CN103584851A - 一种多通道神经元信号采集调控与传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多通道神经元信号采集调控与传输装置，该装置包括前置阻抗转换模块、模拟放大及模数转换板、数据采集和处理模块、数据传输控制模块、刺激控制器、刺激波形生成模块、移动电源、网口/光纤转换模块和上位机。本发明针对神经电生理对神经元信息分析的要求，设计了基于FPGA的多通道并行采集和可进行同步刺激的装置，适用于针对动物的多通道神经元信号提取，提供了多种可编程的刺激波形。本发明控制灵活，操作方便，通过一个上位机命令包可同时控制系统各部分完成多种神经电生理实验，提取使用者感兴趣的信息，是一种新型可靠的神经电生理实验工具。

Description

一种多通道神经元信号采集调控与传输装置

技术领域

本发明属于生物医学工程领域，涉及生物电信号的采集处理技术，尤其涉及一种多通道神经元信号采集调控与传输装置，应用于神经电生理方面的信号采集与实验刺激。

背景技术

神经科学在当今的科研领域是一个重要的分支，从微观层面、介观层面到宏观层面都有很多的研究团队从事相关的工作。这其中，在介观层对神经元功能的理解和调控方面，神经元电信号的获取和调控是研究必须的手段。

哺乳类动物的很多行为是通过大脑的神经元间的相互作用来实现，对于脑特定功能在神经元层的分析和理解需要在脑功能活动的状态下获取到相关的神经元活动的信息。神经元信号的放电频率一般在300Hz以上，而与生物脑组织可相容的微电极一般采用镍镉合金等材料，神经元信号具有高阻抗特性。微电极记录到的多通道神经元放电可以用于研究个体在接收某一刺激或者执行任务时脑区间神经元放电在时间、空间的联系。

恒流刺激是分析脑认知因果关系的重要方法，通过将特定形状和频率的电流施加于生物体，可以在生物体行为上产生特定反应，并同步记录相对应的脑神经元信息，对于分析脑功能具有重要的价值。

神经动作电位引起细胞外跨膜离子流的改变，继而引起膜外电压的改变，微电极可以探测到这种改变，从而在记录电极和参考电极间产生电位。传统的采集和获取技术多采用多通道模拟切换的方式，在性能上很难保证通道间的相位同步。而多数的刺激采集系统仍采用切换的模式进行，无法同步采集刺激下的神经元活动。因此，多通道神经元信号采集调控与传输可以为神经科学研究提供一可靠、便捷的工具，对神经科学的基础研究、脑功能调控研究、脑机接口等领域都具有非常重要的意义。

中国专利申请号为：201010183442.6，名称为：基于微电极阵列的多通道神经信息检测系统，该申请案涉及神经生物学检测技术，包括模拟开关阵列，电生理信号检测电路，电化学信号检测电路，电刺激信号发生电路，多路AD转换电路，温度检测电路，高速USB传输电路，无线蓝牙通讯模块和计算机上运行的数据处理软件等。中国专利申请号为：201210358686.2，名称为：用于神经元刺激及电信号记录的光电阵列及制备方法，以上技术分别提供了一种神经元采集和刺激装置及方法，其不足之处是：前者是基于多通道切换技术，无法实现多通道的同步，后者采用的是光刺激技术和光电微阵列技术，与本申请案有着本质的不同。

《仪器仪表学报》2001年第25卷第17期中的“虚拟神经元动作电位信号记录仪”一文介绍了针对神经元动作电位信号，利用了计算机声卡和Windows9x的DirectX API软件，实现了对神经元信号的采集，但是只适用于基于电脑平台，且通道数有限。《山东科技大学学报》(自然科学版)，2009年第28卷第9期中的“微型信号采集与处理系统”一文介绍了采用PsoC芯片建立了一个便携的微型记录系统，实现了对神经元信号的采集，但是其基于串行通信，无法实现多通道的数据采集。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种多通道神经元信号同步采集调控与刺激系统，适合于在神经电生理实验中采集到高信噪比的神经元电信号，同时结合弱电流刺激作为脑功能调控源的装置。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种多通道神经元信号采集调控与传输装置，包括前置阻抗转换模块、模拟放大及模数转换模块、数据采集和处理模块、数据传输控制模块、刺激控制器、刺激波形生成模块、移动电源、网口/光纤转换模块和上位机，其中：

所述的前置阻抗转换模块与所述的模拟放大及模数转换模块相连，所述的前置阻抗转换模块，通过微电极将神经元信号实现阻抗转换和提取，每个采集通道独立放大，采用积分反馈电路实现模拟高通滤波，64通道神经元信号做二级放大后经24位模数转换做并行数字化处理；

所述的数据采集和处理模块通过接口与所述的模拟放大及模数转换模块相连，所述的数据采集和处理模块用于多通道数据采集与同步处理，按照用户命令自动选择数据传输模式建立数据包；

所述的数据采集和处理模块与所述的数据传输控制模块相连，所述的数据传输控制模块将采集的数据根据所述的上位机命令进行解析，向所述的数据采集和处理模块和所述的刺激控制器发送控制信息，并通过光纤向所述的网口/光纤转换模块回传数据；

所述的刺激控制器与所述的数据传输控制模块采用UART传输方式，所述的刺激控制器用于存储波形数字序列，接收控制指令并调整波形参数，向所述的刺激波形生成模块发送波形数字序列；

所述的刺激波形生成模块用于生成模拟刺激波形，输出8通道电流刺激，它与所述的刺激控制器之间通过并行DA模块相连接。

所述的前置阻抗转换模块由一单倍增益的低漂移运放单元组成，将高阻抗神经信号转换为低阻抗信号；通过接口与微电极相连，实现对神经元阻抗的转换，并将信息传输给所述的模拟放大及模数转换模块。

所述的模拟放大及模数转换模块由8个相同的模数转换电路板组成，每个模数转换电路板采集8通道的模拟信号经两级放大后进行24位AD转换，每个模数转换电路板的第一级放大采用仪表放大器（INA128），所有的输入通道为双极导联方式输入。

所述的数据采集和处理模块采用208脚的FPGA（EP2C8NQ208）芯片，实现并行采集，通过给8个模数转换电路板发送片选命令循环读取64个通道的并行24位数据，每个通道的24位数据根据采样信号的平均值自动选择16位数据位并接收控制指令选择数据传输模式，建立数据包存储在数据存储器中并向所述的数据传输控制模块发送数据存储信息；所述的数据采集和处理模块提供5种数据传输模式：64通道24位原始数据流、64通道16位原始数据流、64通道中任意通道组合的spike波形、所有64通道1ms内spike波形和任意单通道16位原始数据及这个通道的spike波形。

所述的数据采集和处理模块中FPGA为原始数据和每个spike波形建立90bytes的数据包，并提取本地时间添加2bytes的时间标记和1byte的通道标记，并为64个采集通道建立相对应的64个FIFO存储区，将建立的各93bytes的数据包分别存放于对应通道的FIFO中，根据控制指令整合数据包并向所述的数据传输控制模块反馈存储信息。

所述的数据传输控制模块根据所述的数据采集和处理模块反馈的存储信息选择数据存储器读取数据包，所述的数据传输控制模块接收19bytes上位机指令包，根据上位机指令包自动向所述的数据采集和处理模块发送数据传输模式控制命令，通过UART接口向所述的刺激控制器发送刺激波形控制命令，所述的数据传输控制模块根据反馈的存储信息选择存储器读取数据包并以100Mbit/s速度通过光纤接口发送给所述的网口/光纤转换模块，所述的网口/光纤转换模块集成了网口通信协议将读取的数据包按照网口协议以100Mbit/s速度发送给上位机的网口。

所述的刺激控制器中有数据存储器，存储有双极性脉冲、单极性脉冲、单脉冲、正弦、半正弦、三角波、反余弦、lilly波、类lilly波和次lilly波的数字波形序列，所述的刺激控制器接收控制命令，根据命令选择波形并按照命令要求修改相关波形参数，向所述的刺激波形生成模块传输数字波形序列。

所述的刺激波形生成模块包括：数模转换电路、电压调整电路、光耦隔离电路和电压-电流转换电路；所述的数模转换电路和所述的电压调整电路将所述的刺激控制器发送的数字波形序列转换为8通道模拟电压波形，所述的数模转换电路芯片采用AD8600，输入8位并行数据波形序列输出电压波形，8通道的电压波形经所述的光耦隔离电路和所述的电压-电流转换电路后得到稳定的刺激电流传输到刺激电极上。

所述的移动电源采用由4块单个容量为4200mAH的锂电池组成，通过两块电池串联后并联组成输出电压为7.4V容量为16800mAH的锂电池供电组；所述的移动电源采用可充电设计并设有充电保护电路和放电保护电路，所述的充电保护电路与电池组的充电端连接并提供外接充电接口，电池组的放电端连接所述的放电保护电路为系统各个部分供电。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种多通道神经元信号采集调控与传输装置，与现有技术相比具有这样的有益效果：

本发明针对神经电生理对神经元信息分析的要求，设计了基于FPGA的多通道并行采集和可进行同步刺激的装置，适用于针对动物的多通道神经元信号提取，提供了多种可编程的刺激波形。本发明控制灵活，操作方便，通过一个上位机命令包可同时控制系统各部分完成多种神经电生理实验，提取使用者感兴趣的信息，是一种新型可靠的神经电生理实验工具。

附图说明

图1是本发明的装置原理示意图；

图2是64通道数据采集原理框图；

图3A是上位机的控制命令包帧组成格式；

图3B是数据传输模式指令表；

图3C是刺激波形选择指令表；

图4是采集数据组合处理流程图；

图5是位选表；

图6是数据包建立过程；

图7是系统采集到的神经元信号和spike波形；

图8是8通道电流刺激原理框图；

图9是上位机刺激命令界面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本实施例涉及的多通道神经元信号采集调控与传输装置，包括：前置阻抗转换模块、模拟放大及数模转换模块、数据采集和处理模块、数据传输控制模块、刺激控制器、刺激波形生成模块、移动电源、网口/光纤转换模块和上位机；

其中：前置阻抗转换模块将神经元信息转换为低阻抗信号给模拟放大及数模转换模块，模拟放大及数模转换模块负责64通道的信号放大和转换，转换后的数据传送给数据采集和处理模块，数据采集和处理模块根据上位机的命令实现数据包格式转换，转换后的数据包通过高速光纤、网口/光纤转换模块的网口传输给上位机。在需要刺激时，上位机发送刺激命令，通过刺激控制器对刺激进行命令解析发送给刺激波形生成模块，通过刺激电极作用于脑神经元。

所述的前置阻抗转换模块由低漂移、低噪声的运放构成，运放供电采用双极供电模式，保证了模拟量的获取。

所述的模拟放大及模数转换模块由8个独立的板卡构成，每个板卡功能相同，模拟放大采用两级放大，前级采用仪表运放INA128，采用积分反馈电路作为两级放大之间的高通模拟滤波，每8个通道采用一片24位AD做模数转换。

如图2所示，所述的数据采集和处理模块包括FPGA数据采集电路和数据存储器。数据采集电路采用Altera公司的208脚的FPGA（EP2C8NQ208）芯片，数据采集存储过程是：接收控制命令选择数据传输模式，给8个模数转换小电路板循环发送片选命令，循环读取64个通道的并行24位数据，根据数据传输模式建立数据包存储在数据存储器中，向数据传输控制模块发送数据存储信息。

所述的数据传输控制模块是一个微处理器STM32F4系统，微处理器的工作过程是：通过光纤接口接收上位机19bytes的控制命令包，解码命令包得到用户对系统的控制信息，向数据采集和处理模块发送数据传输模式控制指令、向刺激控制器发送波形和波形参数控制命令，微处理器接收数据采集和处理模块的反馈信息选择数据存储器开始读取数据包，微处理器以100Mbit/s的速度通过光纤向网口/光纤转换模块发送数据包。

如图3A所示，所述上位机的控制命令数据帧格式从最低位到最高位依次包括：1byte数据传输模式位、8byte的选择采集通道位、1byte的刺激波形位和9byte的刺激波形参数位。

如图3B所示，数据传输模式指令表由8位二进制组成，选择的模式包括5种。

如图3C所示，刺激波形选择指令表由8位二进制组成，选择的刺激波形包括10种。

本实施例涉及的数据处理过程，如图4所示，该过程包括以下步骤：

第一步，FPGA数据接收单元获得同步接收的64通道数据；

第二步，根据上位机命令，若要求为24位数据原始数据流，直接进入24位数据提取模式；若为16位数据位模式，进入16位数据自动选择状态；

第三步，根据上位机命令，选择数据输出模式；

第四步，根据数据输出模式进行数据打包，16位格式的数据包主要包括4种模式；

第五步，在数据包中添加时间标志和通道标记；

第六步，建立总的数据包。

如图5所示，所述的数据包与数据位数对应范围与选择位数、精度等参数相关。

如图6所示，所述的数据包的建立过程包括如下步骤：

第一步，FPGA接收微处理器发送的控制指令选择数据传输模式，FPGA根据采集开始的前2s采样数据自动选择16位；

第二步，FPGA通过阈值法提取spike波形并为原始数据和每个spike波形建立90bytes的数据包，并根据本地时间添加2bytes的时间标记、1byte的通道标记和1byte位选标记；

第三步，FPGA为64个采集通道分别建立相对应的64个2K大小的FIFO存储区；

第四步，将建立的93bytes的数据包分别存放于对应通道的FIFO中，根据上位机指令整合数据包存储在数据存储器中并向微处理器发送存储信息。

所述的数据采集和处理模块根据上位机指令自动选择24位数据中的16位处理，选择的过程是：持续采集2s的数据，计算各采样数据的平均值，根据平均值对照位选表选择符合条件的最大输入范围，组合16位数据。

如图7所示，所述的神经元信号和spike波形是系统采集到在上位机显示的波形。

如图8所示，电流刺激部分由刺激控制器通过UART接口接收数据传输控制模块中微处理器发送的波形生成命令，与刺激控制器相连的数据存储器中存储有双极性脉冲、单极性脉冲、单脉冲、正弦、半正弦、三角波、反余弦、lilly波、类lilly波和次lilly波数字波形序列。刺激控制器根据波形命令和波形参数要求调用并修改相应数字波形序列发送给波形生成部分。

波形生成部分包括数模转换芯片、电压调整、光耦隔离芯片和电压-电流转换电路芯片。

所述的数模转换芯片是AD8600芯片；

所述的光耦隔离芯片是TLP521芯片；

所述的电压-电流转换电路芯片是由高压运放OPA454组成。

如图9所示，所述上位机的刺激命令中包含10种刺激波形，每种刺激波形有相应的波形参数可调整，为使用者提供简单方便的刺激操作。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多通道神经元信号采集调控与传输装置，其特征在于：包括前置阻抗转换模块、模拟放大及模数转换模块、数据采集和处理模块、数据传输控制模块、刺激控制器、刺激波形生成模块、移动电源、网口/光纤转换模块和上位机，其中：

所述的前置阻抗转换模块与所述的模拟放大及模数转换模块相连，所述的前置阻抗转换模块，通过微电极将神经元信号实现阻抗转换和提取，每个采集通道独立放大，采用积分反馈电路实现模拟高通滤波，64通道神经元信号做二级放大后经24位模数转换做并行数字化处理；

所述的数据采集和处理模块通过接口与所述的模拟放大及模数转换模块相连，所述的数据采集和处理模块用于多通道数据采集与同步处理，按照用户命令自动选择数据传输模式建立数据包；

所述的数据采集和处理模块与所述的数据传输控制模块相连，所述的数据传输控制模块将采集的数据根据所述的上位机命令进行解析，向所述的数据采集和处理模块和所述的刺激控制器发送控制信息，并通过光纤向所述的网口/光纤转换模块回传数据；

所述的刺激控制器与所述的数据传输控制模块采用UART传输方式，所述的刺激控制器用于存储波形数字序列，接收控制指令并调整波形参数，向所述的刺激波形生成模块发送波形数字序列；

所述的刺激波形生成模块用于生成模拟刺激波形，输出8通道电流刺激，它与所述的刺激控制器之间通过并行DA模块相连接。

2.根据权利要求1所述的一种多通道神经元信号采集调控与传输装置，其特征在于：所述的前置阻抗转换模块由一单倍增益的低漂移运放单元组成，将高阻抗神经信号转换为低阻抗信号；通过接口与微电极相连，实现对神经元阻抗的转换，并将信息传输给所述的模拟放大及模数转换模块。

3.根据权利要求1所述的一种多通道神经元信号采集调控与传输装置，其特征在于：所述的模拟放大及模数转换模块由8个相同的模数转换电路板组成，每个模数转换电路板采集8通道的模拟信号经两级放大后进行24位AD转换，每个模数转换电路板的第一级放大采用仪表放大器，所有的输入通道为双极导联方式输入。

4.根据权利要求1所述的一种多通道神经元信号采集调控与传输装置，其特征在于：所述的数据采集和处理模块采用208脚的FPGA芯片，实现并行采集，通过给8个模数转换电路板发送片选命令循环读取64个通道的并行24位数据，每个通道的24位数据根据采样信号的平均值自动选择16位数据位并接收控制指令选择数据传输模式，建立数据包存储在数据存储器中并向所述的数据传输控制模块发送数据存储信息；所述的数据采集和处理模块提供5种数据传输模式：64通道24位原始数据流、64通道16位原始数据流、64通道中任意通道组合的spike波形、所有64通道1ms内spike波形和任意单通道16位原始数据及这个通道的spike波形。

5.根据权利要求1所述的一种多通道神经元信号采集调控与传输装置，其特征在于：所述的数据采集和处理模块中FPGA为原始数据和每个spike波形建立90bytes的数据包，并提取本地时间添加2bytes的时间标记和1byte的通道标记，并为64个采集通道建立相对应的64个FIFO存储区，将建立的各93bytes的数据包分别存放于对应通道的FIFO中，根据控制指令整合数据包并向所述的数据传输控制模块反馈存储信息。

6.根据权利要求1所述的一种多通道神经元信号采集调控与传输装置，其特征在于：所述的数据传输控制模块根据所述的数据采集和处理模块反馈的存储信息选择数据存储器读取数据包，所述的数据传输控制模块接收19bytes上位机指令包，根据上位机指令包自动向所述的数据采集和处理模块发送数据传输模式控制命令，通过UART接口向所述的刺激控制器发送刺激波形控制命令，所述的数据传输控制模块根据反馈的存储信息选择存储器读取数据包并以100Mbit/s速度通过光纤接口发送给所述的网口/光纤转换模块，所述的网口/光纤转换模块集成了网口通信协议将读取的数据包按照网口协议以100Mbit/s速度发送给上位机的网口。

7.根据权利要求1所述的一种多通道神经元信号采集调控与传输装置，其特征在于：所述的刺激控制器中有数据存储器，存储有双极性脉冲、单极性脉冲、单脉冲、正弦、半正弦、三角波、反余弦、lilly波、类lilly波和次lilly波的数字波形序列，所述的刺激控制器接收控制命令，根据命令选择波形并按照命令要求修改相关波形参数，向所述的刺激波形生成模块传输数字波形序列。

8.根据权利要求1所述的一种多通道神经元信号采集调控与传输装置，其特征在于：所述的刺激波形生成模块包括：数模转换电路、电压调整电路、光耦隔离电路和电压-电流转换电路；所述的数模转换电路和所述的电压调整电路将所述的刺激控制器发送的数字波形序列转换为8通道模拟电压波形，所述的数模转换电路芯片采用AD8600，输入8位并行数据波形序列输出电压波形，8通道的电压波形经所述的光耦隔离电路和所述的电压-电流转换电路后得到稳定的刺激电流传输到刺激电极上。

9.根据权利要求1所述的一种多通道神经元信号采集调控与传输装置，其特征在于：所述的移动电源采用由4块单个容量为4200mAH的锂电池组成，通过两块电池串联后并联组成输出电压为7.4V容量为16800mAH的锂电池供电组；所述的移动电源采用可充电设计并设有充电保护电路和放电保护电路，所述的充电保护电路与电池组的充电端连接并提供外接充电接口，电池组的放电端连接所述的放电保护电路为系统各个部分供电。

Images