：NSC 91－2213－E－006－061－

執行期間： 91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日

計畫主持人：陳家進 國立成功大學 醫學工程研究所 計畫參與人員：朱銘祥 國立成功大學 機械工程研究所

林志勝 國立成功大學 醫學系神經科

一、緣由與目的

神經義肢[1-3]是恢復人類因神經系統損傷而無法完全再生的感官或運動功 能的一主要研究，其基本原理為利用人體因受損後但仍殘餘的運動或感覺神經系 統，配合其它感測器或應用調變的電刺激，使人能重新恢復感官知覺或運動功 能。而在於生理訊號監測方面，生理訊號的取得在臨床上診斷及治療皆扮演重要 的角色。舉例來說，在接受心臟移植或是繞道手術後之病人就極需要監測其心臟 活動。近年來，植入式的偵測系統已被應用在動物實驗及醫療照護上，如心電圖、

肌電圖及神經訊號的量測以及眼內壓、血壓及血流的監測等等[4-8]。

在動作控制方面，牽張反射（ stretch reflex）是動作控制中重要的反射機制，

當生物體之肌肉受到牽張拉長時，會興奮肌梭（ muscle spindle）產生神經訊號經 由專屬之神經纖維（Ia fiber）傳回中樞，並受到腦皮質及脊髓興奮及抑制的調變 來達到動作控制的目的。在中樞神經受損的患者如中風、脊髓損傷及腦性麻痺等 等，其缺乏或是異常來自腦皮質的抑制訊號，使得牽張反射的情形加劇造成病患 肌肉張力上升，進而影響正常功能性動作的完成。此種張力異常的情形稱做痙攣

（spasticity），目前對於此種症狀的抑制並無一理想的治療。利用植入式微感測 器直接偵測神經訊號可作為微電刺激器控制指令並作為迴授控制，以期利用神經 義肢來達到痙攣抑制的效果而近年來因微電子科技及微加工技術的迅速發展，有 賴於微機電技術於小區域製造成許多微電極陣列或控制器，各式新式的神經介面 人工耳蝸、人工視覺晶片及恢復癱瘓肢體的動作的功能性神經肌肉刺激等研究均 有顯著地進展。

本研究的目的在於（1）設計一無線傳輸[9]的微電極控制器，以作為植入式 生醫感測系統之應用。微電刺激系統包含著許多先進的觀念，以國外的發展目前 還在單通道的實驗室測試階段，離真正的商品化應用還有一段距離，而且陸續有 更新的技術加入並朝雙向傳輸發展，例如效率更高的功率放大器或是更好的電磁

2

耦合方式。（2）利用此植入式微系統，量測動作控制相關之神經訊號作為發展 抑制痙攣新治療方法的控制及療效評估。微鑑於國內微電極或其它神經介面及生 理訊號監測平台技術之研發尚屬於萌芽期，目前研究暫以實驗室製作及動物實驗 為主，而著重於核心技術的開發為主，以期促進國內微機電技術於神經界面及生 醫訊號量測之研究，進而提升動作控制之研究至一全新層次的研究領域。

二、系統架構與控制方法 系統研發架構

植入式生醫感測系統整體架構可由圖一表示，由體外控制器及發射器將植入 式生醫感測系統所需之電源與下達命令，以線圈電磁偶合的方式傳入體內接收運 用。可植入式元件接收外部所傳遞的命令訊號，並依命令所指示來擷取所需要的 生理訊號，以差動儀表及放大器及操作放大器為類比前端及放大器。並使用類比 數位轉換器，可以將以擷取之生理訊號與數位化，並經過被動式的射頻傳輸方式 將此數位資料經由無線傳輸方式至體外。此種傳輸方式為負載調變方式，允許透 過同一個無線射頻電磁波傳輸能量及資料。

植入體內的系統將接收到的射頻載波能量，經由整流器及電壓調整器轉換成 穩定電壓提供植入式系統使用。無線發射的資料同時經由接收解調電路，將命令 解碼接收並提供決定植入式感測器擷取之頻道，經由環型電極將神經上的訊號擷 取，達到即時監測之目的。

圖一 植入式生醫感測系統整體架構圖

在無線發射系統中，使用E 類放大器以精簡電路特性設計一高效率透膚式 能量與資料發射器，如圖二所示。透過發射線圈產生2-MHz 載波頻率，以振幅 調變方式(ASK)將數位訊號夾帶在載波發射，自我震盪回饋控制機制史發射效率 維持在最佳狀況。

圖二 高效率E 類發射器電路架構圖

在植入部分包含接收及發射線圈、ASK解調器、LSK調變模組、儀表放大器 及內部的微控制器。2-MHz 的射頻載波接收經由橋式整流器與電壓調整轉換成 穩定電壓供應所有植入式系統，時也將載波轉換成控制系統所需的時脈。而接收 線圈接收振幅調變的RF 訊號，透過波峰檢測器與高通濾波器所組成的ASK 解 調器，將資料解調並送至控制單元做解碼程序，控制單元依據資料解碼藉由控制 數位類比轉換器產生類比訊號，而體內所擷取到的訊號經過率波儀表放大之後利 用LSK調變。

動物神經訊號之量測

本實驗利用此微感測配合環形電極植入神經本體上搭配生物力學方式評估 生物體動作控制的情形；進一步實現動作控制研究的可行性而牽張反射為動作控 制上重要的反射機制。本實驗在活體紐西蘭白兔上進行，探討正常動物體牽張反 射之表現。由於牽張反射的表現與速度有相依的關係，所以在神經訊號的擷取上 將配合不同的速度來探討其神經電生理及力學反應。

首先將三個以 Polyimide 為基底的兩極環型電極（極距為 0.7 公分）分別置 於以 Ketamine 麻醉之紐西蘭白兔之坐骨神經、脛骨神經及腓骨神經上（如圖三 所示）後端接上植入式微感測系統將以此擷取神經訊號。之後將兔子之踝關節固

4

定於氣壓驅動之力矩量測及牽張夾具上，施以不同的牽張速度，分別為１Hz、

1.5 Hz 及２Hz，讓兔子踝關節於一定範圍(約四十度之範圍內)下來做弦波氏回擺 動，並同時擷取踝關節所產生的反應力矩值。所擷取的神經訊號(擷取頻率為 10K Hz)經後端植入式微感測器訊號放大後傳出至外部的接收器，經 RS232 再回傳至 個人電腦，作離線分析。

圖三 環形電極之相關位置

三、結果與討論

圖四 可植入式生醫感測系統完成圖

圖四為整體可植入式生醫感測系統完成圖，此生理訊號無線傳輸模組之系統 功能方塊的設計，可區分為外部單元及體內植入單元兩大部份。外部單元包含設

Peroneal N.

Tibial N.

Sciatic N.

Dorsiflexion Plantarflexion

計一穩定且高效率之射頻發射電路、外部發射接收線圈設計與設計資料接收解調 系統；體內植入單元包含電能、資料接收電路、生理訊號調變與調變訊號發射回 傳系統。在外部單元，設計穩定且高效率之射頻發射器，以電容分壓穩定回授的 方法設計此系統所需要的高效率放大器，並且將所有的電路以電子元件整合在印 刷電路板上，並進行量測與試驗，已實現可靠度高之傳送接收模組。設計外部發 射線圈採用單層同心圓里玆線圈（內徑/外徑：2/10 cm，Lt=17uH，Q=450），設 計接收線圈亦採用同心圓里玆線圈（內徑/外徑：27mm/30mm，Lr=7uH，Q=50）。

在體內植入單元，目前以 SMD 離散電子元件進行實現，已完成雛型架構而逐步 進行測試驗證每個單元，以期將來能以超大型積體電路實現此系統。目前我們已 經成功設計、實現與測試完成了雙向傳輸之可植入式感測器所有系統的功能。配 合適當的高效能功率放大器(Class-E power amplifier)及合適的負載調變指數，最 大傳輸速度可達 125 kbps。發射線圈與接收線圈之間的距離允許在 5 公分以內，

可使微感測器系統穩定的工作，並在發射線圈內允許植入式元件側向偏移。在微 感測器系統方面（圖五），利用離散電子元件實現在 20×40 mm²矩形雙面印刷電 路板上，整體系統功率消耗為 70mW。此系統目前使用於動物實驗，植入後擷取 生物體中屬於高頻之神經訊號，並可提供與不同的換能器搭配使用。

圖五 植入生物體部分微感測器實體圖

由動物實驗結果發現，隨著牽張速度的上升，兔子踝關節蹠屈肌群(Calf muscle)所造成的反應力矩隨之上升（圖六）﹔再者由神經上所擷取的訊號來看，

發現脛骨神經在踝關節被動往背屈方向牽動的時候，在接近背屈動作終點時，小 腿後側肌群（Calf muscles）被拉長，會有相對訊號產生（圖七）。

6

- 4 0 - 2 0 0 2 0 4 0

- 0 . 1 - 0 . 0 5

0 0 . 0 5

0 . 1

- 4 0 - 2 0 0 2 0 4 0

- 0 . 1 - 0 . 0 5

0 0 . 0 5

0 . 1

- 4 0 - 2 0 0 2 0 4 0

- 0 . 1 - 0 . 0 5

0 0 . 0 5

0 . 1

A n g l e ( 2 H z ) A n g l e ( 1 . 5 H z ) A n g l e ( 1 H z ) torquetorquetorque

- 4 0 - 2 0 0 2 0 4 0

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- 4 0 - 2 0 0 2 0 4 0

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- 4 0 - 2 0 0 2 0 4 0

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A n g l e ( 2 H z ) A n g l e ( 1 . 5 H z ) A n g l e ( 1 H z ) torquetorquetorque

圖六 正常生物體上於不同牽張頻率下的反應力矩值（由上而下分別為 1 赫 茲、1.5 赫茲及 2 赫茲）

Time (sec)

Time (sec) AngleVolt

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

-20 -10 0 10 20

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 1 2 3 4

Time (sec)

Time (sec) AngleVolt

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

-20 -10 0 10 20

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 1 2 3 4

圖七 於 1 赫茲牽張速度下與牽張位置相關係之脛骨神經訊號

牽張反射對於生物體動作控制有相當重要的貢獻，其在抗地心的肌肉群表現 較為明顯﹔牽張反射中負責接收訊號的肌梭(muscle spindle)對於肌肉長度的變 化及長度變化的速度較為敏感。生物體小腿後側肌群（ calf muscles）為主要抗地

心之肌肉群，而支配其主要神經為脛骨神經。在連續來回的弦波擺動之牽張下，

經由脛骨神經中的 Ia 纖維將訊號傳回中樞，並造成所支配的肌群再度收縮，進 而使得反應力矩值隨之上升。從此實驗中發現動物體的反應表現與臨床上病人表 現情形相符合。截至目前為止，在動物實驗上尚無一個理想的痙攣模型，利用此 可植入式微感測器擷取相關神經訊號作為比對資料庫，將來可作為動作控制來源 訊號取得或是不同治療效果評估的工具。

四、計畫成果自評

植入式生醫感測系統目前已整體完成，包括有外部控制器、無線電源資料發 射器及植入體內接收及發射器，並且進行整合性功能測試。最大傳輸距離可達五 公分，已經足以達到規格要求並滿足完全植入動物實體需求。高效率的發射器設 計適合運用在低耦合效率的能量傳輸系統，提昇能量傳輸效率，目前實現此植入 式生醫感測系統的各部份功能，並經植入動物體內擷取動作控制所需要的訊號；

擷取到的神經訊號將來竟而可作為痙攣控制療效的評估。

五、參考文獻

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bmt2002/bmt2002.pdf

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