專利名稱：腦電信號(hào)放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種腦電信號(hào)放大裝置，尤其涉及一種針對(duì)臨床癲癇病人腦電ECoG信號(hào)，具備多通道并行采集、放大功能的放大裝置。
背景技術(shù)：
癲癇，俗稱羊癲瘋，是一種神經(jīng)系統(tǒng)疾病，通常是腦病變?cè)斐傻哪X細(xì)胞突然異常的過度放電所引發(fā)的腦功能失調(diào)。統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó)癲癇患病率為O. 7%，據(jù)此估算我國(guó)現(xiàn)有癲癇患者約900萬人，且以每年27萬的速率增長(zhǎng)。癲癇是嚴(yán)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(fā)作具有突然性、暫時(shí)性和反復(fù)性三大特點(diǎn)，以腦部神經(jīng)元過度放電引起突然反復(fù)和短暫的中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能失常為特征。
治愈癲癇是世界性難題，而采集癲癇發(fā)作時(shí)的腦電信號(hào)則是探究治愈方法的必經(jīng)之路。Neuroscan公司早在1992年成功推出SynAmps腦電信號(hào)放大器,至今已經(jīng)廣泛使用于世界眾多研究機(jī)構(gòu)，成為電生理信息放大裝置領(lǐng)域的絕對(duì)權(quán)威。2000年該公司推出了SynAmps 2，其繼續(xù)采用集成可編程軟件，使數(shù)據(jù)的采集具有最大靈活性，保證進(jìn)行高質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集。腦電ECoG信號(hào)包含大量的生理信息，對(duì)探索治愈癲癇具有重要意義。本裝置主要針對(duì)ECoG信號(hào)，內(nèi)置集成采集、放大功能，16個(gè)采集通道并行采集，可對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行空間數(shù)學(xué)運(yùn)算，提供多樣生理含義；針對(duì)癲癇腦電ECoG信號(hào)的生理特點(diǎn)，經(jīng)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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在針對(duì)現(xiàn)有癲癇腦電信號(hào)研究領(lǐng)域的不足，提供一種基于癲癇腦電ECoG信號(hào)的放大器。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的
腦電信號(hào)放大器，由炎化效應(yīng)在線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)、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(yīng)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)旨在通過檢測(cè)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(dǎo)調(diào)整電極的植入深度，以確保ECoG信號(hào)采集的真實(shí)、準(zhǔn)確性。其包括正弦信號(hào)發(fā)生端、反應(yīng)電壓信號(hào)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(yīng)電壓信號(hào)，經(jīng)28Hz至30Hz的IIR帶通濾波器，檢測(cè)其幅值U，計(jì)算公式R=U/I得到接觸阻抗值，從而實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)炎化效應(yīng)檢測(cè)。所述的炎化效應(yīng)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)在主控芯片模塊的控制指令下，內(nèi)置DA模塊將設(shè)定數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成ImV的20Hz正弦交流電壓信號(hào)，對(duì)炎化效應(yīng)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)，有效的抑制零點(diǎn)漂移和溫度漂移對(duì)系統(tǒng)的影響，保證ECoG信號(hào)采集的準(zhǔn)確性。所述的接口模塊包括模擬開關(guān)K1、K2，保護(hù)電阻R1、R2;在主控芯片模塊發(fā)送的控制命令下，癲癇腦電信號(hào)采集/放大通道與反應(yīng)性電刺激通道交替切換，由模擬開關(guān)切換的方式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)ECoG放大器癲癇腦電信號(hào)放大器工作時(shí)，K2斷開，刺激電流回路不通；當(dāng)要進(jìn)行電刺激時(shí)，Kl斷開，放大通路斷開；刺激完成后，在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)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(jí)、差分放大級(jí)、緩沖級(jí)、交流放大級(jí)；Headstage傳輸?shù)牟杉疎CoG信號(hào)經(jīng)第一級(jí)差分放大后,模塊中的緩沖級(jí)和交流放大級(jí)對(duì)信號(hào)中的交流、直流成分分別進(jìn)行放大提取，同時(shí)檢測(cè)癲癇腦電寬帶生理信號(hào)。采用雙極性儀表放大器AD620實(shí)現(xiàn)差分放大，輸出端連接至緩沖級(jí)的輸入端，其輸出的寬帶生理信號(hào)由模擬開關(guān)芯片TS12A12511所控，保證放大的ECoG信號(hào)包含了完整的寬帶生理信號(hào)；放大信號(hào)接緩沖級(jí)后，隔除直流分量之后再進(jìn)入交流放大級(jí)，所述的交流放大級(jí)采用低功耗運(yùn)算放大器TLC2272實(shí)現(xiàn)交流放大；直流、交流放大信號(hào)的輸出由模擬開關(guān)芯片TS12A12511所控，根據(jù)主控芯片模塊中的微處理器標(biāo)志端口命令進(jìn)行控制，所述的微處理器型號(hào)為Atmega32。所述的并行采集模塊包括16個(gè)獨(dú)立AD轉(zhuǎn)換器，型號(hào)為ADS1298 ;能夠?qū)?6路ECoG·腦電信號(hào)實(shí)時(shí)并行同步控制、采集，實(shí)現(xiàn)信號(hào)導(dǎo)聯(lián)間的同步性，完成高速同步采集，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)ECoG信號(hào)的空間數(shù)學(xué)運(yùn)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(fā)送控制命令,根據(jù)標(biāo)志位判斷是否進(jìn)入外部中斷，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。其中，Atmega32與Atmega48、Atmega64之間的數(shù)字傳輸經(jīng)過隔離光I禹,供電電源部分采用醫(yī)用隔離電源。隔離電源模塊由光耦A(yù)2611N、A2631N及醫(yī)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(shè)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(fā)的8bit數(shù)字信號(hào)，與采集的腦電信號(hào)同步組包，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。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(jī)軟件算法實(shí)現(xiàn)Butterworth濾波，使通頻帶內(nèi)具有最平滑頻率響應(yīng)曲線，設(shè)置一階高通、二階低通兩種濾波器對(duì)所采集腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，實(shí)現(xiàn)多頻帶、多種濾波器，加速進(jìn)行16導(dǎo)ECoG信號(hào)處理能力，完成顯示癲癇腦電ECoG信號(hào)的放大功能。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明旨在針對(duì)癲癇腦電ECoG信號(hào)，實(shí)現(xiàn)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(fā)明腦電信號(hào)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(jí)差分放大部分電路原理 圖5為交/直流放大模塊中第二級(jí)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(shè)計(jì)框架 圖13為本發(fā)明基于ECoG信息交/直流瞬時(shí)放大仿真測(cè)試效果示意 圖14為本發(fā)明實(shí)際采集、放大癲癇腦電ECoG信號(hào)效果示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
如圖I所示，本發(fā)明腦電信號(hào)放大器包括炎化效應(yīng)在線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)、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(hào)，經(jīng)Headstage阻抗變換(高阻變低阻)之后，進(jìn)入炎化效應(yīng)在線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，可以根據(jù)檢測(cè)電極周圍腦組織的炎化程度來調(diào)整電極位置，以保證ECoG信號(hào)采集的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，ECoG信號(hào)進(jìn)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(jìn)行16通道并行ECoG信號(hào)交/直流分量同步數(shù)據(jù)采集，采集所得數(shù)據(jù)通過SPI端口與主控芯片模塊AVR MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；同時(shí)，配置Atmega32的特定I/O端口，對(duì)內(nèi)置DA模塊發(fā)送控制指令，將特定數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成ImV的20Hz正弦交流電壓信號(hào)，從而對(duì)炎化效應(yīng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校準(zhǔn)，有效的抑制零點(diǎn)漂移和溫度漂移對(duì)系統(tǒng)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集,微處理器Atmega48、Atmega64與Atmega32通過高速隔離光I禹進(jìn)行通信，高速隔離光耦芯片型號(hào)為A2611N、A2631N ；醫(yī)用隔離電源型號(hào)為DC/DC-5S5，對(duì)主控芯片模塊AVR MCU進(jìn)行供電；采集放大的腦電信號(hào)在微處理器Atmega64處組成數(shù)據(jù)包之后，傳輸至USB2. O芯片CY7C68013FX2，芯片CY7C68013FX2采用USB供電技術(shù)；數(shù)據(jù)包經(jīng)采集分析軟件實(shí)現(xiàn)癲癇信息的提取/顯示。如圖2所示，Kl、K2為模擬開關(guān)，Rl、R2為保護(hù)電阻，箭頭方向示意刺激電流和ECoG信號(hào)采集的流向；κ 的一端與保護(hù)電阻Rl —端連接，Kl另一端連接至癲癇腦電信號(hào)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(hù)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(dāng)癲癇腦電信號(hào)放大器工作時(shí)，電刺激輸入端Κ2切斷，刺激電流回路不通；當(dāng)要進(jìn)行電刺激時(shí)，放大器輸入端Kl切斷，放大通路斷開；刺激完成后，在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)快速閉合放大器輸入端開關(guān)Κ1，切斷電刺激輸入端開關(guān)Κ2，保障癲癇腦電信號(hào)放大器不飽和。如圖3所不，Headstage傳輸?shù)拿准疎CoG信號(hào)經(jīng)低通濾波器后,傳輸至第一級(jí)差分放大部分，采用雙極性儀表放大器AD620實(shí)現(xiàn)差分放大，模塊第二級(jí)對(duì)信號(hào)中的交流、直流成分分別進(jìn)行放大提取，檢測(cè)癲癇腦電寬帶生理信號(hào)。差分放大級(jí)的輸出端連接至緩沖器(Buffer)的輸入端，緩沖器由低功耗運(yùn)放TLC2272搭建的電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)，隔除直流分量之后再進(jìn)入交流放大部分，采用低功耗運(yùn)算放大器TLC2272實(shí)現(xiàn)交流放大；直流、交流放大信號(hào)的輸出分量由模擬開關(guān)芯片TS12A12511所控,微處理器芯片標(biāo)志端口輸出的控制命令控制芯片TS12A12511，所述的微處理器型號(hào)為Atmega32。如圖4所示，交/直流放大模塊中第一級(jí)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(diào)制電阻R3連接至Ul的調(diào)制電阻引腳，Ul的正向輸入端連接ECoG輸入信號(hào)，負(fù)向輸入端接參考信號(hào)，正極性電源引腳接VCC，負(fù)極性電源引腳接VDD, Ul接地引腳連接至GND，輸出引腳接后續(xù)電路模塊。如圖5所示，交/直流放大模塊中第二級(jí)交流放大部分包括運(yùn)放U2、電容C、電阻R4、R5、R6 ;其中電容C與電阻R4構(gòu)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(hào)；電阻R5的一端接至U2的負(fù) 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(gòu)成負(fù)反饋電路；U2的正極性電源引腳接VCC，負(fù)極性電源引腳接VDD ；U2采用低功耗運(yùn)算放大器TLC2272實(shí)現(xiàn)。如圖6所示，本發(fā)明AD轉(zhuǎn)換模塊選用芯片ADS1298，每個(gè)芯片擁有8個(gè)獨(dú)立的AD，采用貼片式封裝，64個(gè)引腳；方案所需16通道ECoG信號(hào)采集，需用2片芯片實(shí)現(xiàn)，ADS1298具有低功耗、輸入?yún)⒖荚肼暤偷葍?yōu)良電路特性以及豐富的接口資源，方便外圍電路的設(shè)計(jì)。ADS1298采用雙電源配置方案，保證零電勢(shì)參考平面的穩(wěn)定；luF、0. IuF并聯(lián)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(lián)端接至引腳DVDD，引腳DVDD接電源+1. 8V ；0. IuFUOuF并聯(lián)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(lián)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(shù)據(jù)；Atmega32的引腳GPO向ADS1298的引腳CS傳輸數(shù)據(jù)；Atmega32的引腳SCLK向ADS1298的引腳SCLK傳輸數(shù)據(jù)；Atmega32的引腳MOSI向ADS1298的引腳DIN傳輸數(shù)據(jù)；ADS1298的引腳DOUT向Atmega32的引腳MISO傳輸數(shù)據(jù)。主控芯片模塊的Atmega32通過SPI接口的MOSI向ADS1298發(fā)送控制命令，包括采樣頻率、啟動(dòng)命令、停止命令、PGA等。ADS1298采集完數(shù)據(jù)，并進(jìn)行完AD轉(zhuǎn)換之后，標(biāo)志位DRDY變低電平，觸發(fā)Atmega32外部中斷，Atmega32進(jìn)入中斷程序,通過MISO端口讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果；待讀取16個(gè)通道數(shù)據(jù)完成后，ADS1298自動(dòng)進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換，不斷循環(huán)重復(fù)此過程。如圖8所示，主控模塊芯片Atmega32將采集的16導(dǎo)ECoG信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)高速隔離光率禹傳輸至Atmega64,與此同時(shí),上升沿觸發(fā)同步8bit事件記錄Atmega48芯片I/O端口 PO的數(shù)字信號(hào)，只要信號(hào)進(jìn)行變化，就記錄一次，并且將同步8bit事件數(shù)據(jù)傳輸至Atmega64 ；ECoG信號(hào)數(shù)據(jù)與同步8bit事件數(shù)據(jù)在Atmega64中組包后，將同步數(shù)據(jù)包傳輸至USB2. O傳輸接口芯片CY7C68013，校驗(yàn)確保傳輸路徑Atmega64 — CY7C68013的數(shù)據(jù)可靠性，而后再傳輸至PC機(jī)端口 ；并行采集的16導(dǎo)ECoG信號(hào)傳輸路徑為Atmega32—Atmega64—CY7C68013 ；上升沿觸發(fā)同步8bit事件的傳輸路徑是Atmega48 — Atmega64 — CY7C68013。整個(gè)主控芯片模塊Atmega32、Atmega48、Atmega64的供電采用醫(yī)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(shè)備安全隔離要求，高速隔離光耦采用A2611N、A2631N實(shí)現(xiàn)。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(jī)方式，微處理器可以像讀寫普通FIFO —樣對(duì)CY7C68013內(nèi)部的多層緩沖FIFO進(jìn)行讀寫。FLAGA、FLAGB和FLAGC是CY7C68013內(nèi)部FIFO的狀態(tài)標(biāo)志，主控芯片通過通用I/O端口獲得FIFO的空、半滿(由用戶設(shè)定半滿閾值)和滿等狀態(tài)信息；對(duì)CY7C68013內(nèi)部FIFO的選擇，以及數(shù)據(jù)包的提交也通過通用I/O端口實(shí)現(xiàn)。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(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先查看空、半滿和滿這三個(gè)狀態(tài)信號(hào)，然后向USB 寫入適當(dāng)大小的數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)不會(huì)溢出；PC通過USB向外部主控芯片發(fā)送命令字時(shí)，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(jìn)行寫操作，其接口引腳配置；
a.當(dāng)寫事件發(fā)生時(shí)，指向INFIF0，激活通過FIF0ADR[1:0]指定寫FIFO地址；
b.判讀FLAGB“滿”標(biāo)志，若不滿(為“假”)，則執(zhí)行寫操作，若滿則等待，繼續(xù)判斷；
c.將SLRWR使能，通知FX2對(duì)其進(jìn)行寫操作；
d.如果發(fā)送短包數(shù)據(jù)，則可以通過PKTEND通知68013執(zhí)行未滿塊傳輸。如圖11所示，主控芯片向CY7C68013 (FX2)進(jìn)行讀操作，其接口引腳配置；
a.當(dāng)主控器收到由PDO發(fā)送的中斷信號(hào)時(shí)，說明有讀事件發(fā)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(biāo)志，如果不空(為假)，則執(zhí)行讀操作，否則停留在該狀態(tài)，繼續(xù)判斷；
d.激活SLOE和SLRD，傳送總線采樣數(shù)據(jù)，撤銷激活SLRD(指針加I)和SLOE ；
e.如果有更多的數(shù)據(jù)需要讀，則轉(zhuǎn)向“c”；
f.數(shù)據(jù)讀取完畢，根據(jù)相應(yīng)指令做出相應(yīng)處理。如圖12所示，CY7C68013的固件程序開發(fā)設(shè)計(jì)框架；腦電放大器上電或者復(fù)位后，初始化全局變量，接下來調(diào)用函數(shù)TD_init，接下來開啟中斷，條件判斷是否需要進(jìn)行二次枚舉，如果是，就進(jìn)行再次枚舉；如果否就連接設(shè)備，之后配置ADS1298 ;進(jìn)入條件判斷是否有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求，如果是，就執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求；如果否，就進(jìn)入下一條件判斷；是否有總線掛起事件，如果否，跳至后續(xù)執(zhí)行程序處；如果是，執(zhí)行下一步，條件判斷函數(shù)TD_Suspend的值，如果否，跳至后續(xù)執(zhí)行程序處；如果是，執(zhí)行處理器掛起，進(jìn)入循環(huán)，條件判斷是否重新開始事件；跳出循環(huán)后，執(zhí)行調(diào)用函數(shù)TD_ReSume ;最后調(diào)用函數(shù)TD_Poll，讀取AD采集的數(shù)據(jù)結(jié)果，完成后自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至下一周期的數(shù)據(jù)讀取。如圖13所示，本發(fā)明基于ECoG信息交/直流測(cè)試信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，源信號(hào)幅值IOOuV,直流分量放大10倍，交流分量放大190倍，瞬時(shí)放大仿真效果良好，放大作用明顯，干擾噪聲成分小，信號(hào)失真率低。如圖14所示，進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)，通過電刺激特定腦區(qū)誘發(fā)癲癇的方法，應(yīng)用本發(fā)明實(shí)際采集、放大癲癇腦電ECoG信號(hào)，通過上位機(jī)軟件顯示，效果顯著。本發(fā)明的工作過程為采用植入式手術(shù)技術(shù)，將ECoG電極植入特定腦區(qū)；腦電信號(hào)放大器經(jīng)USB 口連接至電腦，此時(shí)，數(shù)據(jù)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(hào)；ECoG腦電信號(hào)經(jīng)Headstage阻抗變換(高阻變低阻)之后，進(jìn)入炎化效應(yīng)在線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，可以根據(jù)檢測(cè)電極周圍腦組織的炎化程度來調(diào)整電極位置，信號(hào)進(jìn)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(duì)放大的ECoG信號(hào)直流/交流分量進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集；同時(shí)，配置微處理器Atmega32的特定I/O端口，對(duì)內(nèi)置 DA模塊發(fā)送控制指令，將特定數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成正弦交流電壓信號(hào)，對(duì)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校準(zhǔn)，抑制零點(diǎn)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(jìn)行通信，醫(yī)用隔離電源對(duì)兩部分微處理器供電；Atmega48的特定I/O端口上升沿觸發(fā)同步8bit事件與Atmega32傳輸?shù)腅CoG腦電信號(hào)在Atmega64處同步組包后,傳輸至USB傳輸接口芯片，同時(shí)，綠色指示燈亮起，表示接口芯片正在接收數(shù)據(jù)包，所得數(shù)據(jù)包經(jīng)采集分析軟件實(shí)現(xiàn)癲癇信息的提取/顯示；專業(yè)醫(yī)務(wù)人員根據(jù)上位機(jī)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(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)放大閉環(huán)裝置。
權(quán)利要求
1.腦電信號(hào)放大器，由炎化效應(yīng)在線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)、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(yīng)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)旨在通過檢測(cè)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(dǎo)調(diào)整電極的植入深度，以確保ECoG信號(hào)采集的真實(shí)、準(zhǔn)確性；其包括正弦信號(hào)發(fā)生端、反應(yīng)電壓信號(hào)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(yīng)電壓信號(hào)，經(jīng)28Hz至30Hz的IIR帶通濾波器，檢測(cè)其幅值U，計(jì)算公式R=U/I得到接觸阻抗值，從而實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)炎化效應(yīng)檢測(cè)； 所述的炎化效應(yīng)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)在主控芯片模塊的控制指令下，內(nèi)置DA模塊將設(shè)定數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成ImV的20Hz正弦交流電壓信號(hào)，對(duì)炎化效應(yīng)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)，有效的抑制零點(diǎn)漂移和溫度漂移對(duì)系統(tǒng)的影響，保證ECoG信號(hào)采集的準(zhǔn)確性； 所述的接口模塊包括模擬開關(guān)K1、K2，保護(hù)電阻Rl、R2;在主控芯片模塊發(fā)送的控制命令下，癲癇腦電信號(hào)采集/放大通道與反應(yīng)性電刺激通道交替切換，由模擬開關(guān)切換的方式實(shí)現(xiàn)；iECoG放大器癲癇腦電信號(hào)放大器工作時(shí)，Κ2斷開，刺激電流回路不通；當(dāng)要進(jìn)行電刺激時(shí)，Kl斷開，放大通路斷開；刺激完成后，在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)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(jí)、差分放大級(jí)、緩沖級(jí)、交流放大級(jí)；Headstage傳輸?shù)牟杉疎CoG信號(hào)經(jīng)第一級(jí)差分放大后,模塊中的緩沖級(jí)和交流放大級(jí)對(duì)信號(hào)中的交流、直流成分分別進(jìn)行放大提取，同時(shí)檢測(cè)癲癇腦電寬帶生理信號(hào)；采用雙極性儀表放大器AD620實(shí)現(xiàn)差分放大，輸出端連接至緩沖級(jí)的輸入端，其輸出的寬帶生理信號(hào)由模擬開關(guān)芯片TS12A12511所控，保證放大的ECoG信號(hào)包含了完整的寬帶生理信號(hào)；放大信號(hào)接緩沖級(jí)后，隔除直流分量之后再進(jìn)入交流放大級(jí)，所述的交流放大級(jí)采用低功耗運(yùn)算放大器TLC2272實(shí)現(xiàn)交流放大；直流、交流放大信號(hào)的輸出由模擬開關(guān)芯片TS12A12511所控，根據(jù)主控芯片模塊中的微處理器標(biāo)志端口命令進(jìn)行控制，所述的微處理器型號(hào)為Atmega32 ； 所述的并行采集模塊包括16個(gè)獨(dú)立AD轉(zhuǎn)換器，型號(hào)為ADS1298 ;能夠?qū)?6路ECoG腦電信號(hào)實(shí)時(shí)并行同步控制、采集，實(shí)現(xiàn)信號(hào)導(dǎo)聯(lián)間的同步性，完成高速同步采集，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)ECoG信號(hào)的空間數(shù)學(xué)運(yùn)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(fā)送控制命令,根據(jù)標(biāo)志位判斷是否進(jìn)入外部中斷，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀??；其中，Atmega32與Atmega48、Atmega64之間的數(shù)字傳輸經(jīng)過隔離光稱,供電電源部分采用醫(yī)用隔離電源；隔離電源模塊由光耦A(yù)2611N、A2631N及醫(yī)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(shè)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(fā)的8bit數(shù)字信號(hào)，與采集的腦電信號(hào)同步組包，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；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(jī)軟件算法實(shí)現(xiàn)Butterworth濾波,使通頻帶內(nèi)具有最平滑頻率響應(yīng)曲線，設(shè)置一階高通、二階低通兩種濾波器對(duì)所采集腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，實(shí)現(xiàn)多頻帶、多種濾波器，加速進(jìn)行16導(dǎo)ECoG信號(hào)處理能力，完成顯示癲癇腦電ECoG信號(hào)的放大功能 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種腦電信號(hào)放大器。本發(fā)明中植入式電極采得ECoG信號(hào)，經(jīng)Headstage阻抗變換之后，進(jìn)入炎化效應(yīng)在線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)入交/直流放大模塊，并在微處理器Atmega32的控制下，進(jìn)行并行ECoG信號(hào)采集，采集所得數(shù)據(jù)通過SPI端口與主控芯片模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。微處理器Atmega48、Atmega64與Atmega32通過高速隔離光耦進(jìn)行通信；采集放大的腦電信號(hào)在微處理器Atmega64處組成數(shù)據(jù)包之后，傳輸至USB2.0芯片；數(shù)據(jù)包經(jīng)采集分析軟件實(shí)現(xiàn)癲癇信息的提取/顯示。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)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(hào)A61B5/0476GK102894973SQ201210360848
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者王躍明, 胡裕軒, 郭建平, 鄭筱祥 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)