神经电刺激器作为神经调控系统的重要组成之一，在医疗康复和脑认知研究等方面有着广泛的应用前景。近年来，随着多通道神经调控的发展，基于时空刺激序列的新型刺激模式备受关注。其中，双极刺激相比于单极刺激更易实现高空间分辨率，有利于精准调控，更加适合时空刺激场景。然而，双极刺激器中沿用传统电荷平衡方法时出现“无效电荷平衡”的问题，存在潜在的电极腐蚀和组织损伤等安全风险。

图 1. 不同刺激序列下时空刺激（STS）的应用

针对这一问题，天津大学团队研制了一款新型神经电刺激器芯片，提出一种创新的三极刺激器结构及基于该结构的有源电荷平衡技术，最终使残余电压“有效”控制在安全窗口以内。研究成果以“A Tripolar Spatiotemporal Stimulator With Return-Electrode-Based Charge-Pack Injection Technique for Charge Imbalance Correction”为题在微电子学与集成电路领域国际顶级期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC)在线发表，第一作者为25届硕士毕业生吴家磊，通讯作者为王科平教授。

图2 时空刺激（STS）下一个刺激周期内电压差（ΔV）与失调电压（Vₒₛ）的分析(a) 单电流源（SCS）双极刺激中刺激阶段的工作过程；(b) 单电流源（SCS）双极刺激中各电极的输出电压与电流；(c) 双电流源（DCS）双极刺激中刺激阶段的工作过程；(d) 双电流源（DCS）双极刺激中各电极的输出电压与电流

团队采用0.18 μm CMOS工艺完成了流片验证，并进行了电学与溶液测试以及动物实验。电学和溶液测试结果表明，刺激器的最大电压顺应性为±10.4V，刺激电流输出范围为0.1~2.8mA。在多个通道同时进行刺激下，所有电极的残余电压控制在±7.5mV以内，实现了有效的电荷平衡。进一步的大鼠脊髓刺激实验中，该芯片成功诱发了后肢屈曲与伸展动作，充分证明了所研制神经电刺激器在实际神经调控应用中的功能可行性与应用潜力。与现有先进技术相比，所提出的刺激器是首个同时实现高空间分辨率并且在时空刺激条件下进行有效的双极刺激中电荷平衡的设计。

图3 提出的芯片结构图

参考文献：J. Wu et al., "A Tripolar Spatiotemporal Stimulator With Return-Electrode-Based Charge-Pack Injection Technique for Charge Imbalance Correction," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, doi: 10.1109/JSSC.2025.3623450.