1 工作简介 

         ——无线无电池脑氧监测芯片

脑氧监测被广泛应用于脑部疾病的治疗和大脑运行机制的研究。正常的脑氧水平使得神经元能够处理和传递神经信号，而异常的脑氧水平反映了氧气需求和血液供应之间的不平衡，可能对人体产生不利影响。例如，脑缺氧会导致认知障碍、昏迷甚至脑死亡，而脑氧含量过高则会产生神经毒性，可能引发神经元退化和坏死。在脑部疾病中，创伤性脑损伤被认为是人体死亡和残疾的主要原因之一。重度创伤性脑损伤患者会出现过多的脑脊液，随之而来的是颅内压升高，血液流动受阻，导致脑缺氧甚至死亡，这一过程可以由脑氧监测设备观察到并及时介入治疗。因此，脑氧监测技术能够为创伤性脑损伤的侵入性治疗提供关于伤情严重程度的洞察。在大脑代谢研究中，高分辨率的脑氧监测对研究健康和病变大脑中氧气的运输与消耗过程至关重要，有助于探讨调控氧气供应的精确机制。由于需要在长时间内精确监测脑氧以便进行有效的医学治疗和科学研究，因此相应的脑氧监测设备要求具有小型化、长续航和高分辨率的特点。

现有的脑氧监测设备受限于体积大、成本高、精度低等缺点。其中，功能性磁共振成像精度很高，但其体积庞大，成本高昂。基于近红外光谱学的光学传感技术可以减小体积和成本，但它容易受到皮肤状态的影响。同时，它和功能性磁共振成像一样，都是通过监测组织氧饱和度来间接推断氧分压的变化情况，脑氧监测的准确度不够。因为电化学传感技术和基于相位光度测定法的光学传感技术可以直接测量氧分压，所以近年来受到了越来越多研究人员的青睐，其关键是脑氧监测设备小型化，以实现长期、便携式的医学观测和诊断。加州大学伯克利分校基于光学传感技术在4.5 cm3的体积下实现了高达0.66 mmHg的传感分辨率，但其所需的LED驱动器功耗高达数十毫瓦，无法采用小型电池供电。而现有的电化学传感技术则很难在功耗和传感分辨率上实现良好的平衡，例如新加坡科技研究局研发的42 μW有线设备传感分辨率较低（0.97 mmHg），而密歇根州立大学研发的高传感分辨率（0.15 mmHg）的设备需要牺牲高达1.4 mW的功耗。

因此，浙江大学赵博教授团队研发了一套无线无电池脑氧监测系统级芯片。该系统包含自研的微型氧分压传感器和电化学传感器接口芯片，结合射频无线能量收集和反向散射通信，实现了远距离无线无电池脑氧传感。其中，芯片采用55 nm CMOS工艺实现，氧分压传感器则基于碳纤维电极制作。提出一种传感电流复用技术，将传感电流用于为电流量化模块供电，从而降低芯片整体功耗至25 μW，以此实现30 dBm路由端发射功率下2米范围内的无线无电池脑氧传感；提出一种双极性残差放大技术，将传感分辨率提高至0.21 mmHg，以此实现对脑氧含量细微变化的实时监测。与国际上同类工作相比，该芯片系统在最低的芯片功耗下实现了高传感分辨率。该工作为脑氧监测设备的微型化开辟了全新的路径，从而实现更便携、完善的创伤性脑损伤患者的预后治疗。

图1. 无线无电池脑氧监测芯片微系统。

相关研究成果以“A Wireless Battery-Free Cerebral-Oxygen-Monitoring Micro-System Featuring 0.21-mmHg Sensing Resolution”为题，发表在集成电路顶级期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits上。论文的第一作者为浙江大学博士生汪炜枭，通讯作者为浙江大学赵博教授。

2 主要作者简介

第一作者

汪炜枭，浙江大学集成电路学院2021级直博生。

研究方向为电化学传感器和光电传感器接口电路与系统设计，以第一作者身份在ISSCC、JSSC、A-SSCC上发表论文4篇，获授权中国专利2项。

通讯作者

赵博，浙江大学长聘教授、求是特聘教授。

以首席科学家牵头承担国家重点研发计划项目，并牵头国家自然科学基金重点项目等。带领团队近五年共流片40余款芯片，包括无线脑机接口芯片、无源蓝牙芯片、连续血糖监测芯片、脑氧监测芯片、高能效触屏芯片、生物阻抗检测芯片、人体信道通信芯片等。累计发表了ISSCC、JSSC、VLSI、CICC等高水平论文70余篇，获授权专利30余项。获IEEE国际电路与系统协会顶级奖项“达林顿奖”、IEEE TCAS-I最佳副主编奖、ISLPED最佳芯片设计奖、HiTech全球青年创业大赛第一名、小米青年学者等。2022年当选IEEE国际生医电路与系统技术委员会主席，并带领团队于2023年获得“杰出委员会”奖。2024年入选被誉为“集成电路奥林匹克”的顶级国际会议ISSCC的组委会。担任芯片领域三大旗舰期刊IEEE TCAS-I、IEEE TBioCAS、IEEE TCAS-II的副主编，IEEE智能制造标准审查委员会委员，以及ISCAS、BioCAS、A-SSCC等重要国际会议的组委会成员。

3 原文传递

https://ieeexplore.ieee.org/document/11039219