一種基于容性電極的多通道皮層腦電采集系統的制作方法

本發明屬于生物醫學工程領域，涉及皮層腦電信號的放大采集，尤其涉及一種基于容性電極的多通道皮層腦電采集系統，應用于神經電生理方面的皮層腦電信號采集。

背景技術：

隨著中國各地腦計劃的推出，人們對大腦的研究腳步越來越快；伴隨腦科學研究的同時，治療腦部疾病的現代醫學得到快速發展。

近幾年人們開始對人類大腦思維活動所產生的生物電活動進行檢測和研究，ecog的采集方式屬于“植入式”，需要對被試進行開顱手術，將電極植入顱骨內的大腦皮層處。ecog相比eeg具有更高的空間分辨率和振幅，以及更寬的帶寬；在腦機接口的研究中，ecog也得到越來越多的應用。目前國內外，已經有不少研究小組發表了基于運動功能、語言功能和視覺系統的ecog腦機接口研究成果；皮層腦電信號因其獨特的優勢被廣泛的應用于癲癇和腦機接口等研究和應用領域。為了保證研究的準確性，需要根據動物的ecog信號特點設計出能夠用于腦功能研究的采集系統。在進行基于皮層腦電信號的研究時，由于要對被試進行開顱手術，所以往往選擇大鼠等動物來進行實驗。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種基于容性電極的多通道皮層腦電采集系統，用于實現ecog信號采集；本發明采用的技術方案為：

一種基于容性電極的多通道皮層腦電采集系統，包括容性陣列微電極、前置阻抗轉換模塊、模擬放大電路模塊、ad轉換模塊、主控芯片、電腦上位機及移動電源；所述容性陣列微電極耦合皮層腦電信號，經前置阻抗轉換模塊進行阻抗變換后通過模擬放大電路模塊放大處理信號，再經ad轉換模塊轉換后傳輸數據到主控芯片，主控芯片組成數據包經串口傳輸到電腦上位機進行顯示分析；所述移動電源用于系統供電。

進一步的，所述容性陣列微電極由從下往上依次重疊設置的絕緣介質層、金屬電極層和絕緣保護層構成，所述金屬電極層包括若干個水平排列的電極點，所述絕緣介質層與每個電極點均構成平行板電容。

進一步的，所述前置阻抗轉換模塊與容性陣列微電極相匹配，包括電壓跟隨器、偏置電阻(rb)、放大器及反饋電容(cc)，所述電壓跟隨器的正相端連接所述容性陣列微電極，所述偏置電阻一端接電壓跟隨器的正相端、另一端接地，所述放大器及反饋電容構成反饋回路，電壓跟隨器的輸出依次經放大器及反饋電容至其正相端，電壓跟隨器的輸出端連接所述模擬放大電路模塊。

更進一步的，所述放大器的放大倍數為：1+α，所述反饋電容的容值為：cc＝ci/α、ci為電壓跟隨器的輸入電容。

本發明中，如圖3所示，所述的適配于容性陣列微電極的前置阻抗轉換模塊主要由單位增益的電壓跟隨器構成；但由于容性陣列微電極的容抗很大，為實現匹配，則增加后端電路的輸入阻抗來避免采集信號的衰減尤為重要；本發明通過于容性陣列微電極連接一個大阻值的接地偏置電阻(rb)，提供一個回路從而來流過偏置電流；同時，容性陣列微電極的等效電容(cs)與電壓跟隨器中運放的輸入電容(ci)及接地偏置電阻(rb)共同構成一個無源高通濾波器；從而實現前置阻抗轉換模塊與容性陣列微電極的適配。

本發明的有益效果在于：提供一種基于容性電極的多通道皮層腦電采集系統，該系統中采用容性陣列微電極采集ecog信號，具有刺激小、空間分辨率高的特性，同時，通過與之相匹配的前置阻抗轉換模塊、模擬放大電路模塊、ad轉換模塊、主控芯片、電腦上位機及移動電源，即能夠實現ecog信號多通道并行高精度采集，濾除高頻信號，完整提取皮層腦電。

附圖說明

圖1是本發明提供基于容性電極的多通道皮層腦電采集系統原理示意圖。

圖2是本發明實施例中容性陣列微電極的模型圖。

圖3是本發明實施例中前置阻抗變換模塊的等效模型圖。

具體實施方式

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。

本實施例提供一種基于容性電極的多通道皮層腦電采集系統，其原理如圖1所示，包括：容性陣列微電極、適配于容性電極的前置阻抗轉換模塊、模擬放大電路、模數轉換模塊、微處理器、上位機和移動電源。

所述容性微電極陣列通過開顱手術將電極植入到大鼠腦皮層，本實施例采用容性微電極陣列如圖2所示，包括依次重疊設置的絕緣介質層3、金屬電極層2和絕緣保護層1，絕緣保護層用于防止腦組織直接接觸金屬電極，金屬電極層中的9個電極點通過走線連接至后端電路接口、其中7個作為活動電極、1個作為參考電極以及1個右腿驅動電極，絕緣介質層和金屬電極層中每個電極點構成平行板電容；皮層腦電信號通過絕緣介質層耦合至金屬電極層，并且每個電極的等效電容值誤差很小，進一步提升的系統的共模抑制比。由于是通過電容耦合電壓信號，在嚴格意義上并非直接接觸來傳遞信號，沒有漏電流，對大鼠足夠安全，也不會由于植入電極而誘發過敏反應；通過容性耦合皮層電位將電壓信號傳輸到后級前置阻抗轉換模塊。

所述前置阻抗轉換模塊主要作用在于通過單位增益電壓跟隨器進行阻抗匹配，增加了輸入阻抗，避免信號衰減；其等效電路圖如圖3所示，其中，rb為偏置電阻，cs為電極等效電容，ri和ci是電壓跟隨器放大器的輸入阻抗和輸入電容；當只考慮交流信號時：

綜合考慮增益時：

由此可得出電壓跟隨器過高的輸入電容會對耦合的腦電信號產生衰減，所以我們選用電壓跟隨器的放大器時，低噪聲和低輸入電容、高輸入阻抗變得尤為重要；

另外，將電壓跟隨器的輸出vout經反饋回路至其正相輸入端；反饋回路經過一個放大倍數為1+α的放大器，然后接入電容值為cc＝ci/α的反饋電容，滿足此關系式以至于流經反饋電容cc的電流正好等于流經等效輸入電容ci的電流，通過此種方法來減小輸入電容ci對耦合腦電信號的衰減；

同時，電極等效電容cs、放大器輸入電容和偏置電阻rb構成一個無源高通濾波器；其高通截止頻率為：

所述模擬放大電路對應于容性陣列微電極，包括7塊獨立的模擬放大模塊，用于對應7個通道；所述數模轉換模塊對應采用一個24位高精度ad；模擬放大模塊分為兩級，前級采用儀表運算放大器ad8221，用積分反饋電路模擬高通濾波，后級采用二階壓控有源低通濾波電路，放大后的單端信號通過ths4521轉換成差分信號輸入至模數轉換模塊，模數轉換芯片采用ads1278循環對每個通道處理模擬信號，輸出24位高精度數字信號。

所述微處理器采用stm32f103系列32位arm微控制器，其控制數據傳輸到主機進行數字濾波處理，濾除工頻干擾及其諧波；再通過藍牙或usb傳輸數據到上位機顯示分析。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，本說明書中所公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換；所公開的所有特征、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。