人工耳蜗植入体技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

2005年8月，清华大学微电子学 研究 所成功研制的数字式多通道人工耳蜗专用集成电路芯片通过了教育部科技成果鉴定。

该芯片采用1.2um N阱CMOS工艺设计完成，芯片面积为3.56×3.67mm2，工作载波频率为10MHz，可以输出最高为15KHZ的刺激脉冲。CI1003芯片具有最多17个输出通道，输出的刺激脉冲为双相恒流脉冲，且正负两相保持良好的对称性，即进行刺激的两个电极间流过的电荷总量近似为0。刺激电流大小变化范围为0～2mA，分1024级可调。

2008年1月，由复旦大学附属眼耳鼻喉科医院教授、中国科学院院士王正敏领衔研发的“国产多道程控人工耳蜗”正式达到生产技术稳定和批量生产两项指标。

国产耳蜗具有中国特色，在芯片等技术环节上，可根据实际情况灵活选择语音处理方案，使用者不仅能分辨各种环境声、元音和辅音，还能识别汉语四声，特别适应我国多种方言交流的需要。

国际同类产品已从早期只能帮助病人唇读的单信号通道耳蜗，发展到能使多数病人打电话的多信号通道耳蜗，而国产最新型耳蜗信号通道已达22个，达到甚至超过了欧美技术性能。

第二节 产品工艺特点或流程

以一种适用于16通道、电流脉冲刺激方式的人工耳蜗系统的体内刺激电路的芯片为例，来简述电路芯片的关键模块电路的现。

植入刺激电路结构示意图

1、带隙基准源

植入刺激电路中有高压和常压两个带隙基准源，二者均采用了传统的带隙结构，通过双极型晶体管ＶＢＥ的负温度系数和不同电流密度的两个双极型晶体管的ＶＢＥ之差ΔＶＢＥ的正温度系数相加产生与温度无关的基准电压，其偏置电流由自偏置模块产生，运算放大器为典型的两级运放结构。常压带隙基准源要给数模转换电路提供稳定的有驱动能力的参考电位，因此在基准源的输出端根据数模转换电路的精度，等效电容，刺激速率要求设计完成了两级密勒补偿的缓冲器，用以驱动数模转换电路。

2、数字控制模块

数字控制模块是植入刺激电路中的数字部分，这部分采用有限状态机设计，在不同的状态下生成相应的控制信号。它以数据时钟模块恢复出的时钟为工作时钟，将数据时钟模块恢复出的数据进行译码，提取出刺激强度控制数模转换电路，提取出刺激维持时间、刺激电极序号控制开关阵列。设计中使用的指令帧格式，指令首位是帧起始位，然后依次是刺激模式、刺激强度、刺激脉宽、电极编号１、电极编号２、最后一位是奇偶校验位。该部分电路采用标准ASIC设计流程，规模约1500门，功耗730μＷ＠10ＭＨｚ。

3、数模转换电路

为了提高数模转换电路电容阵列的匹配性，该数模转换电路采用左右两个对称的电容阵列组成，为减小电路转换的毛刺幅度，提高线性度，高三位使用温度计编码，数模转换电路的参考电平由基准源提供。
４、压控电流源电路

该部分由满足数模转换电路精度和速度的运算放大器和一个高压ＮＭＯＳ反馈管组成，运放与ＮＭＯＳ管Ｍ１组成的负反馈保证电阻Ｒ （设计中Ｒ 为外接电阻，以方便对该电路的测试以及调节刺激电流的大小）上的电压为数模转换电路的输出，从而保证流过两个电极的电流为Ｉｏｕｔ＝ＶＤＡＣ／Ｒ以实现刺激强度随数模转换Ｓ电路输出的变化。其中运算放大器采用两级密勒补偿结构，输入部分为ＰＭＯＳ射级跟随器，用以实现电平移位，保证在数模转换电路输出电压很小时运放仍然正常工作。

5、阵列电路

本设计中电极共有17个（ＥＬ０～ＥＬ１６），数字控制部分通过控制模拟开关来控制刺激电流方向，刺激维持时间以及选通电极。比如，当ＥＬＶＥｎ１和ＥＬＡＥｎ２闭合时，电流由电极ＥＬ１流向ＥＬ２，大小为前面压控电流源产生的由数模转换电路控制的电流，而当ＥＬＶＥｎ２和ＥＬＡＥｎ１闭合时，电流由电极ＥＬ２流向ＥＬ１。这样，通过开关阵列，很容易实现电极的选择，电流方向及刺激维持时间的控制。ＥＬＩｄｌｅ开关用于短接未被选中的电极以泄放残留的不平衡电荷。

第三节 国内外技术未来发展趋势 分析

未来人工耳蜗植入体将进一步变小。科技的迅速进步肯定可以使得下一代人工耳蜗在整体功能方面和物理性能上产生显著的变化。新的信号处理方法，连同助听器技术，双边人工耳蜗技术，以及联合声电刺激技术在一起，将能够更好的提取，编码并传递那些重要的声学特征信息，尤其是频域和时域微细机构。这样就可以大大改善使用者在噪声环境下的语音识别，音乐欣赏，声音定位，声音分离和声源鉴别等方面的实际使用效果。另外，随着微电子技术，纳米技术和生物测量技术的不断引入，可以制造出更多新式的接口，电极，话筒和电源，以及一整套完全不排异和完全可植入的人工耳蜗设备，也可以制造出其他各种声学补偿设备和能够刺激其他耳结构并促进神经原的存活甚至再生的给药装置。

未来人工耳蜗的发展趋势将是完全植入式的，这将是人工耳蜗设计理念的一次革新。新的人工耳蜗系统将没有任何体外部分，电池可以在体内充电，解决了能量供给问题；鼓膜将作为麦克风，这样声音的保真度将大大提高，困扰人们的美观问题也将随之得到解决。
 

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