專利名稱：腦電信號放大器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種腦電信號放大裝置，尤其涉及一種針對臨床癲癇病人腦電ECoG信號，具備多通道并行采集、放大功能的放大裝置。
背景技術：
癲癇，俗稱羊癲瘋，是一種神經系統疾病，通常是腦病變造成的腦細胞突然異常的過度放電所引發的腦功能失調。統計資料顯示，我國癲癇患病率為O. 7%，據此估算我國現有癲癇患者約900萬人，且以每年27萬的速率增長。癲癇是嚴重危害人類健康的腦部常見病，它是一種慢性腦部疾患，其發作具有突然性、暫時性和反復性三大特點，以腦部神經元過度放電引起突然反復和短暫的中樞神經系統功能失常為特征。
治愈癲癇是世界性難題，而采集癲癇發作時的腦電信號則是探究治愈方法的必經之路。Neuroscan公司早在1992年成功推出SynAmps腦電信號放大器,至今已經廣泛使用于世界眾多研究機構，成為電生理信息放大裝置領域的絕對權威。2000年該公司推出了SynAmps 2，其繼續采用集成可編程軟件，使數據的采集具有最大靈活性，保證進行高質量的數據采集。腦電ECoG信號包含大量的生理信息，對探索治愈癲癇具有重要意義。本裝置主要針對ECoG信號，內置集成采集、放大功能，16個采集通道并行采集，可對采集數據進行空間數學運算，提供多樣生理含義；針對癲癇腦電ECoG信號的生理特點，經過特定放大模塊作用，完整提取癲癇生理信息，為探索治愈方法提供一種積極嘗試。
發明內容
本發明旨在針對現有癲癇腦電信號研究領域的不足，提供一種基于癲癇腦電ECoG信號的放大器。為解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案來實現的
腦電信號放大器，由炎化效應在線檢測網絡、接口模塊、交/直流放大模塊、并行采集模塊、主控芯片模塊、隔離電源模塊、高速USB2. O傳輸模塊、癲癇信息提取/顯示模塊組成。所述的炎化效應實時在線檢測網絡旨在通過檢測電極一皮膚接觸面的阻抗值，判斷電極周邊腦組織的炎化程度，指導調整電極的植入深度，以確保ECoG信號采集的真實、準確性。其包括正弦信號發生端、反應電壓信號采集端、帶通濾波器；在電極一皮膚接觸面施加40nA的30Hz正弦交流電流，采集接觸面的反應電壓信號，經28Hz至30Hz的IIR帶通濾波器，檢測其幅值U，計算公式R=U/I得到接觸阻抗值，從而實現在線實時炎化效應檢測。所述的炎化效應實時在線檢測網絡在主控芯片模塊的控制指令下，內置DA模塊將設定數字信號轉換成ImV的20Hz正弦交流電壓信號，對炎化效應實時在線檢測網絡進行標準，有效的抑制零點漂移和溫度漂移對系統的影響，保證ECoG信號采集的準確性。所述的接口模塊包括模擬開關K1、K2，保護電阻R1、R2;在主控芯片模塊發送的控制命令下，癲癇腦電信號采集/放大通道與反應性電刺激通道交替切換，由模擬開關切換的方式實現。當ECoG放大器癲癇腦電信號放大器工作時，K2斷開，刺激電流回路不通；當要進行電刺激時，Kl斷開，放大通路斷開；刺激完成后，在規定時間間隔內快速閉合K1，切斷K2，保障放大器不飽和。所述的交/直流放大模塊包括Headstage阻抗變換級、差分放大級、緩沖級、交流放大級；Headstage傳輸的采集ECoG信號經第一級差分放大后,模塊中的緩沖級和交流放大級對信號中的交流、直流成分分別進行放大提取，同時檢測癲癇腦電寬帶生理信號。采用雙極性儀表放大器AD620實現差分放大，輸出端連接至緩沖級的輸入端，其輸出的寬帶生理信號由模擬開關芯片TS12A12511所控，保證放大的ECoG信號包含了完整的寬帶生理信號；放大信號接緩沖級后，隔除直流分量之后再進入交流放大級，所述的交流放大級采用低功耗運算放大器TLC2272實現交流放大；直流、交流放大信號的輸出由模擬開關芯片TS12A12511所控，根據主控芯片模塊中的微處理器標志端口命令進行控制，所述的微處理器型號為Atmega32。所述的并行采集模塊包括16個獨立AD轉換器，型號為ADS1298 ;能夠對16路ECoG·腦電信號實時并行同步控制、采集，實現信號導聯間的同步性，完成高速同步采集，進而可以實現對ECoG信號的空間數學運算處理。所述的主控芯片模塊包括ATMEGA系列的微處理器芯片Atmega32、Atmega48、Atmega64 ；Atmega32向并行采集模塊發送控制命令,根據標志位判斷是否進入外部中斷，進行數據讀取。其中，Atmega32與Atmega48、Atmega64之間的數字傳輸經過隔離光I禹,供電電源部分采用醫用隔離電源。隔離電源模塊由光耦A2611N、A2631N及醫用隔離電源DC/DC-5S5組成，隔離電壓滿足大于5kv,漏電流小于O. 05mA的設備安全隔離要求。所述的高速USB2. O傳輸模塊包括USB2. O接口芯片CY7C68013 ；USB2. O接口芯片CY7C68013同步接收上升沿觸發的8bit數字信號，與采集的腦電信號同步組包，傳輸到上位機。CY7C68013與主控芯片模塊的連接方式采用Slave FIFOs方式，異步讀寫模式。所述的癲癇信息提取/顯示模塊包括上位機軟件算法實現Butterworth濾波，使通頻帶內具有最平滑頻率響應曲線，設置一階高通、二階低通兩種濾波器對所采集腦電數據進行濾波，實現多頻帶、多種濾波器，加速進行16導ECoG信號處理能力，完成顯示癲癇腦電ECoG信號的放大功能。本發明的有益效果是本發明旨在針對癲癇腦電ECoG信號，實現多通道并行采集、放大功能，有效剔除、抑制高頻干擾成分，能夠完整提取、顯示低頻癲癇腦電生理信息。
圖I為本發明腦電信號放大器的原理框 圖2為接口模塊原理 圖3為交/直流放大模塊的原理框 圖4為交/直流放大模塊中第一級差分放大部分電路原理 圖5為交/直流放大模塊中第二級交流放大部分電路原理 圖6為并行采集模塊芯片ADS1298接口雙電源配置 圖7為ADS1298與主控芯片模塊芯片Atmega32接口配置示意 圖8為主控芯片模塊原理框圖；圖9為主控芯片與傳輸芯片CY7C68013的外圍接口示意 圖10為主控芯片與傳輸芯片CY7C68013連接異步模式寫操作接口引腳示意 圖11為主控芯片與傳輸芯片CY7C68013連接異步模式讀操作接口引腳示意 圖12為USB2. O傳輸芯片CY7C68013的固件程序設計框架 圖13為本發明基于ECoG信息交/直流瞬時放大仿真測試效果示意 圖14為本發明實際采集、放大癲癇腦電ECoG信號效果示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細的描述。
如圖I所示，本發明腦電信號放大器包括炎化效應在線檢測網絡、接口模塊、交/直流放大模塊、并行采集模塊、主控芯片模塊、隔離電源模塊、高速USB2. O傳輸模塊、癲癇信息提取/顯示模塊；植入式電極采得ECoG信號，經Headstage阻抗變換(高阻變低阻)之后，進入炎化效應在線檢測網絡，可以根據檢測電極周圍腦組織的炎化程度來調整電極位置，以保證ECoG信號采集的真實性和準確性，ECoG信號進入交/直流放大模塊，其中直流放大采用芯片AD620，交流放大采用芯片TLC2272 ;并行采集模塊ADC選用芯片ADS1298，并在主控芯片模塊AVR MCU中的微處理器Atmega32的控制下，進行16通道并行ECoG信號交/直流分量同步數據采集，采集所得數據通過SPI端口與主控芯片模塊AVR MCU進行數據傳輸；同時，配置Atmega32的特定I/O端口，對內置DA模塊發送控制指令，將特定數字信號轉換成ImV的20Hz正弦交流電壓信號，從而對炎化效應檢測網絡進行校準，有效的抑制零點漂移和溫度漂移對系統的影響。主控芯片模塊AVR MCU的微處理器Atmega32控制并行采集模塊ADC進行數據采集,微處理器Atmega48、Atmega64與Atmega32通過高速隔離光I禹進行通信，高速隔離光耦芯片型號為A2611N、A2631N ；醫用隔離電源型號為DC/DC-5S5，對主控芯片模塊AVR MCU進行供電；采集放大的腦電信號在微處理器Atmega64處組成數據包之后，傳輸至USB2. O芯片CY7C68013FX2，芯片CY7C68013FX2采用USB供電技術；數據包經采集分析軟件實現癲癇信息的提取/顯示。如圖2所示，Kl、K2為模擬開關，Rl、R2為保護電阻，箭頭方向示意刺激電流和ECoG信號采集的流向；κ 的一端與保護電阻Rl —端連接，Kl另一端連接至癲癇腦電信號放大器；R1的另一端與電極連接；K2的一端連接至Kl與Rl相接處，另一端與R2相接，保護電阻R2的另一端接地；其中Κ2與R2的相連處外接至多通道刺激器；在主控芯片微處理器的控制命令下，KU Κ2切換打開/閉合兩種模式，當癲癇腦電信號放大器工作時，電刺激輸入端Κ2切斷，刺激電流回路不通；當要進行電刺激時，放大器輸入端Kl切斷，放大通路斷開；刺激完成后，在規定時間間隔內快速閉合放大器輸入端開關Κ1，切斷電刺激輸入端開關Κ2，保障癲癇腦電信號放大器不飽和。如圖3所不，Headstage傳輸的米集ECoG信號經低通濾波器后,傳輸至第一級差分放大部分，采用雙極性儀表放大器AD620實現差分放大，模塊第二級對信號中的交流、直流成分分別進行放大提取，檢測癲癇腦電寬帶生理信號。差分放大級的輸出端連接至緩沖器(Buffer)的輸入端，緩沖器由低功耗運放TLC2272搭建的電壓跟隨器實現，隔除直流分量之后再進入交流放大部分，采用低功耗運算放大器TLC2272實現交流放大；直流、交流放大信號的輸出分量由模擬開關芯片TS12A12511所控,微處理器芯片標志端口輸出的控制命令控制芯片TS12A12511，所述的微處理器型號為Atmega32。如圖4所示，交/直流放大模塊中第一級差分放大部分包括雙極性儀表放大器Ul(AD620)及外圍電路R3 ;儀表放大調制電阻R3連接至Ul的調制電阻引腳，Ul的正向輸入端連接ECoG輸入信號，負向輸入端接參考信號，正極性電源引腳接VCC，負極性電源引腳接VDD, Ul接地引腳連接至GND，輸出引腳接后續電路模塊。如圖5所示，交/直流放大模塊中第二級交流放大部分包括運放U2、電容C、電阻R4、R5、R6 ;其中電容C與電阻R4構成高通濾波器，R4的另一端連接至GND，電容C與電阻R4的連接端接U2的正向輸入端，電容C的另一端接輸入信號；電阻R5的一端接至U2的負 向輸入端，另一端與R6相連，R6的另一端接GND ；U2的輸出端反饋連接至電阻R5、R6的相連端，構成負反饋電路；U2的正極性電源引腳接VCC，負極性電源引腳接VDD ；U2采用低功耗運算放大器TLC2272實現。如圖6所示，本發明AD轉換模塊選用芯片ADS1298，每個芯片擁有8個獨立的AD，采用貼片式封裝，64個引腳；方案所需16通道ECoG信號采集，需用2片芯片實現，ADS1298具有低功耗、輸入參考噪聲低等優良電路特性以及豐富的接口資源，方便外圍電路的設計。ADS1298采用雙電源配置方案，保證零電勢參考平面的穩定；luF、0. IuF并聯端接至引腳AVDD，另一端接地;引腳AVDD與引腳AVDDl短接；0. IuF、IuF并聯端接至引腳DVDD，引腳DVDD接電源+1. 8V ；0. IuFUOuF并聯接至引腳VREFP和引腳VREFN ;引腳VREFN接電源-I. 5V ;引腳RESVl接地；引腳VCAPl接22uF —端；引腳VCAP2接IuF —端；引腳VCAP3接O. IuF 一端；引腳VCAP3接IuF —端；引腳VCAP4接IuF —端；引腳WCT接InF —端；弓I腳AVSS與引腳AVSSl連接并接至電源-I. 5V ;22uF、luF、0. IuFUuF UuF、InF的另一端均連接至-1.5V端；luF、0. IuF并聯接至引腳AVSS，另一端接地。如圖7所示，采集模塊芯片ADS1298與主控芯片Atmega32的接口配置。ADS1298的引腳DRDY向Atmega32的引腳INT傳輸數據；Atmega32的引腳GPO向ADS1298的引腳CS傳輸數據；Atmega32的引腳SCLK向ADS1298的引腳SCLK傳輸數據；Atmega32的引腳MOSI向ADS1298的引腳DIN傳輸數據；ADS1298的引腳DOUT向Atmega32的引腳MISO傳輸數據。主控芯片模塊的Atmega32通過SPI接口的MOSI向ADS1298發送控制命令，包括采樣頻率、啟動命令、停止命令、PGA等。ADS1298采集完數據，并進行完AD轉換之后，標志位DRDY變低電平，觸發Atmega32外部中斷，Atmega32進入中斷程序,通過MISO端口讀取AD轉換結果；待讀取16個通道數據完成后，ADS1298自動進行下一次的數據采集、轉換，不斷循環重復此過程。如圖8所示，主控模塊芯片Atmega32將采集的16導ECoG信號數據經高速隔離光率禹傳輸至Atmega64,與此同時,上升沿觸發同步8bit事件記錄Atmega48芯片I/O端口 PO的數字信號，只要信號進行變化，就記錄一次，并且將同步8bit事件數據傳輸至Atmega64 ；ECoG信號數據與同步8bit事件數據在Atmega64中組包后，將同步數據包傳輸至USB2. O傳輸接口芯片CY7C68013，校驗確保傳輸路徑Atmega64 — CY7C68013的數據可靠性，而后再傳輸至PC機端口 ；并行采集的16導ECoG信號傳輸路徑為Atmega32—Atmega64—CY7C68013 ；上升沿觸發同步8bit事件的傳輸路徑是Atmega48 — Atmega64 — CY7C68013。整個主控芯片模塊Atmega32、Atmega48、Atmega64的供電采用醫用隔離電源DC/DC-5S5供電，隔離電壓滿足大于5kv，漏電流小于O. 05mA的設備安全隔離要求，高速隔離光耦采用A2611N、A2631N實現。如圖9所示，芯片CY7C68013與主控芯片的外圍接口配置；CY7C68013與主控模塊微處理器的連接方式采用Slave FIFOs，異步讀寫。Slave FIFOs方式是從機方式，微處理器可以像讀寫普通FIFO —樣對CY7C68013內部的多層緩沖FIFO進行讀寫。FLAGA、FLAGB和FLAGC是CY7C68013內部FIFO的狀態標志，主控芯片通過通用I/O端口獲得FIFO的空、半滿(由用戶設定半滿閾值)和滿等狀態信息；對CY7C68013內部FIFO的選擇，以及數據包的提交也通過通用I/O端口實現。CY7C68013與主控芯片的讀寫操作過程為外部主控芯片通過USB向PC發送數據時，首先查看空、半滿和滿這三個狀態信號，然后向USB 寫入適當大小的數據，以保證數據不會溢出；PC通過USB向外部主控芯片發送命令字時，USB通過中斷方式通知外部主控芯片讀取命令字。如圖10所示，主控芯片向CY7C68013 (FX2)進行寫操作，其接口引腳配置；
a.當寫事件發生時，指向INFIF0，激活通過FIF0ADR[1:0]指定寫FIFO地址；
b.判讀FLAGB“滿”標志，若不滿(為“假”)，則執行寫操作，若滿則等待，繼續判斷；
c.將SLRWR使能，通知FX2對其進行寫操作；
d.如果發送短包數據，則可以通過PKTEND通知68013執行未滿塊傳輸。如圖11所示，主控芯片向CY7C68013 (FX2)進行讀操作，其接口引腳配置；
a.當主控器收到由PDO發送的中斷信號時，說明有讀事件發生；
b.指向0UTFIF0，激活FIF0ADR[1:0]指定寫FIFO地址；
c.激活SLOE(控制FD[7:0]輸出使能)，判斷FIFO “空”標志，如果不空(為假)，則執行讀操作，否則停留在該狀態，繼續判斷；
d.激活SLOE和SLRD，傳送總線采樣數據，撤銷激活SLRD(指針加I)和SLOE ；
e.如果有更多的數據需要讀，則轉向“c”；
f.數據讀取完畢，根據相應指令做出相應處理。如圖12所示，CY7C68013的固件程序開發設計框架；腦電放大器上電或者復位后，初始化全局變量，接下來調用函數TD_init，接下來開啟中斷，條件判斷是否需要進行二次枚舉，如果是，就進行再次枚舉；如果否就連接設備，之后配置ADS1298 ;進入條件判斷是否有標準設備請求，如果是，就執行標準設備請求；如果否，就進入下一條件判斷；是否有總線掛起事件，如果否，跳至后續執行程序處；如果是，執行下一步，條件判斷函數TD_Suspend的值，如果否，跳至后續執行程序處；如果是，執行處理器掛起，進入循環，條件判斷是否重新開始事件；跳出循環后，執行調用函數TD_ReSume ;最后調用函數TD_Poll，讀取AD采集的數據結果，完成后自動跳轉至下一周期的數據讀取。如圖13所示，本發明基于ECoG信息交/直流測試信號進行測試，源信號幅值IOOuV,直流分量放大10倍，交流分量放大190倍，瞬時放大仿真效果良好，放大作用明顯，干擾噪聲成分小，信號失真率低。如圖14所示，進行臨床實驗，通過電刺激特定腦區誘發癲癇的方法，應用本發明實際采集、放大癲癇腦電ECoG信號，通過上位機軟件顯示，效果顯著。本發明的工作過程為采用植入式手術技術，將ECoG電極植入特定腦區；腦電信號放大器經USB 口連接至電腦，此時，數據線旁的紅色指示燈亮起，表示電源供電正常，可以開始采集/放大信號；ECoG腦電信號經Headstage阻抗變換(高阻變低阻)之后，進入炎化效應在線檢測網絡，可以根據檢測電極周圍腦組織的炎化程度來調整電極位置，信號進入交/直流放大模塊，并行采集模塊AD在主控芯片微處理器的控制下，對放大的ECoG信號直流/交流分量進行同步數據采集；同時，配置微處理器Atmega32的特定I/O端口，對內置 DA模塊發送控制指令，將特定數字信號轉換成正弦交流電壓信號，對檢測網絡進行校準，抑制零點漂移和溫度漂移。主控芯片模塊微處理器Atmega48、Atmega64與Atmega32通過高速隔離光耦進行通信，醫用隔離電源對兩部分微處理器供電；Atmega48的特定I/O端口上升沿觸發同步8bit事件與Atmega32傳輸的ECoG腦電信號在Atmega64處同步組包后,傳輸至USB傳輸接口芯片，同時，綠色指示燈亮起，表示接口芯片正在接收數據包，所得數據包經采集分析軟件實現癲癇信息的提取/顯示；專業醫務人員根據上位機所顯示采集的癲癇腦電信息，決定多通道刺激器是否輸出刺激電流，實現腦電信號放大閉環裝置。
權利要求
1.腦電信號放大器，由炎化效應在線檢測網絡、接口模塊、交/直流放大模塊、并行采集模塊、主控芯片模塊、隔離電源模塊、高速USB2. O傳輸模塊、癲癇信息提取/顯示模塊組成，其特征在于 所述的炎化效應實時在線檢測網絡旨在通過檢測電極一皮膚接觸面的阻抗值，判斷電極周邊腦組織的炎化程度，指導調整電極的植入深度，以確保ECoG信號采集的真實、準確性；其包括正弦信號發生端、反應電壓信號采集端、帶通濾波器；在電極一皮膚接觸面施加40nA的30Hz正弦交流電流，采集接觸面的反應電壓信號，經28Hz至30Hz的IIR帶通濾波器，檢測其幅值U，計算公式R=U/I得到接觸阻抗值，從而實現在線實時炎化效應檢測； 所述的炎化效應實時在線檢測網絡在主控芯片模塊的控制指令下，內置DA模塊將設定數字信號轉換成ImV的20Hz正弦交流電壓信號，對炎化效應實時在線檢測網絡進行標準，有效的抑制零點漂移和溫度漂移對系統的影響，保證ECoG信號采集的準確性； 所述的接口模塊包括模擬開關K1、K2，保護電阻Rl、R2;在主控芯片模塊發送的控制命令下，癲癇腦電信號采集/放大通道與反應性電刺激通道交替切換，由模擬開關切換的方式實現；iECoG放大器癲癇腦電信號放大器工作時，Κ2斷開，刺激電流回路不通；當要進行電刺激時，Kl斷開，放大通路斷開；刺激完成后，在規定時間間隔內快速閉合K1，切斷K2，保障放大器不飽和； 所述的交/直流放大模塊包括Headstage阻抗變換級、差分放大級、緩沖級、交流放大級；Headstage傳輸的采集ECoG信號經第一級差分放大后,模塊中的緩沖級和交流放大級對信號中的交流、直流成分分別進行放大提取，同時檢測癲癇腦電寬帶生理信號；采用雙極性儀表放大器AD620實現差分放大，輸出端連接至緩沖級的輸入端，其輸出的寬帶生理信號由模擬開關芯片TS12A12511所控，保證放大的ECoG信號包含了完整的寬帶生理信號；放大信號接緩沖級后，隔除直流分量之后再進入交流放大級，所述的交流放大級采用低功耗運算放大器TLC2272實現交流放大；直流、交流放大信號的輸出由模擬開關芯片TS12A12511所控，根據主控芯片模塊中的微處理器標志端口命令進行控制，所述的微處理器型號為Atmega32 ； 所述的并行采集模塊包括16個獨立AD轉換器，型號為ADS1298 ;能夠對16路ECoG腦電信號實時并行同步控制、采集，實現信號導聯間的同步性，完成高速同步采集，進而可以實現對ECoG信號的空間數學運算處理； 所述的主控芯片模塊包括ATMEGA系列的微處理器芯片Atmega32、Atmega48、Atmega64 ；Atmega32向并行采集模塊發送控制命令,根據標志位判斷是否進入外部中斷，進行數據讀取；其中，Atmega32與Atmega48、Atmega64之間的數字傳輸經過隔離光稱,供電電源部分采用醫用隔離電源；隔離電源模塊由光耦A2611N、A2631N及醫用隔離電源DC/DC-5S5組成，隔離電壓滿足大于5kv,漏電流小于O. 05mA的設備安全隔離要求； 所述的高速USB2. O傳輸模塊包括USB2. O接口芯片CY7C68013 ；USB2. O接口芯片CY7C68013同步接收上升沿觸發的8bit數字信號，與采集的腦電信號同步組包，傳輸到上位機；CY7C68013與主控芯片模塊的連接方式采用Slave FIFOs方式，異步讀寫模式； 所述的癲癇信息提取/顯示模塊包括上位機軟件算法實現Butterworth濾波,使通頻帶內具有最平滑頻率響應曲線，設置一階高通、二階低通兩種濾波器對所采集腦電數據進行濾波，實現多頻帶、多種濾波器，加速進行16導ECoG信號處理能力，完成顯示癲癇腦電ECoG信號的放大功能 。
全文摘要
本發明公開了一種腦電信號放大器。本發明中植入式電極采得ECoG信號，經Headstage阻抗變換之后，進入炎化效應在線檢測網絡，然后進入交/直流放大模塊，并在微處理器Atmega32的控制下，進行并行ECoG信號采集，采集所得數據通過SPI端口與主控芯片模塊進行數據傳輸。微處理器Atmega48、Atmega64與Atmega32通過高速隔離光耦進行通信；采集放大的腦電信號在微處理器Atmega64處組成數據包之后，傳輸至USB2.0芯片；數據包經采集分析軟件實現癲癇信息的提取/顯示。本發明可實現多通道并行采集、放大功能，有效剔除、抑制高頻干擾成分，能夠完整提取、顯示低頻癲癇腦電生理信息。
文檔編號A61B5/0476GK102894973SQ201210360848
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月25日 優先權日2012年9月25日
發明者王躍明, 胡裕軒, 郭建平, 鄭筱祥 申請人:浙江大學