記錄神經(jīng)細(xì)胞信號(hào)的集成微電極陣列系統(tǒng)設(shè)計(jì)①

袁 豐 王志功 徐 躍

(*東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院射頻與光電集成電路研究所 南京 210096) (**南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院、微電子學(xué)院 南京 210023) (***南京郵電大學(xué)射頻集成與微組裝技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 南京 210023)

0 引 言

為了深入了解大腦的意識(shí)活動(dòng)，科學(xué)家和工程師們多年來(lái)一直在努力尋找這些活動(dòng)的起源和生物學(xué)機(jī)制。根據(jù)解剖學(xué)知識(shí)，神經(jīng)細(xì)胞的連接和相互間的通訊模式被認(rèn)為是一個(gè)關(guān)鍵因素[1]。在這種研究中，傳統(tǒng)光學(xué)儀器作用甚微，而電子顯微鏡功能也有所受限。為更好地了解神經(jīng)信號(hào)的本質(zhì)，人們探索了如膜片鉗和細(xì)胞染色等技術(shù)。然而，當(dāng)需要對(duì)大量神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行長(zhǎng)期、多目標(biāo)和無(wú)創(chuàng)的檢測(cè)時(shí)，上述技術(shù)都力所不及。近些年來(lái)，由于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)技術(shù)的發(fā)展，將微電極陣列(micro-electrode array, MEA)與CMOS信號(hào)處理集成電路集成在一起的方法，可以實(shí)現(xiàn)記錄神經(jīng)細(xì)胞之間的信號(hào)傳輸。一些優(yōu)秀的文獻(xiàn)已經(jīng)介紹了一些具有一定信號(hào)時(shí)空保真度的神經(jīng)信號(hào)記錄系統(tǒng)方案。文獻(xiàn)[2]報(bào)道了一種植入式神經(jīng)信號(hào)記錄前端系統(tǒng)。該系統(tǒng)的MEA為硅基材料，信號(hào)處理電路采用了商用微處理器芯片，雖然有不錯(cuò)的電路性能，但也影響了整個(gè)模塊的集成度，消耗了較多的功耗，且不利于多通道集成。文獻(xiàn)[3]則提出了一種CMOS工藝的神經(jīng)信號(hào)放大集成電路模塊，該放大電路模塊采用流行的斬波技術(shù)，有良好的噪聲性能。然而由于模塊沒(méi)有集成傳感電極，其實(shí)用性能不可獲知。隨著集成MEA和信號(hào)處理電路的發(fā)展，文獻(xiàn)[4]報(bào)道了一個(gè)完整的體外神經(jīng)信號(hào)記錄系統(tǒng)。但是該論文未展示如信號(hào)處理電路的增益、共模抑制比(common mode rejection ratio, CMRR)和電源抑制比(power supply rejection ratio, PSRR)等重要電路性能指標(biāo)。2017年，Abbott等人[5]在《Nature》期刊上報(bào)道了其對(duì)神經(jīng)信號(hào)記錄系統(tǒng)的研究成果。該研究在0.35 μm工藝的芯片上集成了從MEA到信號(hào)處理電路的完整系統(tǒng)。但是該系統(tǒng)只適合記錄細(xì)胞內(nèi)動(dòng)作電位，無(wú)法記錄細(xì)胞外動(dòng)作電位序列，無(wú)法用于理解細(xì)胞通訊的機(jī)制。文獻(xiàn)[6]報(bào)道了一種集成了MEA的多通道神經(jīng)信號(hào)記錄系統(tǒng)，系統(tǒng)具有良好的噪聲性能和高密度的電極陣列。但是該系統(tǒng)的功耗較高，且未能展示重要的CMRR和PSRR指標(biāo)。文獻(xiàn)[7]所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)整合了CMOS、MEA和信號(hào)處理電路，具有相當(dāng)好的噪聲性能，也有較好的CMRR和PSRR性能。但該系統(tǒng)同時(shí)付出了增益較低、功耗較高的代價(jià)，整體性能指標(biāo)不均衡。

本文提出了一種記錄神經(jīng)信號(hào)的微電極陣列系統(tǒng)，可用于對(duì)活體組織切片或者體外培養(yǎng)的神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞電信號(hào)記錄。在該系統(tǒng)中，具有生物相容性的微電極陣列和多通道模擬前端電路集成在同一芯片上。這種全集成的設(shè)計(jì)有助于提高模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器等后續(xù)信號(hào)處理模塊的信噪比，有利于提高系統(tǒng)的可移植性，使在細(xì)胞級(jí)尺度上的神經(jīng)信號(hào)記錄更具可操作性。本文利用有源低頻抑制放大技術(shù)，提出了一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)在較低的電源電壓、功率和噪聲下，提供了適當(dāng)?shù)脑鲆?、較高的PSRR和CMRR，各項(xiàng)性能有較好的平衡性。本文的組織結(jié)構(gòu)如下：首先對(duì)集成微電極陣列設(shè)計(jì)進(jìn)行了建模和討論，為電極的神經(jīng)信號(hào)傳感理論提供了重要的結(jié)論；然后介紹了多通道神經(jīng)信號(hào)記錄系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給出了模擬記錄通道的詳細(xì)電路設(shè)計(jì)；最后，展示了集成微電極陣列和信號(hào)記錄通道電路系統(tǒng)的芯片和測(cè)試結(jié)果，并對(duì)論文進(jìn)行了總結(jié)。

1 神經(jīng)信號(hào)記錄微電極陣列系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 集成微電極陣列系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 神經(jīng)細(xì)胞-電極界面模型

傳感陣列系統(tǒng)采用雙電極結(jié)構(gòu)，包括參考電極和記錄電極。在測(cè)量過(guò)程中，如果神經(jīng)細(xì)胞距離記錄電極足夠近，當(dāng)動(dòng)作電位序列被激發(fā)并在軸突上傳播時(shí)，記錄電可感應(yīng)信號(hào)。所記錄的信號(hào)幅度與記錄電極的電特性有關(guān)，如：記錄電極的形狀、尺寸以及神經(jīng)細(xì)胞與記錄電極附著的緊密程度等。顯然，只有建立了細(xì)胞-電極界面模型，才能分析電極特性及其作用，定量評(píng)價(jià)不同電極的功能。圖2所示為神經(jīng)細(xì)胞-電極界面的電學(xué)模型[8]。模型中ENa、EK、ECl、gNa、gK、gCl、INa、IK、ICl、INa,pump、IK,pump和Cm分別表示細(xì)胞膜上離子通道的等效電動(dòng)勢(shì)、等效電導(dǎo)、等效電流和等效電容。此外，Celec和gelec分別表示電極的電容和電導(dǎo)，Rseal和Rs分別表示電極與所附著的細(xì)胞之間間隙的中心到周圍電解質(zhì)溶液的電阻，以及記錄電極到參考電極的電阻。神經(jīng)細(xì)胞與記錄電極間隙的電壓用Vclft表示，電極上的電壓為Velec(即為放大電路所需要的輸入信號(hào))，Vref為參考電壓。Relec、gelec、Celec分別為記錄電極的電阻、電導(dǎo)和電容。參數(shù)cov是指記錄電極與其上神經(jīng)細(xì)胞的覆蓋面積的歸一化值。如果記錄電極完全被神經(jīng)細(xì)胞所覆蓋，則參數(shù)cov為1。當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞完全不與電極相關(guān)聯(lián)時(shí)，cov為0。此外，記錄通道電路的輸入電容用Cpar表示，該電容中也包括從輸入節(jié)點(diǎn)到襯底的寄生電容。

圖2 細(xì)胞-電極界面等效電路模型

1.2 電極傳感特性分析

為了合理設(shè)計(jì)電極，有必要詳細(xì)討論各參數(shù)對(duì)神經(jīng)信號(hào)記錄的影響。根據(jù)圖2的模型，計(jì)算可得電極電壓Velec的s域表達(dá)式為

(1)

式中，分子、分母多項(xiàng)式的系數(shù)為

(2)

其中，Im是細(xì)胞膜中鈉、鉀和鈣離子通道的總電流。如果電容Cpar小到可以忽略不計(jì)，則式(1)變?yōu)?/p>

(3)

式中，

(4)

其中，RLF是電極的低頻等效電阻，z和p分別為Velec表達(dá)式的零點(diǎn)和極點(diǎn)。圖3所示為計(jì)算所得的模型中記錄電極上電壓信號(hào)的時(shí)域和頻域曲線(相關(guān)參數(shù)的默認(rèn)值設(shè)置為Rs=500 kΩ，Rseal=1 MΩ，gelec=2×10-9S，Celec=10 nF，Im=100 pA，cov=0.3，輸入信號(hào)頻率為1 kHz)。由圖3可見(jiàn)，當(dāng)參數(shù)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，圖2中模型的特性會(huì)發(fā)生變化，每個(gè)參數(shù)在模型的時(shí)域和頻域分析中都有其自身特有的影響作用。一般來(lái)說(shuō)，記錄電極的電壓Velec在低頻區(qū)為Im·RLF，在高頻區(qū)則穩(wěn)定保持為Im·Rs。如圖3(a)所示，在時(shí)域內(nèi)，Rseal的變化對(duì)波形的幅度幾乎沒(méi)有影響。從物理的角度看，Rseal代表了一對(duì)神經(jīng)細(xì)胞與記錄電極之間貼合的緊密程度，因此與細(xì)胞爬片的狀況有明顯的關(guān)系。直流偏移電壓隨Rseal的變化而產(chǎn)生較大的變化，但如果Rseal可以設(shè)定為較低的值，則可以降低上述直流偏移電壓。在圖3(b)中，輸入到記錄電路的神經(jīng)信號(hào)按比例放大，與Rseal呈正相關(guān)。電極電壓Velec的極點(diǎn)隨著Rseal的增大移向低頻區(qū)，而零點(diǎn)則保持不變。事實(shí)上，由于高頻時(shí)大部分離子電流通過(guò)記錄電極，而在低頻時(shí)，這些電流則流過(guò)Rseal，因此在低頻區(qū)Rseal具有相當(dāng)大的影響力，在高頻區(qū)幾乎沒(méi)有影響。可見(jiàn)，就動(dòng)作電位而言，其頻率在100 Hz～10 kHz的帶寬范圍內(nèi)，Rseal值對(duì)電極電壓Velec幾乎沒(méi)有影響。如圖3(c)、(d)所示，記錄電極和參考電極之間的電阻，即Rs，在記錄系統(tǒng)中起著重要作用。較高的Rs電阻值會(huì)使檢測(cè)電極上產(chǎn)生較高的電壓。另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是Celec，如圖3(e)、(f)所示，在Celec較大的情況下，大部分電流通過(guò)記錄電極，電壓Velec隨Celec的減小而增大。反之，Velec隨著Celec的增加而減小，因?yàn)橛涗涬姌O的阻抗也同樣減小。參數(shù)cov對(duì)Velec的函數(shù)表達(dá)式同樣有重要的影響。如圖3(h)所示，當(dāng)cov接近1時(shí)，Velec函數(shù)表達(dá)式的零點(diǎn)和極點(diǎn)移到高頻區(qū)，當(dāng)cov等于1時(shí)，Velec得到最大值，這意味著記錄電極被細(xì)胞完全覆蓋。如圖3(g)所示，在不完全覆蓋(即cov<1)的情況下，由于2個(gè)并聯(lián)電容(這2個(gè)并聯(lián)電容分別對(duì)應(yīng)于記錄電極的未覆蓋部分和覆蓋部分)的分壓，電極電壓Velec有所衰減。此外，如圖3(h)所示，在低于極點(diǎn)的頻域，Velec與參數(shù)cov成正比例；而在高于零點(diǎn)的頻域，Velec與參數(shù)cov無(wú)關(guān)。

1.3 記錄通道電路

1.3.1 低頻有源抑制儀表放大結(jié)構(gòu)

◎一旦發(fā)生高熱驚厥，要冰水敷額、使用退熱藥物、側(cè)臥位防止嘔吐堵塞呼吸道、保持呼吸道暢通，同時(shí)立即就醫(yī)。

如圖2所示，每個(gè)記錄通道都包含多級(jí)結(jié)構(gòu)，其放大器模塊如圖4所示。A2為常見(jiàn)的軌到軌放大器，被用于作為輸入/輸出緩沖器，A1為低功耗低噪聲跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(operational transconductance amplifier，OTA)，其原理圖如圖5所示。輸入緩沖器后面的RC網(wǎng)絡(luò)是高通濾波電路，用于消除直流偏移。輸出緩沖器前的4個(gè)OTA中的3個(gè)構(gòu)成儀表放大結(jié)構(gòu)，另外的1個(gè)構(gòu)成反饋回路，提供有源低頻抑制(active low-frequency suppression, ALFS)[9,10]。如圖6所示，ALFS將儀表放大電路輸出的低頻分量饋送到輸入端，以抵消低頻成分，多數(shù)情況下為100 Hz以下的噪聲或環(huán)境干擾信號(hào)。利用拉普拉斯變換，由圖6分析可得輸出：

(a) 參數(shù)Rseal的時(shí)域分析

(b) 參數(shù)Rseal的頻域分析

(c) 參數(shù)RS的時(shí)域分析

(d)參數(shù)RS的頻域分析

(e) 參數(shù)Celec的時(shí)域分析

(f) 參數(shù)Celec的頻域分析

(g) 參數(shù)cov的時(shí)域分析

(h) 參數(shù)cov的頻域分析

圖3 模型參數(shù)時(shí)域和頻域分析

(5)

式中，Xin(s)和Xout(s)分別為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，NLF(s)為加性噪聲。A(s)為儀表放大電路的增益，F(xiàn)(s)為被設(shè)計(jì)為低通濾波的反饋電路的傳輸函數(shù)，其截止頻率設(shè)為fL,LP(≈100 Hz)，NLF(s)代表低頻噪聲，其中最重要的成分是閃爍噪聲。如圖7所示，與輸入信號(hào)Xin(s)相比，NLF(s)的信號(hào)頻譜位于低頻區(qū)。在f

(6)

式(6)右邊的第1項(xiàng)可以省略，因?yàn)橛涗浀纳窠?jīng)信號(hào)(即動(dòng)作電位)在低于fL,LP的頻域中幾乎沒(méi)有信息。此外，噪聲NLF(s)衰減1/A(s)F(s)。在頻帶fneural, L

圖4 放大電路模塊結(jié)構(gòu)圖

圖5 低功耗低噪聲OTA

Xout(s)?-A(s)Xin(s)+NLF(s)

(7)

式(7)右邊的第2項(xiàng)可以省略，因?yàn)镹LF(s)是頻率低于fL,LP的低頻噪聲，不影響輸出信號(hào)。此外，輸入信號(hào)神經(jīng)信號(hào)Xin(s)按預(yù)期放大?？梢?jiàn)，ALFS對(duì)低頻噪聲有抑制作用，而對(duì)神經(jīng)細(xì)胞信號(hào)有放大作用。

圖6 有源低頻抑制信號(hào)流圖

圖7 神經(jīng)信號(hào)和干擾噪聲的功率譜密度示意圖

1.3.2 低電壓低功耗OTA

圖5顯示了神經(jīng)放大器中使用的OTA的電路原理圖。電路由2級(jí)組成：第1級(jí)為低功耗負(fù)電阻增益增強(qiáng)結(jié)構(gòu)組成的AB類輸入級(jí)[11]，第2級(jí)是常見(jiàn)的帶電流鏡負(fù)載的共源增益級(jí)。該OTA的直流總增益為

(8)

式中，匹配的輸入管M1和M2跨導(dǎo)為gm1=gm2=gm1,2；此外，gm3=gm4= …=gm8，gm9=gm10。源漏溝道電導(dǎo)gds1=gds2=gds1,2；此外，gds3=gds4= …=gds8，gds9=gds10。實(shí)際上，晶體管M1、M2、M5和M6會(huì)構(gòu)成一個(gè)正反饋環(huán)路，其閉環(huán)增益Acl為

(9)

為確保電路的穩(wěn)定性，該表達(dá)式必須保證小于1。顯然，該條件只要gm4=gm6即可保證。該OTA的輸入等效熱噪聲為

(10)

式中，k為玻爾茲曼常量，T為溫度(單位為K)，B為圖4中電流鏡的比例系數(shù)。由上式可見(jiàn)，為了降低噪聲，有必要提高輸入管的跨導(dǎo)，并且減小電流鏡電路中MOS管的跨導(dǎo)。為輸入管選擇一個(gè)較大的寬長(zhǎng)比(W/L)1,2，驅(qū)動(dòng)M1,2進(jìn)入深度弱反型狀態(tài)，以獲得較高的跨導(dǎo)gm1,2。為了使gm3,4和gm9,10遠(yuǎn)低于gm1,2，可增加M3-8的長(zhǎng)度，并減小其寬度，使柵極面積保持相對(duì)較大的值。通過(guò)調(diào)節(jié)M3-8使其工作在強(qiáng)反型區(qū)，可實(shí)現(xiàn)低跨導(dǎo)。在討論低頻信號(hào)時(shí)，比如神經(jīng)細(xì)胞信號(hào)記錄，閃爍噪聲是一個(gè)更加難以處理的問(wèn)題。由于PMOS晶體管的閃爍噪聲通常比同條件下NMOS晶體管低1到2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此選擇NMOS晶體管作為輸入器件比較合適。在工藝確定的情況下，通常選擇晶體管的寬度、長(zhǎng)度和偏壓來(lái)控制其工作狀態(tài)。鑒于偏壓與傳遞函數(shù)、信號(hào)擺幅、線性度和電流效率等其他重要電路性能之間存在復(fù)雜的權(quán)衡關(guān)系，在恒定偏壓下增大柵極面積顯得更為實(shí)用。通過(guò)最大化M1,2和M3-8的柵極面積，可減少閃爍噪聲。當(dāng)然，通過(guò)最大化晶體管柵極面積來(lái)降低閃爍噪聲，存在的主要缺點(diǎn)是柵極電容的增加以及由此產(chǎn)生的穩(wěn)定性問(wèn)題。通過(guò)增加米勒電容，可以補(bǔ)償相位裕度，使其保持在45°左右。輸入晶體管對(duì)M1,2的閃爍噪聲可通過(guò)從噪聲模型[12]推導(dǎo)噪聲功率譜密度來(lái)估計(jì)。

(11)

式中，SId為漏電流的閃爍噪聲譜密度，KF為閃爍噪聲系數(shù)，AF為閃爍噪聲指數(shù)，EF為閃爍噪聲頻率指數(shù)，Leff為晶體管柵極的有效長(zhǎng)度。等效輸入柵極電壓噪聲可由漏電流噪聲計(jì)算得出：

(12)

在弱反型區(qū)，漏電流公式可用公式表示為Id≈I0eqVg/n2kT，其中n2是氧化層電容和耗盡區(qū)電容之比，考慮到反型層電容Cinv遠(yuǎn)小于耗盡層電容Cd和Cox之和，則n2可表示為n2=Cox+Cd/Cox。因此：

gm?qIdCox/kT(Cox+Cd)

(13)

聯(lián)立式(11)、(12)和(13)，可解得柵極等效輸入閃爍噪聲為

(14)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 集成CMOS信號(hào)記錄電路的微電極陣列芯片

系統(tǒng)芯片采用0.5 μm CMOS工藝制作。如圖8(a)所示，整個(gè)芯片與PCB板粘合，電路區(qū)用二甲基硅氧烷(dimethylsiloxane, PDMS)封裝，只留MEA區(qū)域暴露在外，位于芯片中心。然后，在芯片周圍貼附上培養(yǎng)皿，提供一個(gè)封閉的容器來(lái)容納神經(jīng)細(xì)胞和培養(yǎng)基。如前所述，微電極陣列經(jīng)過(guò)修飾后，所有電極都鍍上金，因而具有良好的生物相容性。記錄電極形狀為八邊形，電極間距為100 μm，如圖8(d)、(e)所示。

2.2 數(shù)據(jù)及分析

在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，電極尺寸和間隔的選擇基于如下考慮：一是考慮到細(xì)胞體的直徑一般在5～150 μm范圍內(nèi)；二是根據(jù)前文對(duì)電極的建模分析，電極電壓Velec的值隨Celec的減小而增大。實(shí)驗(yàn)采用Agilent4284A Pricise LCR Meter測(cè)量?jī)x測(cè)試電極的電氣特性，數(shù)據(jù)如圖8所示。很明顯，被測(cè)電極呈容性阻抗，且具有兆歐級(jí)阻抗值。芯片上集成有8個(gè)信號(hào)記錄通道。圖9顯示了以預(yù)設(shè)的動(dòng)作電位序列作為輸入源，所記錄的瞬態(tài)輸出信號(hào)。圖10為輸出動(dòng)作電位序列。表1總結(jié)了系統(tǒng)的相關(guān)性能，并進(jìn)行了比較。

圖8 集成CMOS信號(hào)記錄電路的微電極陣列芯片系統(tǒng)

(a) 電極阻抗的平均模值

(b) 電極阻抗的平均相位

圖9 阻抗測(cè)試曲線

3 結(jié) 論

本文提出了一種集成了CMOS微電極陣列和信號(hào)處理電路芯片的神經(jīng)細(xì)胞信號(hào)記錄系統(tǒng)。在所建立的電極-神經(jīng)細(xì)胞界面模型基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了分析，為設(shè)計(jì)優(yōu)化電極、提高記錄系統(tǒng)的信噪比提供了依據(jù)。同時(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低功耗、低噪聲、高PSRR和CMRR的跨導(dǎo)運(yùn)算放大電路，并構(gòu)成低頻有源抑制儀表放大結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅消除了直流偏移和其他低頻噪聲，還避免了耦合電容器的面積消耗過(guò)大的問(wèn)題。在模型理論分析指導(dǎo)下設(shè)計(jì)的微電極陣列和所提出的信號(hào)處理電路所構(gòu)成的系統(tǒng)，具有較好的綜合性能，各項(xiàng)指標(biāo)平衡，具備在體外環(huán)境下捕捉神經(jīng)細(xì)胞生理活動(dòng)信號(hào)的能力。

表1 系統(tǒng)性能總結(jié)及對(duì)比

注：*單通道面積0.12 mm2；**單個(gè)單元功耗 12 μW

圖10 輸出動(dòng)作電位序列