一種多通道神經(jīng)元信號采集調(diào)控與傳輸裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種多通道神經(jīng)元信號采集調(diào)控與傳輸裝置，該裝置包括前置阻抗轉(zhuǎn)換模塊、模擬放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換板、數(shù)據(jù)采集和處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸控制模塊、刺激控制器、刺激波形生成模塊、移動電源、網(wǎng)口/光纖轉(zhuǎn)換模塊和上位機(jī)。本發(fā)明針對神經(jīng)電生理對神經(jīng)元信息分析的要求，設(shè)計(jì)了基于FPGA的多通道并行采集和可進(jìn)行同步刺激的裝置，適用于針對動物的多通道神經(jīng)元信號提取，提供了多種可編程的刺激波形。本發(fā)明控制靈活，操作方便，通過一個上位機(jī)命令包可同時控制系統(tǒng)各部分完成多種神經(jīng)電生理實(shí)驗(yàn)，提取使用者感興趣的信息，是一種新型可靠的神經(jīng)電生理實(shí)驗(yàn)工具。
【專利說明】一種多通道神經(jīng)元信號采集調(diào)控與傳輸裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，涉及生物電信號的采集處理技術(shù)，尤其涉及一種多通道神經(jīng)元信號采集調(diào)控與傳輸裝置，應(yīng)用于神經(jīng)電生理方面的信號采集與實(shí)驗(yàn)刺激。
【背景技術(shù)】
[0002]神經(jīng)科學(xué)在當(dāng)今的科研領(lǐng)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(tuán)隊(duì)從事相關(guān)的工作。這其中，在介觀層對神經(jīng)元功能的理解和調(diào)控方面，神經(jīng)元電信號的獲取和調(diào)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(jīng)元間的相互作用來實(shí)現(xiàn)，對于腦特定功能在神經(jīng)元層的分析和理解需要在腦功能活動的狀態(tài)下獲取到相關(guān)的神經(jīng)元活動的信息。神經(jīng)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(jīng)元信號具有高阻抗特性。微電極記錄到的多通道神經(jīng)元放電可以用于研究個體在接收某一刺激或者執(zhí)行任務(wù)時腦區(qū)間神經(jīng)元放電在時間、空間的聯(lián)系。
[0004]恒流刺激是分析腦認(rèn)知因果關(guān)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(chǎn)生特定反應(yīng)，并同步記錄相對應(yīng)的腦神經(jīng)元信息，對于分析腦功能具有重要的價值。
[0005]神經(jīng)動作電位引起細(xì)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(chǎn)生電位。傳統(tǒng)的采集和獲取技術(shù)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(shù)的刺激采集系統(tǒng)仍采用切換的模式進(jìn)行，無法同步采集刺激下的神經(jīng)元活動。因此，多通道神經(jīng)元信號采集調(diào)控與傳輸可以為神經(jīng)科學(xué)研究提供一可靠、便捷的工具，對神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)研究、腦功能調(diào)控研究、腦機(jī)接口等領(lǐng)域都具有非常重要的意義。
[0006]中國專利申請?zhí)枮?201010183442.6，名稱為:基于微電極陣列的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，該申請案涉及神經(jīng)生物學(xué)檢測技術(shù)，包括模擬開關(guān)陣列，電生理信號檢測電路，電化學(xué)信號檢測電路，電刺激信號發(fā)生電路，多路AD轉(zhuǎn)換電路，溫度檢測電路，高速USB傳輸電路，無線藍(lán)牙通訊模塊和計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的數(shù)據(jù)處理軟件等。中國專利申請?zhí)枮?201210358686.2，名稱為:用于神經(jīng)元刺激及電信號記錄的光電陣列及制備方法，以上技術(shù)分別提供了一種神經(jīng)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(shù)，無法實(shí)現(xiàn)多通道的同步，后者采用的是光刺激技術(shù)和光電微陣列技術(shù)，與本申請案有著本質(zhì)的不同。
[0007]《儀器儀表學(xué)報(bào)》2001年第25卷第17期中的“虛擬神經(jīng)元動作電位信號記錄儀”一文介紹了針對神經(jīng)元動作電位信號，利用了計(jì)算機(jī)聲卡和Windows9x的DirectX API軟件，實(shí)現(xiàn)了對神經(jīng)元信號的采集，但是只適用于基于電腦平臺，且通道數(shù)有限?！渡綎|科技大學(xué)學(xué)報(bào)》(自然科學(xué)版)，2009年第28卷第9期中的“微型信號采集與處理系統(tǒng)”一文介紹了采用PsoC芯片建立了一個便攜的微型記錄系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對神經(jīng)元信號的采集，但是其基于串行通信，無法實(shí)現(xiàn)多通道的數(shù)據(jù)采集。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種多通道神經(jīng)元信號同步采集調(diào)控與刺激系統(tǒng)，適合于在神經(jīng)電生理實(shí)驗(yàn)中采集到高信噪比的神經(jīng)元電信號，同時結(jié)合弱電流刺激作為腦功能調(diào)控源的裝置。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0010]一種多通道神經(jīng)元信號采集調(diào)控與傳輸裝置，包括前置阻抗轉(zhuǎn)換模塊、模擬放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集和處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸控制模塊、刺激控制器、刺激波形生成模塊、移動電源、網(wǎng)口 /光纖轉(zhuǎn)換模塊和上位機(jī)，其中:
[0011]所述的前置阻抗轉(zhuǎn)換模塊與所述的模擬放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連，所述的前置阻抗轉(zhuǎn)換模塊，通過微電極將神經(jīng)元信號實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換和提取，每個采集通道獨(dú)立放大，采用積分反饋電路實(shí)現(xiàn)模擬高通濾波，64通道神經(jīng)元信號做二級放大后經(jīng)24位模數(shù)轉(zhuǎn)換做并行數(shù)字化處理；
[0012]所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊通過接口與所述的模擬放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連，所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊用于多通道數(shù)據(jù)采集與同步處理，按照用戶命令自動選擇數(shù)據(jù)傳輸模式建立數(shù)據(jù)包；
[0013]所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊與所述的數(shù)據(jù)傳輸控制模塊相連，所述的數(shù)據(jù)傳輸控制模塊將采集的數(shù)據(jù)根據(jù)所述的上位機(jī)命令進(jìn)行解析，向所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊和所述的刺激控制器 發(fā)送控制信息，并通過光纖向所述的網(wǎng)口 /光纖轉(zhuǎn)換模塊回傳數(shù)據(jù)；
[0014]所述的刺激控制器與所述的數(shù)據(jù)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(shù)字序列，接收控制指令并調(diào)整波形參數(shù)，向所述的刺激波形生成模塊發(fā)送波形數(shù)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(zhuǎn)換模塊由一單倍增益的低漂移運(yùn)放單元組成，將高阻抗神經(jīng)信號轉(zhuǎn)換為低阻抗信號；通過接口與微電極相連，實(shí)現(xiàn)對神經(jīng)元阻抗的轉(zhuǎn)換，并將信息傳輸給所述的模擬放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。
[0017]所述的模擬放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊由8個相同的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路板組成，每個模數(shù)轉(zhuǎn)換電路板采集8通道的模擬信號經(jīng)兩級放大后進(jìn)行24位AD轉(zhuǎn)換，每個模數(shù)轉(zhuǎn)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(dǎo)聯(lián)方式輸入。
[0018]所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊采用208腳的FPGA (EP2C8NQ208)芯片，實(shí)現(xiàn)并行采集，通過給8個模數(shù)轉(zhuǎn)換電路板發(fā)送片選命令循環(huán)讀取64個通道的并行24位數(shù)據(jù)，每個通道的24位數(shù)據(jù)根據(jù)采樣信號的平均值自動選擇16位數(shù)據(jù)位并接收控制指令選擇數(shù)據(jù)傳輸模式，建立數(shù)據(jù)包存儲在數(shù)據(jù)存儲器中并向所述的數(shù)據(jù)傳輸控制模塊發(fā)送數(shù)據(jù)存儲信息；所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊提供5種數(shù)據(jù)傳輸模式:64通道24位原始數(shù)據(jù)流、64通道16位原始數(shù)據(jù)流、64通道中任意通道組合的spike波形、所有64通道Ims內(nèi)spike波形和任意單通道16位原始數(shù)據(jù)及這個通道的spike波形。
[0019]所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊中FPGA為原始數(shù)據(jù)和每個spike波形建立90bytes的數(shù)據(jù)包，并提取本地時間添加2bytes的時間標(biāo)記和Ibyte的通道標(biāo)記，并為64個采集通道建立相對應(yīng)的64個FIFO存儲區(qū)，將建立的各93bytes的數(shù)據(jù)包分別存放于對應(yīng)通道的FIFO中，根據(jù)控制指令整合數(shù)據(jù)包并向所述的數(shù)據(jù)傳輸控制模塊反饋存儲信息。
[0020]所述的數(shù)據(jù)傳輸控制模塊根據(jù)所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊反饋的存儲信息選擇數(shù)據(jù)存儲器讀取數(shù)據(jù)包，所述的數(shù)據(jù)傳輸控制模塊接收19bytes上位機(jī)指令包，根據(jù)上位機(jī)指令包自動向所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸模式控制命令，通過UART接口向所述的刺激控制器發(fā)送刺激波形控制命令，所述的數(shù)據(jù)傳輸控制模塊根據(jù)反饋的存儲信息選擇存儲器讀取數(shù)據(jù)包并以lOOMbit/s速度通過光纖接口發(fā)送給所述的網(wǎng)口 /光纖轉(zhuǎn)換模塊，所述的網(wǎng)口/光纖轉(zhuǎn)換模塊集成了網(wǎng)口通信協(xié)議將讀取的數(shù)據(jù)包按照網(wǎng)口協(xié)議以100Mbit/s速度發(fā)送給上位機(jī)的網(wǎng)口。 [0021]所述的刺激控制器中有數(shù)據(jù)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(shù)字波形序列，所述的刺激控制器接收控制命令，根據(jù)命令選擇波形并按照命令要求修改相關(guān)波形參數(shù)，向所述的刺激波形生成模塊傳輸數(shù)字波形序列。
[0022]所述的刺激波形生成模塊包括:數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、電壓調(diào)整電路、光耦隔離電路和電壓-電流轉(zhuǎn)換電路；所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和所述的電壓調(diào)整電路將所述的刺激控制器發(fā)送的數(shù)字波形序列轉(zhuǎn)換為8通道模擬電壓波形，所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路芯片采用AD8600，輸入8位并行數(shù)據(jù)波形序列輸出電壓波形，8通道的電壓波形經(jīng)所述的光耦隔離電路和所述的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路后得到穩(wěn)定的刺激電流傳輸?shù)酱碳る姌O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(lián)后并聯(lián)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(shè)計(jì)并設(shè)有充電保護(hù)電路和放電保護(hù)電路，所述的充電保護(hù)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(hù)電路為系統(tǒng)各個部分供電。
[0024]由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種多通道神經(jīng)元信號采集調(diào)控與傳輸裝置，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有這樣的有益效果:
[0025]本發(fā)明針對神經(jīng)電生理對神經(jīng)元信息分析的要求，設(shè)計(jì)了基于FPGA的多通道并行采集和可進(jìn)行同步刺激的裝置，適用于針對動物的多通道神經(jīng)元信號提取，提供了多種可編程的刺激波形。本發(fā)明控制靈活，操作方便，通過一個上位機(jī)命令包可同時控制系統(tǒng)各部分完成多種神經(jīng)電生理實(shí)驗(yàn)，提取使用者感興趣的信息，是一種新型可靠的神經(jīng)電生理實(shí)驗(yàn)工具。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明的裝置原理示意圖；
[0027]圖2是64通道數(shù)據(jù)采集原理框圖；
[0028]圖3A是上位機(jī)的控制命令包幀組成格式；
[0029]圖3B是數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)組合處理流程圖；
[0032]圖5是位選表；
[0033]圖6是數(shù)據(jù)包建立過程；[0034]圖7是系統(tǒng)采集到的神經(jīng)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(jī)刺激命令界面。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例做詳細(xì)說明:本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0038]實(shí)施例
[0039]如圖1所示，本實(shí)施例涉及的多通道神經(jīng)元信號采集調(diào)控與傳輸裝置，包括:前置阻抗轉(zhuǎn)換模塊、模擬放大及數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集和處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸控制模塊、刺激控制器、刺激波形生成模塊、移動電源、網(wǎng)口 /光纖轉(zhuǎn)換模塊和上位機(jī)；
[0040]其中:前置阻抗轉(zhuǎn)換模塊將神經(jīng)元信息轉(zhuǎn)換為低阻抗信號給模擬放大及數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，模擬放大及數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)64通道的信號放大和轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)采集和處理模塊，數(shù)據(jù)采集和處理模塊根據(jù)上位機(jī)的命令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)包通過高速光纖、網(wǎng)口 /光纖轉(zhuǎn)換模塊的網(wǎng)口傳輸給上位機(jī)。在需要刺激時，上位機(jī)發(fā)送刺激命令，通過刺激控制器對刺激進(jìn)行命令解析發(fā)送給刺激波形生成模塊，通過刺激電極作用于腦神經(jīng)元。
[0041]所述的前置阻抗轉(zhuǎn)換模塊由低漂移、低噪聲的運(yùn)放構(gòu)成，運(yùn)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(shù)轉(zhuǎn)換模塊由8個獨(dú)立的板卡構(gòu)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(yùn)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(shù)轉(zhuǎn)換。
[0043]如圖2所示，所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊包括FPGA數(shù)據(jù)采集電路和數(shù)據(jù)存儲器。數(shù)據(jù)采集電路采用Altera公司的208腳的FPGA (EP2C8NQ208)芯片，數(shù)據(jù)采集存儲過程是:接收控制命令選擇數(shù)據(jù)傳輸模式，給8個模數(shù)轉(zhuǎn)換小電路板循環(huán)發(fā)送片選命令，循環(huán)讀取64個通道的并行24位數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸模式建立數(shù)據(jù)包存儲在數(shù)據(jù)存儲器中，向數(shù)據(jù)傳輸控制模塊發(fā)送數(shù)據(jù)存儲信息。
[0044]所述的數(shù)據(jù)傳輸控制模塊是一個微處理器STM32F4系統(tǒng)，微處理器的工作過程是:通過光纖接口接收上位機(jī)19bytes的控制命令包，解碼命令包得到用戶對系統(tǒng)的控制信息，向數(shù)據(jù)采集和處理模塊發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸模式控制指令、向刺激控制器發(fā)送波形和波形參數(shù)控制命令，微處理器接收數(shù)據(jù)采集和處理模塊的反饋信息選擇數(shù)據(jù)存儲器開始讀取數(shù)據(jù)包，微處理器以lOOMbit/s的速度通過光纖向網(wǎng)口 /光纖轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送數(shù)據(jù)包。
[0045]如圖3A所示，所述上位機(jī)的控制命令數(shù)據(jù)幀格式從最低位到最高位依次包括:Ibyte數(shù)據(jù)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(shù)位。
[0046]如圖3B所示，數(shù)據(jù)傳輸模式指令表由8位二進(jìn)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(jìn)制組成，選擇的刺激波形包括10種。[0048]本實(shí)施例涉及的數(shù)據(jù)處理過程，如圖4所示，該過程包括以下步驟:
[0049]第一步，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)接收單元獲得同步接收的64通道數(shù)據(jù)；
[0050]第二步，根據(jù)上位機(jī)命令，若要求為24位數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)流，直接進(jìn)入24位數(shù)據(jù)提取模式?’若為16位數(shù)據(jù)位模式，進(jìn)入16位數(shù)據(jù)自動選擇狀態(tài)；
[0051]第三步，根據(jù)上位機(jī)命令，選擇數(shù)據(jù)輸出模式；
[0052]第四步，根據(jù)數(shù)據(jù)輸出模式進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，16位格式的數(shù)據(jù)包主要包括4種模式；
[0053]第五步，在數(shù)據(jù)包中添加時間標(biāo)志和通道標(biāo)記；
[0054]第六步，建立總的數(shù)據(jù)包。
[0055]如圖5所示,所述的數(shù)據(jù)包與數(shù)據(jù)位數(shù)對應(yīng)范圍與選擇位數(shù)、精度等參數(shù)相關(guān)。
[0056]如圖6所示，所述的數(shù)據(jù)包的建立過程包括如下步驟:
[0057]第一步，F(xiàn)PGA接收微處理器發(fā)送的控制指令選擇數(shù)據(jù)傳輸模式，F(xiàn)PGA根據(jù)采集開始的前2s采樣數(shù)據(jù)自動選擇16位；
[0058]第二步，F(xiàn)PGA通過閾值法提取spike波形并為原始數(shù)據(jù)和每個spike波形建立90bytes的數(shù)據(jù)包,并根據(jù)本地時間添加2bytes的時間標(biāo)記、Ibyte的通道標(biāo)記和Ibyte位選標(biāo)記；
[0059]第三步，F(xiàn)PG A為64個采集通道分別建立相對應(yīng)的64個2K大小的FIFO存儲區(qū)；
[0060]第四步，將建立的93bytes的數(shù)據(jù)包分別存放于對應(yīng)通道的FIFO中，根據(jù)上位機(jī)指令整合數(shù)據(jù)包存儲在數(shù)據(jù)存儲器中并向微處理器發(fā)送存儲信息。
[0061]所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊根據(jù)上位機(jī)指令自動選擇24位數(shù)據(jù)中的16位處理，選擇的過程是:持續(xù)采集2s的數(shù)據(jù)，計(jì)算各采樣數(shù)據(jù)的平均值，根據(jù)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(shù)據(jù)。
[0062]如圖7所示，所述的神經(jīng)元信號和spike波形是系統(tǒng)采集到在上位機(jī)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(shù)據(jù)傳輸控制模塊中微處理器發(fā)送的波形生成命令，與刺激控制器相連的數(shù)據(jù)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(shù)字波形序列。刺激控制器根據(jù)波形命令和波形參數(shù)要求調(diào)用并修改相應(yīng)數(shù)字波形序列發(fā)送給波形生成部分。
[0064]波形生成部分包括數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、電壓調(diào)整、光耦隔離芯片和電壓-電流轉(zhuǎn)換電路芯片。
[0065]所述的數(shù)模轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路芯片是由高壓運(yùn)放0PA454組成。
[0068]如圖9所示，所述上位機(jī)的刺激命令中包含10種刺激波形，每種刺激波形有相應(yīng)的波形參數(shù)可調(diào)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(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是利用本
【發(fā)明內(nèi)容】
所作的等效結(jié)構(gòu)或流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其它相關(guān)的【技術(shù)領(lǐng)域】，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種多通道神經(jīng)元信號采集調(diào)控與傳輸裝置，其特征在于:包括前置阻抗轉(zhuǎn)換模塊、模擬放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集和處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸控制模塊、刺激控制器、刺激波形生成模塊、移動電源、網(wǎng)口 /光纖轉(zhuǎn)換模塊和上位機(jī)，其中: 所述的前置阻抗轉(zhuǎn)換模塊與所述的模擬放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連，所述的前置阻抗轉(zhuǎn)換模塊，通過微電極將神經(jīng)元信號實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換和提取，每個采集通道獨(dú)立放大，采用積分反饋電路實(shí)現(xiàn)模擬高通濾波，64通道神經(jīng)元信號做二級放大后經(jīng)24位模數(shù)轉(zhuǎn)換做并行數(shù)字化處理； 所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊通過接口與所述的模擬放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連，所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊用于多通道數(shù)據(jù)采集與同步處理，按照用戶命令自動選擇數(shù)據(jù)傳輸模式建立數(shù)據(jù)包； 所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊與所述的數(shù)據(jù)傳輸控制模塊相連，所述的數(shù)據(jù)傳輸控制模塊將采集的數(shù)據(jù)根據(jù)所述的上位機(jī)命令進(jìn)行解析，向所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊和所述的刺激控制器發(fā)送控制信息，并通過光纖向所述的網(wǎng)口 /光纖轉(zhuǎn)換模塊回傳數(shù)據(jù)； 所述的刺激控制器與所述的數(shù)據(jù)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(shù)字序列，接收控制指令并調(diào)整波形參數(shù)，向所述的刺激波形生成模塊發(fā)送波形數(shù)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道神經(jīng)元信號采集調(diào)控與傳輸裝置，其特征在于:所述的前置阻抗轉(zhuǎn)換模塊由一單倍增益的低漂移運(yùn)放單元組成，將高阻抗神經(jīng)信號轉(zhuǎn)換為低阻抗信號；通過接口與微電極相連，實(shí)現(xiàn)對神經(jīng)元阻抗的轉(zhuǎn)換，并將信息傳輸給所述的模擬放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道神經(jīng)元信號采集調(diào)控與傳輸裝置，其特征在于:所述的模擬放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊由8個相同的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路板組成，每個模數(shù)轉(zhuǎn)換電路板采集8通道的模擬信號經(jīng)兩級放大后進(jìn)行24位AD轉(zhuǎn)換，每個模數(shù)轉(zhuǎn)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(dǎo)聯(lián)方式輸入。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道神經(jīng)元信號采集調(diào)控與傳輸裝置，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊采用208腳的FPGA芯片，實(shí)現(xiàn)并行采集，通過給8個模數(shù)轉(zhuǎn)換電路板發(fā)送片選命令循環(huán)讀取64個通道的并行24位數(shù)據(jù)，每個通道的24位數(shù)據(jù)根據(jù)采樣信號的平均值自動選擇16位數(shù)據(jù)位并接收控制指令選擇數(shù)據(jù)傳輸模式，建立數(shù)據(jù)包存儲在數(shù)據(jù)存儲器中并向所述的數(shù)據(jù)傳輸控制模塊發(fā)送數(shù)據(jù)存儲信息；所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊提供5種數(shù)據(jù)傳輸模式:64通道24位原始數(shù)據(jù)流、64通道16位原始數(shù)據(jù)流、64通道中任意通道組合的spike波形、所有64通道Ims內(nèi)spike波形和任意單通道16位原始數(shù)據(jù)及這個通道的spike波形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道神經(jīng)元信號采集調(diào)控與傳輸裝置，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊中FPGA為原始數(shù)據(jù)和每個spike波形建立90bytes的數(shù)據(jù)包，并提取本地時間添加2bytes的時間標(biāo)記和Ibyte的通道標(biāo)記，并為64個采集通道建立相對應(yīng)的64個FIFO存儲區(qū)，將建立的各93bytes的數(shù)據(jù)包分別存放于對應(yīng)通道的FIFO中，根據(jù)控制指令整合數(shù)據(jù)包并向所述的數(shù)據(jù)傳輸控制模塊反饋存儲信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道神經(jīng)元信號采集調(diào)控與傳輸裝置，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)傳輸控制模塊根據(jù)所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊反饋的存儲信息選擇數(shù)據(jù)存儲器讀取數(shù)據(jù)包，所述的數(shù)據(jù)傳輸控制模塊接收19bytes上位機(jī)指令包，根據(jù)上位機(jī)指令包自動向所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸模式控制命令，通過UART接口向所述的刺激控制器發(fā)送刺激波形控制命令，所述的數(shù)據(jù)傳輸控制模塊根據(jù)反饋的存儲信息選擇存儲器讀取數(shù)據(jù)包并以lOOMbit/s速度通過光纖接口發(fā)送給所述的網(wǎng)口 /光纖轉(zhuǎn)換模塊，所述的網(wǎng)口 /光纖轉(zhuǎn)換模塊集成了網(wǎng)口通信協(xié)議將讀取的數(shù)據(jù)包按照網(wǎng)口協(xié)議以lOOMbit/s速度發(fā)送給上位機(jī)的網(wǎng)口。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道神經(jīng)元信號采集調(diào)控與傳輸裝置，其特征在于:所述的刺激控制器中有數(shù)據(jù)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(shù)字波形序列，所述的刺激控制器接收控制命令，根據(jù)命令選擇波形并按照命令要求修改相關(guān)波形參數(shù)，向所述的刺激波形生成模塊傳輸數(shù)字波形序列。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道神經(jīng)元信號采集調(diào)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(shù)模轉(zhuǎn)換電路、電壓調(diào)整電路、光耦隔離電路和電壓-電流轉(zhuǎn)換電路；所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和所述的電壓調(diào)整電路將所述的刺激控制器發(fā)送的數(shù)字波形序列轉(zhuǎn)換為8通道模擬電壓波形，所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路芯片采用AD8600，輸入8位并行數(shù)據(jù)波形序列輸出電壓波形，8通道的電壓波形經(jīng)所述的光耦隔離電路和所述的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路后得到穩(wěn)定的刺激電流傳輸?shù)酱碳る姌O上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道神經(jīng)元信號采集調(diào)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(lián)后并聯(lián)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(shè)計(jì)并設(shè)有充電保護(hù)電 路和放電保護(hù)電路，所述的充電保護(hù)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(hù)電路為系統(tǒng)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(yōu)先權(quán)日:2013年10月24日
【發(fā)明者】梁振虎, 李小俚, 白洋, 古悅 申請人:燕山大學(xué)