一種多通道神經元信號采集調控與傳輸裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開一種多通道神經元信號采集調控與傳輸裝置，該裝置包括前置阻抗轉換模塊、模擬放大及模數轉換板、數據采集和處理模塊、數據傳輸控制模塊、刺激控制器、刺激波形生成模塊、移動電源、網口/光纖轉換模塊和上位機。本發明針對神經電生理對神經元信息分析的要求，設計了基于FPGA的多通道并行采集和可進行同步刺激的裝置，適用于針對動物的多通道神經元信號提取，提供了多種可編程的刺激波形。本發明控制靈活，操作方便，通過一個上位機命令包可同時控制系統各部分完成多種神經電生理實驗，提取使用者感興趣的信息，是一種新型可靠的神經電生理實驗工具。
【專利說明】一種多通道神經元信號采集調控與傳輸裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于生物醫學工程領域，涉及生物電信號的采集處理技術，尤其涉及一種多通道神經元信號采集調控與傳輸裝置，應用于神經電生理方面的信號采集與實驗刺激。
【背景技術】
[0002]神經科學在當今的科研領域是一個重要的分支，從微觀層面、介觀層面到宏觀層面都有很多的研究團隊從事相關的工作。這其中，在介觀層對神經元功能的理解和調控方面，神經元電信號的獲取和調控是研究必須的手段。
[0003]哺乳類動物的很多行為是通過大腦的神經元間的相互作用來實現，對于腦特定功能在神經元層的分析和理解需要在腦功能活動的狀態下獲取到相關的神經元活動的信息。神經元信號的放電頻率一般在300Hz以上，而與生物腦組織可相容的微電極一般采用鎳鎘合金等材料，神經元信號具有高阻抗特性。微電極記錄到的多通道神經元放電可以用于研究個體在接收某一刺激或者執行任務時腦區間神經元放電在時間、空間的聯系。
[0004]恒流刺激是分析腦認知因果關系的重要方法，通過將特定形狀和頻率的電流施加于生物體，可以在生物體行為上產生特定反應，并同步記錄相對應的腦神經元信息，對于分析腦功能具有重要的價值。
[0005]神經動作電位引起細胞外跨膜離子流的改變，繼而引起膜外電壓的改變，微電極可以探測到這種改變，從而在記錄電極和參考電極間產生電位。傳統的采集和獲取技術多采用多通道模擬切換的方式，在性能上很難保證通道間的相位同步。而多數的刺激采集系統仍采用切換的模式進行，無法同步采集刺激下的神經元活動。因此，多通道神經元信號采集調控與傳輸可以為神經科學研究提供一可靠、便捷的工具，對神經科學的基礎研究、腦功能調控研究、腦機接口等領域都具有非常重要的意義。
[0006]中國專利申請號為:201010183442.6，名稱為:基于微電極陣列的多通道神經信息檢測系統，該申請案涉及神經生物學檢測技術，包括模擬開關陣列，電生理信號檢測電路，電化學信號檢測電路，電刺激信號發生電路，多路AD轉換電路，溫度檢測電路，高速USB傳輸電路，無線藍牙通訊模塊和計算機上運行的數據處理軟件等。中國專利申請號為:201210358686.2，名稱為:用于神經元刺激及電信號記錄的光電陣列及制備方法，以上技術分別提供了一種神經元采集和刺激裝置及方法，其不足之處是:前者是基于多通道切換技術，無法實現多通道的同步，后者采用的是光刺激技術和光電微陣列技術，與本申請案有著本質的不同。
[0007]《儀器儀表學報》2001年第25卷第17期中的“虛擬神經元動作電位信號記錄儀”一文介紹了針對神經元動作電位信號，利用了計算機聲卡和Windows9x的DirectX API軟件，實現了對神經元信號的采集，但是只適用于基于電腦平臺，且通道數有限。《山東科技大學學報》(自然科學版)，2009年第28卷第9期中的“微型信號采集與處理系統”一文介紹了采用PsoC芯片建立了一個便攜的微型記錄系統，實現了對神經元信號的采集，但是其基于串行通信，無法實現多通道的數據采集。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供一種多通道神經元信號同步采集調控與刺激系統，適合于在神經電生理實驗中采集到高信噪比的神經元電信號，同時結合弱電流刺激作為腦功能調控源的裝置。
[0009]為實現上述目的，本發明是通過以下技術方案實現的:
[0010]一種多通道神經元信號采集調控與傳輸裝置，包括前置阻抗轉換模塊、模擬放大及模數轉換模塊、數據采集和處理模塊、數據傳輸控制模塊、刺激控制器、刺激波形生成模塊、移動電源、網口 /光纖轉換模塊和上位機，其中:
[0011]所述的前置阻抗轉換模塊與所述的模擬放大及模數轉換模塊相連，所述的前置阻抗轉換模塊，通過微電極將神經元信號實現阻抗轉換和提取，每個采集通道獨立放大，采用積分反饋電路實現模擬高通濾波，64通道神經元信號做二級放大后經24位模數轉換做并行數字化處理；
[0012]所述的數據采集和處理模塊通過接口與所述的模擬放大及模數轉換模塊相連，所述的數據采集和處理模塊用于多通道數據采集與同步處理，按照用戶命令自動選擇數據傳輸模式建立數據包；
[0013]所述的數據采集和處理模塊與所述的數據傳輸控制模塊相連，所述的數據傳輸控制模塊將采集的數據根據所述的上位機命令進行解析，向所述的數據采集和處理模塊和所述的刺激控制器 發送控制信息，并通過光纖向所述的網口 /光纖轉換模塊回傳數據；
[0014]所述的刺激控制器與所述的數據傳輸控制模塊采用UART傳輸方式，所述的刺激控制器用于存儲波形數字序列，接收控制指令并調整波形參數，向所述的刺激波形生成模塊發送波形數字序列；
[0015]所述的刺激波形生成模塊用于生成模擬刺激波形，輸出8通道電流刺激，它與所述的刺激控制器之間通過并行DA模塊相連接。
[0016]所述的前置阻抗轉換模塊由一單倍增益的低漂移運放單元組成，將高阻抗神經信號轉換為低阻抗信號；通過接口與微電極相連，實現對神經元阻抗的轉換，并將信息傳輸給所述的模擬放大及模數轉換模塊。
[0017]所述的模擬放大及模數轉換模塊由8個相同的模數轉換電路板組成，每個模數轉換電路板采集8通道的模擬信號經兩級放大后進行24位AD轉換，每個模數轉換電路板的第一級放大采用儀表放大器(INA128)，所有的輸入通道為雙極導聯方式輸入。
[0018]所述的數據采集和處理模塊采用208腳的FPGA (EP2C8NQ208)芯片，實現并行采集，通過給8個模數轉換電路板發送片選命令循環讀取64個通道的并行24位數據，每個通道的24位數據根據采樣信號的平均值自動選擇16位數據位并接收控制指令選擇數據傳輸模式，建立數據包存儲在數據存儲器中并向所述的數據傳輸控制模塊發送數據存儲信息；所述的數據采集和處理模塊提供5種數據傳輸模式:64通道24位原始數據流、64通道16位原始數據流、64通道中任意通道組合的spike波形、所有64通道Ims內spike波形和任意單通道16位原始數據及這個通道的spike波形。
[0019]所述的數據采集和處理模塊中FPGA為原始數據和每個spike波形建立90bytes的數據包，并提取本地時間添加2bytes的時間標記和Ibyte的通道標記，并為64個采集通道建立相對應的64個FIFO存儲區，將建立的各93bytes的數據包分別存放于對應通道的FIFO中，根據控制指令整合數據包并向所述的數據傳輸控制模塊反饋存儲信息。
[0020]所述的數據傳輸控制模塊根據所述的數據采集和處理模塊反饋的存儲信息選擇數據存儲器讀取數據包，所述的數據傳輸控制模塊接收19bytes上位機指令包，根據上位機指令包自動向所述的數據采集和處理模塊發送數據傳輸模式控制命令，通過UART接口向所述的刺激控制器發送刺激波形控制命令，所述的數據傳輸控制模塊根據反饋的存儲信息選擇存儲器讀取數據包并以lOOMbit/s速度通過光纖接口發送給所述的網口 /光纖轉換模塊，所述的網口/光纖轉換模塊集成了網口通信協議將讀取的數據包按照網口協議以100Mbit/s速度發送給上位機的網口。 [0021]所述的刺激控制器中有數據存儲器，存儲有雙極性脈沖、單極性脈沖、單脈沖、正弦、半正弦、三角波、反余弦、Iilly波、類Iilly波和次Iilly波的數字波形序列，所述的刺激控制器接收控制命令，根據命令選擇波形并按照命令要求修改相關波形參數，向所述的刺激波形生成模塊傳輸數字波形序列。
[0022]所述的刺激波形生成模塊包括:數模轉換電路、電壓調整電路、光耦隔離電路和電壓-電流轉換電路；所述的數模轉換電路和所述的電壓調整電路將所述的刺激控制器發送的數字波形序列轉換為8通道模擬電壓波形，所述的數模轉換電路芯片采用AD8600，輸入8位并行數據波形序列輸出電壓波形，8通道的電壓波形經所述的光耦隔離電路和所述的電壓-電流轉換電路后得到穩定的刺激電流傳輸到刺激電極上。
[0023]所述的移動電源采用由4塊單個容量為4200mAH的鋰電池組成，通過兩塊電池串聯后并聯組成輸出電壓為7.4V容量為16800mAH的鋰電池供電組；所述的移動電源采用可充電設計并設有充電保護電路和放電保護電路，所述的充電保護電路與電池組的充電端連接并提供外接充電接口，電池組的放電端連接所述的放電保護電路為系統各個部分供電。
[0024]由于采用上述技術方案，本發明提供的一種多通道神經元信號采集調控與傳輸裝置，與現有技術相比具有這樣的有益效果:
[0025]本發明針對神經電生理對神經元信息分析的要求，設計了基于FPGA的多通道并行采集和可進行同步刺激的裝置，適用于針對動物的多通道神經元信號提取，提供了多種可編程的刺激波形。本發明控制靈活，操作方便，通過一個上位機命令包可同時控制系統各部分完成多種神經電生理實驗，提取使用者感興趣的信息，是一種新型可靠的神經電生理實驗工具。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明的裝置原理示意圖；
[0027]圖2是64通道數據采集原理框圖；
[0028]圖3A是上位機的控制命令包幀組成格式；
[0029]圖3B是數據傳輸模式指令表；
[0030]圖3C是刺激波形選擇指令表；
[0031]圖4是采集數據組合處理流程圖；
[0032]圖5是位選表；
[0033]圖6是數據包建立過程；[0034]圖7是系統采集到的神經元信號和spike波形；
[0035]圖8是8通道電流刺激原理框圖；
[0036]圖9是上位機刺激命令界面。
【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖對本發明的實施例做詳細說明:本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0038]實施例
[0039]如圖1所示，本實施例涉及的多通道神經元信號采集調控與傳輸裝置，包括:前置阻抗轉換模塊、模擬放大及數模轉換模塊、數據采集和處理模塊、數據傳輸控制模塊、刺激控制器、刺激波形生成模塊、移動電源、網口 /光纖轉換模塊和上位機；
[0040]其中:前置阻抗轉換模塊將神經元信息轉換為低阻抗信號給模擬放大及數模轉換模塊，模擬放大及數模轉換模塊負責64通道的信號放大和轉換，轉換后的數據傳送給數據采集和處理模塊，數據采集和處理模塊根據上位機的命令實現數據包格式轉換，轉換后的數據包通過高速光纖、網口 /光纖轉換模塊的網口傳輸給上位機。在需要刺激時，上位機發送刺激命令，通過刺激控制器對刺激進行命令解析發送給刺激波形生成模塊，通過刺激電極作用于腦神經元。
[0041]所述的前置阻抗轉換模塊由低漂移、低噪聲的運放構成，運放供電采用雙極供電模式，保證了模擬量的獲取。
[0042]所述的模擬放大及模數轉換模塊由8個獨立的板卡構成，每個板卡功能相同，模擬放大采用兩級放大，前級采用儀表運放INAl28，采用積分反饋電路作為兩級放大之間的高通模擬濾波，每8個通道采用一片24位AD做模數轉換。
[0043]如圖2所示，所述的數據采集和處理模塊包括FPGA數據采集電路和數據存儲器。數據采集電路采用Altera公司的208腳的FPGA (EP2C8NQ208)芯片，數據采集存儲過程是:接收控制命令選擇數據傳輸模式，給8個模數轉換小電路板循環發送片選命令，循環讀取64個通道的并行24位數據，根據數據傳輸模式建立數據包存儲在數據存儲器中，向數據傳輸控制模塊發送數據存儲信息。
[0044]所述的數據傳輸控制模塊是一個微處理器STM32F4系統，微處理器的工作過程是:通過光纖接口接收上位機19bytes的控制命令包，解碼命令包得到用戶對系統的控制信息，向數據采集和處理模塊發送數據傳輸模式控制指令、向刺激控制器發送波形和波形參數控制命令，微處理器接收數據采集和處理模塊的反饋信息選擇數據存儲器開始讀取數據包，微處理器以lOOMbit/s的速度通過光纖向網口 /光纖轉換模塊發送數據包。
[0045]如圖3A所示，所述上位機的控制命令數據幀格式從最低位到最高位依次包括:Ibyte數據傳輸模式位、8byte的選擇采集通道位、Ibyte的刺激波形位和9byte的刺激波形參數位。
[0046]如圖3B所示，數據傳輸模式指令表由8位二進制組成，選擇的模式包括5種。
[0047]如圖3C所示，刺激波形選擇指令表由8位二進制組成，選擇的刺激波形包括10種。[0048]本實施例涉及的數據處理過程，如圖4所示，該過程包括以下步驟:
[0049]第一步，FPGA數據接收單元獲得同步接收的64通道數據；
[0050]第二步，根據上位機命令，若要求為24位數據原始數據流，直接進入24位數據提取模式?’若為16位數據位模式，進入16位數據自動選擇狀態；
[0051]第三步，根據上位機命令，選擇數據輸出模式；
[0052]第四步，根據數據輸出模式進行數據打包，16位格式的數據包主要包括4種模式；
[0053]第五步，在數據包中添加時間標志和通道標記；
[0054]第六步，建立總的數據包。
[0055]如圖5所示,所述的數據包與數據位數對應范圍與選擇位數、精度等參數相關。
[0056]如圖6所示，所述的數據包的建立過程包括如下步驟:
[0057]第一步，FPGA接收微處理器發送的控制指令選擇數據傳輸模式，FPGA根據采集開始的前2s采樣數據自動選擇16位；
[0058]第二步，FPGA通過閾值法提取spike波形并為原始數據和每個spike波形建立90bytes的數據包,并根據本地時間添加2bytes的時間標記、Ibyte的通道標記和Ibyte位選標記；
[0059]第三步，FPG A為64個采集通道分別建立相對應的64個2K大小的FIFO存儲區；
[0060]第四步，將建立的93bytes的數據包分別存放于對應通道的FIFO中，根據上位機指令整合數據包存儲在數據存儲器中并向微處理器發送存儲信息。
[0061]所述的數據采集和處理模塊根據上位機指令自動選擇24位數據中的16位處理，選擇的過程是:持續采集2s的數據，計算各采樣數據的平均值，根據平均值對照位選表選擇符合條件的最大輸入范圍，組合16位數據。
[0062]如圖7所示，所述的神經元信號和spike波形是系統采集到在上位機顯示的波形。
[0063]如圖8所示，電流刺激部分由刺激控制器通過UART接口接收數據傳輸控制模塊中微處理器發送的波形生成命令，與刺激控制器相連的數據存儲器中存儲有雙極性脈沖、單極性脈沖、單脈沖、正弦、半正弦、三角波、反余弦、Iilly波、類Iilly波和次Iilly波數字波形序列。刺激控制器根據波形命令和波形參數要求調用并修改相應數字波形序列發送給波形生成部分。
[0064]波形生成部分包括數模轉換芯片、電壓調整、光耦隔離芯片和電壓-電流轉換電路芯片。
[0065]所述的數模轉換芯片是AD8600芯片；
[0066]所述的光耦隔離芯片是TLP521芯片；
[0067]所述的電壓-電流轉換電路芯片是由高壓運放0PA454組成。
[0068]如圖9所示，所述上位機的刺激命令中包含10種刺激波形，每種刺激波形有相應的波形參數可調整，為使用者提供簡單方便的刺激操作。
[0069]以上所述僅為本發明的優選實施例，并非因此限制本發明的保護范圍，凡是利用本
【發明內容】
所作的等效結構或流程變換，或直接或間接運用在其它相關的【技術領域】，均在本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種多通道神經元信號采集調控與傳輸裝置，其特征在于:包括前置阻抗轉換模塊、模擬放大及模數轉換模塊、數據采集和處理模塊、數據傳輸控制模塊、刺激控制器、刺激波形生成模塊、移動電源、網口 /光纖轉換模塊和上位機，其中: 所述的前置阻抗轉換模塊與所述的模擬放大及模數轉換模塊相連，所述的前置阻抗轉換模塊，通過微電極將神經元信號實現阻抗轉換和提取，每個采集通道獨立放大，采用積分反饋電路實現模擬高通濾波，64通道神經元信號做二級放大后經24位模數轉換做并行數字化處理； 所述的數據采集和處理模塊通過接口與所述的模擬放大及模數轉換模塊相連，所述的數據采集和處理模塊用于多通道數據采集與同步處理，按照用戶命令自動選擇數據傳輸模式建立數據包； 所述的數據采集和處理模塊與所述的數據傳輸控制模塊相連，所述的數據傳輸控制模塊將采集的數據根據所述的上位機命令進行解析，向所述的數據采集和處理模塊和所述的刺激控制器發送控制信息，并通過光纖向所述的網口 /光纖轉換模塊回傳數據； 所述的刺激控制器與所述的數據傳輸控制模塊采用UART傳輸方式，所述的刺激控制器用于存儲波形數字序列，接收控制指令并調整波形參數，向所述的刺激波形生成模塊發送波形數字序列； 所述的刺激波形生成模塊用于生成模擬刺激波形，輸出8通道電流刺激，它與所述的刺激控制器之間通過并行DA模塊相連接。
2.根據權利要求1所述的一種多通道神經元信號采集調控與傳輸裝置，其特征在于:所述的前置阻抗轉換模塊由一單倍增益的低漂移運放單元組成，將高阻抗神經信號轉換為低阻抗信號；通過接口與微電極相連，實現對神經元阻抗的轉換，并將信息傳輸給所述的模擬放大及模數轉換模塊。
3.根據權利要求1所述的一種多通道神經元信號采集調控與傳輸裝置，其特征在于:所述的模擬放大及模數轉換模塊由8個相同的模數轉換電路板組成，每個模數轉換電路板采集8通道的模擬信號經兩級放大后進行24位AD轉換，每個模數轉換電路板的第一級放大采用儀表放大器，所有的輸入通道為雙極導聯方式輸入。
4.根據權利要求1所述的一種多通道神經元信號采集調控與傳輸裝置，其特征在于:所述的數據采集和處理模塊采用208腳的FPGA芯片，實現并行采集，通過給8個模數轉換電路板發送片選命令循環讀取64個通道的并行24位數據，每個通道的24位數據根據采樣信號的平均值自動選擇16位數據位并接收控制指令選擇數據傳輸模式，建立數據包存儲在數據存儲器中并向所述的數據傳輸控制模塊發送數據存儲信息；所述的數據采集和處理模塊提供5種數據傳輸模式:64通道24位原始數據流、64通道16位原始數據流、64通道中任意通道組合的spike波形、所有64通道Ims內spike波形和任意單通道16位原始數據及這個通道的spike波形。
5.根據權利要求1所述的一種多通道神經元信號采集調控與傳輸裝置，其特征在于:所述的數據采集和處理模塊中FPGA為原始數據和每個spike波形建立90bytes的數據包，并提取本地時間添加2bytes的時間標記和Ibyte的通道標記，并為64個采集通道建立相對應的64個FIFO存儲區，將建立的各93bytes的數據包分別存放于對應通道的FIFO中，根據控制指令整合數據包并向所述的數據傳輸控制模塊反饋存儲信息。
6.根據權利要求1所述的一種多通道神經元信號采集調控與傳輸裝置，其特征在于:所述的數據傳輸控制模塊根據所述的數據采集和處理模塊反饋的存儲信息選擇數據存儲器讀取數據包，所述的數據傳輸控制模塊接收19bytes上位機指令包，根據上位機指令包自動向所述的數據采集和處理模塊發送數據傳輸模式控制命令，通過UART接口向所述的刺激控制器發送刺激波形控制命令，所述的數據傳輸控制模塊根據反饋的存儲信息選擇存儲器讀取數據包并以lOOMbit/s速度通過光纖接口發送給所述的網口 /光纖轉換模塊，所述的網口 /光纖轉換模塊集成了網口通信協議將讀取的數據包按照網口協議以lOOMbit/s速度發送給上位機的網口。
7.根據權利要求1所述的一種多通道神經元信號采集調控與傳輸裝置，其特征在于:所述的刺激控制器中有數據存儲器，存儲有雙極性脈沖、單極性脈沖、單脈沖、正弦、半正弦、三角波、反余弦、Iilly波、類Iilly波和次Iilly波的數字波形序列，所述的刺激控制器接收控制命令，根據命令選擇波形并按照命令要求修改相關波形參數，向所述的刺激波形生成模塊傳輸數字波形序列。
8.根據權利要求1所述的一種多通道神經元信號采集調控與傳輸裝置，其特征在于:所述的刺激波形生成模塊包括:數模轉換電路、電壓調整電路、光耦隔離電路和電壓-電流轉換電路；所述的數模轉換電路和所述的電壓調整電路將所述的刺激控制器發送的數字波形序列轉換為8通道模擬電壓波形，所述的數模轉換電路芯片采用AD8600，輸入8位并行數據波形序列輸出電壓波形，8通道的電壓波形經所述的光耦隔離電路和所述的電壓-電流轉換電路后得到穩定的刺激電流傳輸到刺激電極上。
9.根據權利要求1所述的一種多通道神經元信號采集調控與傳輸裝置，其特征在于:所述的移動電源采用由4塊單個容量為4200mAH的鋰電池組成，通過兩塊電池串聯后并聯組成輸出電壓為7.4V容量為16800mAH的鋰電池供電組；所述的移動電源采用可充電設計并設有充電保護電 路和放電保護電路，所述的充電保護電路與電池組的充電端連接并提供外接充電接口，電池組的放電端連接所述的放電保護電路為系統各個部分供電。
【文檔編號】A61B5/04GK103584851SQ201310507608
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月24日 優先權日:2013年10月24日
【發明者】梁振虎, 李小俚, 白洋, 古悅 申請人:燕山大學