CN109528191B - 一种颅内脑电生理信号检测与放大系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开公开了一种颅内脑电生理信号检测与放大系统及方法，包括：多通道电极探针传感器、多路选择器、放大器、选通频率调节器、调零电阻及模数转换系统。多通道电极探针传感器的焊盘PAD通过多路选择器连接到放大器输入端；多路选择器的另一端连接选通频率调节器；放大器输入端通过调零电阻与大地连接；放大器为由二个单机放大核两级级联组成的集成二阶带通滤波器，二个低噪声放大器中一个为低通滤波器，另一个为高通滤波器；放大器的输出端连接模数转换器。

Description

一种颅内脑电生理信号检测与放大系统及方法

技术领域

本公开涉及生物电处理技术领域，特别是涉及一种颅内脑电生理信号检测与放大系统及方法。

背景技术

颅内的脑电信号的正确提取，对于进行深层次颅内脑疾病的诊断分析，对于未来构建微型植入传感检测系统等，均具有重要的意义。但是，目前发明大多采用购买的芯片搭建颅内脑电采集系统，没有给出统一的传感器与后面级联的微弱生物信号的具体探针以及电路结构。对于未来进行植入式脑电采集小芯片系统而言，本公开具有重要的实际应用价值。

中国公开申请号为“200880006957.X”的皇家飞利浦电子股份有限公司的《用于深度大脑刺激的电极系统》专利公开了用于大脑深部刺激与电生理信号采集装置的电极系统，该电极系统包括轴向延伸的探针主体、至少三个沿着所述探针主体的轴线分布的刺激电极及控制器，然后，发明人意识到，该专利的探针主体并没有像本公开一样基于平面工艺，而且该专利也不具备与本公开中提出的专用于脑电的放大器及相应芯片核。

中国公开申请号为“201621197344.7”的华南理工大学的《一种多通道脑电采集装置》专利，该专利公开了用于脑电采集的多通道脑电采集装置，该装置包括前端多通道信号处理模块、数据控制模块、数据缓存模块和数据转发模块，然后，发明人意识到，该装置虽然包括不同的模块，但是其不具备本公开提出的专用于脑电的放大器与相应芯片核以及对应的内部电路结构。

中国公开申请号为“200520002130.5”的北京舒普生工贸有限与首都医科大学北京神经科学研究所的《一种大白鼠脑内多巴胺检测仪》的专利，该专利公开了用于检测颅内多巴胺的系统，该系统包括电极、数字化脑电信号放大器、数据预处理器、个人计算机、终端处理器，然后，发明人意识到，该专利不具备本公开的提出的专用于颅内脑电传感器的放大器的集成电路结构。

中国公开申请号为“201621240371.8”的工业和信息化部电信研究院的《脑电信号采集系统》专利，该专利公开了用于动植物对电磁辐射反应采集的脑电信号采集系统，该系统包括脑电放大器、电磁脉冲照射源和微波暗室，然后，发明人意识到，该专利描述了笼统的脑电采集系统，但是其不具备本公开提出的专用于颅内脑电传感器的放大器的集成电路结构。

中国公开申请号为“201420757563.0”的中原电子技术研究所的《便携式低功耗高性能脑电放大器电路》专利，该专利公开了具有小巧、便携、低能耗、高性能的颅外EEG脑电放大电路，该电路包括预处理电路、集成模拟前端、信号处理与控制模块、WIFI模块，然后，发明人意识到，该专利不具备本公开提出的脑电放大专用芯片的高度集成化，也没有给出放大器内部电路结构。

中国公开申请号为“201320137657.3”的河南农业大学的《一种生物电信号放大器》专利，其描述了脑电放大的笼统组成，但是其不具备本公开提出的用于脑电的放大专用集成电路的高度集成特点，也没有给出具体电路结构。

综上所述，在现有技术中，均没有给出颅内脑电放大器具体的电路架构，以及对应电路内部结构。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种颅内脑电生理信号记录的探针与对应的颅内普适应用低噪声脑电放大芯片核，其具有能够利用本公开提出的放大器，专门针对脑电信号进行放大滤波处理，增强脑电效果；

一种多通道电极探针传感器，包括：焊盘PAD和一个或多个探针体；

所述探针体顶部通过硅基底与所述焊盘PAD连接；所述探针体上设有若干个神经电生理电压信号检测位点，各个神经电生理电压信号检测位点与所述焊盘PAD通过导线连接组成采集通道；

所述探针体表面为纳米铂黑材料；所述探针体中部形状为柱体，所述探针体底部逐渐收缩为一点；所述神经电生理电压信号检测位点间距至少为100um。

一种颅内脑电生理信号检测与放大系统，包括：如上所述的多通道电极探针传感器、多路选择器、放大器、选通频率调节器、调零电阻及模数转换器；

所述多通道电极探针传感器的焊盘PAD连接到所述多路选择器的输入端，所述多路选择器的输出端连接到所述放大器的输入端并在所述放大器的输入端进行布线对称匹配处理以降低差分输入布线不对称引起的失调；所述多路选择器的另一端连接到所述选通频率调节器；

所述放大器输入端通过所述调零电阻与大地连接；

所述放大器为由二个单级放大核两级级联组成的集成二阶带通滤波器，二个低噪声放大器中一个放大器形成低通滤波器，而另外一个放大器形成高通滤波器，这样整体放大系统形成带通滤波器，实现对多通道电极探针传感器采集的信号放大的同时，进行频带带通选择，抑制带外噪声信息；

所述放大器的输出端连接模数转换器。

进一步的，所述多通道电极探针传感器采集的是mV级的微弱神经电生理电压信号。

进一步的，所述多路选择器对所述多通道电极探针传感器的各个采集通道的神经电生理电压信号进行选择，选择某一采集通道的神经电生理电压信号检测位点采集的神经电生理电压信号并将该神经电生理电压信号传输到所述放大器。

进一步的，所述多路选择器的另一端通过所述选通端连接到所述选通频率调节器；

所述选通频率调节器通过改变所述多路选择器对所述多通道电极探针传感器的采集通道的选择频率，实现对多通道电极探针传感器的各个神经电生理电压信号检测位点进行轮转处理；

所述选通频率调节器设定的最快频率受限于后面放大核完成放大处理的时间。

进一步的，所述放大器由两个同样的单级放大核组成，而所述单级放大核又包括两级放大，所述单级放大核包括：偏置电路，第一级放大电路，第二级放大电路，共模负反馈电路，米勒补偿电容及调零电阻；

所述偏置电路与所述共模负反馈电路连接，所述共模负反馈电路的另一端连接所述第二级放大电路，所述第二级放大电路的另一端连接第一级放大电路；

所述第一级放大电路为差分输入级，实现小信号的初步放大；

所述第一级放大电路与第二级放大电路之间设有米勒补偿电容与调零电阻，以保证电路稳定性；

所述第二级放大电路为共源级放大，实现小信号的进一步放大；

所述共模负反馈电路保证差分输入共模稳定在一个合适直流点上。

进一步的，所述调零电阻能够消除放大器在没有输入信号时产生的输出失调电压。

进一步的，所述放大器输出能够产生较大的电流驱动，能够直接驱动所述模数转换器的输入，不需要在放大器与所述模数转换器之间再插入缓冲器buffer，就能满足所述模数转换器的输入电流需求，使模数转换器进入快速转换工作。

一种颅内脑电生理信号检测与放大系统的使用方法，包括以下步骤：

将多通道电极探针传感器插入到需要检测的大脑脑皮层的某一具体位置；

多通道电极探针传感器上的神经电生理电压信号检测位点均开始采集所在大脑位置的瞬间神经电生理电压信号；

多路选择器对所述多通道电极探针传感器的各个采集通道的神经电生理电压信号检测位点采集的神经电生理电压信号进行选择；

通过选通频率调节器改变多路选择器的选通端输入及选通频率，对多通道电极探针传感器的各个神经电生理电压信号检测位点进行不同速度轮转处理；

多路选择器将采集的神经电生理电压信号传输到所述放大器的输入端，所述放大器的输入端进行布线对称处理，以降低差分输入布线不对称引起的失调；再通过调零电阻进行微调，以抵消其余噪声引起的失调输出电压，之后将调整过的神经电生理电压信号传输到所述放大器；

所述放大器完成对多通道电极探针传感器采集的神经电生理电压信号进行放大、滤波与带外噪声去除处理；所述放大器输出处理后的神经电生理电压信号通过模数转换器，进行数字化处理分析。

进一步的，所述选通频率调节器能够将所述多路选择器的选通端固定在一个常量，即只选择某一个神经电生理电压信号检测位点的神经电生理电压信号进行放大处理，即仅仅选择通过单一采集通道的神经电生理电压信号进行放大处理。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开采用多路选择器，可以选择某通道的电生理信号，送到后面级联的放大器，可以检测脑内不同位点信号。

2、本公开采用选通频率调节器，可以轮转检测不同位点的电生理信号，提高检测系统的时间利用率。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开的颅内脑电传感检测与放大系统结构示意图；

图2为本公开的多通道电极探针传感器结构示意图；

图3为本公开的放大器系统结构示意图；

图4为本公开的放大器中单机放大核结构示意图；

其中，1为焊盘PAD；2为信号采集通道；3为多通道选择器；4为选通频率调节器；5为选通端；6为调零电阻；7为放大器；8为探针体；9为电生理信号检测位点；10为单级放大核；11为偏置电路；12为共模负反馈电路；13为第二级放大电路；14为第一级放大电路；15为米勒补偿电容和调零电阻。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在没有关于颅内脑电放大器具体的电路架构，以及对应电路内部结构的不足，为了解决如上的技术问题，本公开提出了一种颅内脑电生理信号记录的探针与对应的颅内普适应用低噪声脑电放大芯片核。

一种多通道电极探针传感器，包括：焊盘PAD和一个或多个探针体。

一种颅内脑电生理信号检测与放大系统，其特征是，包括：多通道电极探针传感器、多路选择器、放大器、选通频率调节器、调零电阻及模数转换器。

多通道电极探针传感器的焊盘PAD连接到多路选择器的输入端，多路选择器的输出端连接到放大器的输入端并在放大器的输入端进行布线对称匹配处理以降低差分输入布线不对称引起的失调；多路选择器的另一端连接到选通频率调节器；

放大器输入端通过调零电阻与大地连接；

放大器为由二个单级放大核两级级联组成的集成二阶带通滤波器，二个低噪声放大器中一个放大器形成低通滤波器，而另外一个放大器形成高通滤波器，这样整体放大系统形成带通滤波器，实现对多通道电极探针传感器采集的信号放大的同时，进行频带带通选择，抑制带外噪声信息；

放大器的输出端连接模数转换器。

一种颅内脑电生理信号检测与放大系统的使用方法，包括以下步骤：

将多通道电极探针传感器插入到需要检测的大脑脑皮层的某一具体位置；

多通道电极探针传感器上的神经电生理电压信号检测位点均开始采集所在大脑位置的瞬间神经电生理电压信号；

多路选择器对多通道电极探针传感器的各个采集通道的神经电生理电压信号检测位点采集的神经电生理电压信号进行选择；

通过选通频率调节器改变多路选择器的选通端输入及选通频率，对多通道电极探针传感器的各个神经电生理电压信号检测位点进行不同速度轮转处理；

多路选择器将采集的神经电生理电压信号传输到放大器的输入端，放大器的输入端进行布线对称处理，以降低差分输入布线不对称引起的失调；再通过调零电阻进行微调，以抵消其余噪声引起的失调输出电压，之后将调整过的神经电生理电压信号传输到放大器；

放大器完成对多通道电极探针传感器采集的神经电生理电压信号进行放大、滤波与带外噪声去除处理；放大器输出处理后的神经电生理电压信号通过模数转换器，进行数字化处理分析。

选通频率调节器能够将所述多路选择器的选通端固定在一个常量，即只选择某一个神经电生理电压信号检测位点的神经电生理电压信号进行放大处理，即仅仅选择通过单一采集通道的神经电生理电压信号进行放大处理。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本公开的技术方案。

实施例一

一种多通道电极探针传感器，如图2所示的多通道电极探针传感器结构图，包括：焊盘PAD和一个或多个探针体。

探针体顶部通过硅基底与焊盘PAD连接；探针体上设有若干个神经电生理电压信号检测位点，神经电生理电压信号检测位点与焊盘PAD通过导线连接组成采集通道。

探针体表面为纳米铂黑材料，在多通道电极探针传感器电极Pt探针体表面电镀纳米铂黑材料，达到多通道电极探针传感器电极表面修饰处理的目的。多通道电极探针传感器的电子转运能力增强，灵敏程度增大；神经电生理电压信号检测位点分布在探针体的不同位置，可以检测的脑空间区域更大。探针体表面为纳米铂黑材料也降低了传感器的输出阻抗，使其为MΩ级。

探针体中部形状为柱体，在一些实施例中，探针体中部形状包括但不限于为四棱柱。探针体底部逐渐收缩为一点；神经电生理电压信号检测位点间距至少为100um，在一些实施例中，探针体底部尖端设有神经电生理电压信号检测位点。

在一些实施例中，其基于MEMS平面电极工艺，单个探针体大约(30X 30um2)面积。

实施例二

一种颅内脑电生理信号检测与放大系统，如图1所示的颅内脑电传感检测与放大系统结构图，包括：多通道电极探针传感器、多路选择器、放大器、选通频率调节器、调零电阻及模数转换器。

多通道电极探针传感器采集的是mV级的微弱神经电生理电压信号。

多通道电极探针传感器的电子转运能力增强，灵敏程度增大；神经电生理电压信号检测位点分布在探针体的不同位置，可以检测的脑空间区域更大。

多通道电极探针传感器的焊盘PAD连接到多路选择器的输入端，多路选择器的输出端进行布线对称匹配处理后连接到放大器的输入端；多路选择器的另一端通过所述选通端连接到所述选通频率调节器。

选通频率调节器通过改变多路选择器对多通道电极探针传感器的采集通道的选择频率，实现对多通道电极探针传感器的各个神经电生理电压信号检测位点进行轮转处理；选通频率调节器设定的最快频率受限于后面放大核完成放大处理的时间；最慢频率没有限制。

多路选择器对多通道电极探针传感器的各个采集通道的神经电生理电压信号进行选择，选择某一采集通道的神经电生理电压信号检测位点采集的神经电生理电压信号并将该神经电生理电压信号传输到所述放大器。通过多路选择器，可以选择某通道的电生理信号，送到后面级联的放大器，可以检测脑内不同位点信号；通过选通频率调节器，可以轮转检测不同位点的电生理信号，提高检测系统的时间利用率。

放大器输入端通过调零电阻与大地连接，调零电阻能够消除放大器在没有输入信号时，由于输入失调电压，闪烁噪声，热噪声等不同噪声源引起的输出失调电压。

放大器为由二个单级放大核两级级联组成的集成二阶带通滤波器，二个低噪声放大器中一个放大器形成低通滤波器，而另外一个放大器形成高通滤波器，这样整体放大系统形成带通滤波器，实现对多通道电极探针传感器采集的信号放大的同时，进行频带带通选择，抑制带外噪声信息；放大器由两个同样的单级放大核组成，而所述单级放大核又包括两级放大，本公开放大器的单级放大核内部结构如图4所示，所述单级放大核包括：偏置电路，第一级放大电路，第二级放大电路，共模负反馈电路，米勒补偿电容及调零电阻；

偏置电路与所述共模负反馈电路连接，所述共模负反馈电路的另一端连接所述第二级放大电路，所述第二级放大电路的另一端连接第一级放大电路；

第一级放大电路为差分输入级，实现小信号的初步放大；

第一级放大电路与第二级放大电路之间设有米勒补偿电容与调零电阻，以保证电路稳定性；

第二级放大电路为共源级放大，实现小信号的进一步放大；

共模负反馈电路保证差分输入共模稳定在一个合适直流点上。

放大器输入阻抗远远大于传感器输出阻抗，获取最大分压，以使放大器获取最大感知电压。

放大器差分输入，降低共模噪声的影响；放大器核进行低噪声设计，并且其带宽进行了限制(0.1-3000Hz)，避免带外噪声；放大器核面积很小，便于搭建不同的可穿戴设备。

放大器输入采用较大的MOS晶体管尺寸(增大MOS管的长L、宽W)，降低低频闪烁噪声的干扰。

如图3所示的放大器系统结构图中，本公开的电阻R1、R2模拟生物传感器的电极大内阻(模拟生物传感探针的电阻)，实际电路的真实版图中无此电阻；

本公开放大器差分输入端MOS晶体管具有很大的电阻(相对于传感器阻抗)；

如图3所示，本公开的放大系统的低频截止频率由R3*C3(R4*C4、R5*C5、R6*C6、R7*C7)决定，为10Hz；

如图3所示，本公开的放大系统的高频截止频率由带通滤波器的传函可看出主要由R1*C7(R2*C8)决定，但是由于出于功耗考虑(主极点位置决定带宽，主极点与电流相关，所以说一般带宽越大的放大器所需功耗更大)，将放大器自身带宽减至滤波器高频截止频率以下，避免噪声功耗上的浪费。

本公开的大电阻R3、R4、R5、R6由工作在亚阈值区的MOS管代替，阻值可达G欧姆级别，这样放大器输入与传感器输出在连接时候，进行分压获得最大的电压，以进行放大。

本公开的单级放大器其工作原理解释：第一级放大电路为差分输入级，实现小信号的初步放大，由于电路的等效输入噪声主要取决于第一级的噪声，因此降噪技术主要应用于第一级电路。本公开的“单级放大核”电路的第二级放大电路为共源级放大，实现小信号的进一步放大。本公开的“单级放大核”电路第一、二级放大电路之间加入米勒补偿，以保证电路稳定性。

本公开的脑电放大电路工作频段极低，此时电路产生噪声主要为闪烁噪声，设计通过增加MOS管需要比较大的尺寸来抑制闪烁噪声；本公开中的放大器输出，可以产生较大的电流驱动，以驱动系统后可能添加的模数转换器ADC大负载；本公开“单级放大核”电路加入共模负反馈电路保证差分输入共模稳定在一个合适直流点上。

放大器的输出端连接模数转换器，放大器输出能够产生较大的电流驱动，能够直接驱动所述模数转换器的输入，不需要在放大器与所述模数转换器之间再插入缓冲器buffer，就能满足所述模数转换器的输入电流需求，使模数转换器进入快速转换工作。放大器小芯片核放大倍数足够大，可以完成颅内mV级的电生理信号的充分放大，方便接到不同模数转换器ADC模块，并且放大后的信号落在模数转换器ADC输入量程范围内。

利用连接到多路选择器选通端的选通频率调节器，可以改变多路选择器的选通频率，达到把传感器多通道信号进行不同速度轮转处理；当然，利用选通频率调节器，多路选择器的选通信号也可以固定在一个常量，即只选择感兴趣的检测位点的电生理信号，即仅仅选择通过单一通道脑信号；最后完成脑电模拟信号的准确提取，以配合其与厂家的ADC系统，进行数字化处理分析等。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种颅内脑电生理信号检测与放大系统，其特征是，包括：多通道电极探针传感器、多路选择器、放大器、选通频率调节器、调零电阻及模数转换器；

所述多通道电极探针传感器的焊盘PAD连接到所述多路选择器的输入端，所述多路选择器的输出端连接到所述放大器的输入端并在所述放大器的输入端进行布线对称匹配处理以降低差分输入布线不对称引起的失调；所述多路选择器的另一端连接到所述选通频率调节器；

所述放大器输入端通过所述调零电阻与大地连接；

所述放大器为由二个单级放大核两级级联组成的集成二阶带通滤波器，二个低噪声放大器中一个放大器形成低通滤波器，而另外一个放大器形成高通滤波器，这样整体放大系统形成带通滤波器，实现对多通道电极探针传感器采集的信号放大的同时，进行频带带通选择，抑制带外噪声信息；

所述放大器的输出端连接模数转换器。

2.如权利要求1所述的一种颅内脑电生理信号检测与放大系统，其特征是，多通道电极探针传感器包括：焊盘PAD和一个或多个探针体；

所述探针体顶部通过硅基底与所述焊盘PAD连接；所述探针体上设有若干个神经电生理电压信号检测位点，各个神经电生理电压信号检测位点与所述焊盘PAD通过导线连接组成采集通道；

所述探针体表面为纳米铂黑材料；所述探针体中部形状为柱体，所述探针体底部逐渐收缩为一点；所述神经电生理电压信号检测位点间距至少为100um。

3.如权利要求1所述的一种颅内脑电生理信号检测与放大系统，其特征是，所述多通道电极探针传感器采集的是mV级的微弱神经电生理电压信号。

4.如权利要求1所述的一种颅内脑电生理信号检测与放大系统，其特征是，所述多路选择器对所述多通道电极探针传感器的各个采集通道的神经电生理电压信号进行选择，选择某一采集通道的神经电生理电压信号检测位点采集的神经电生理电压信号并将该神经电生理电压信号传输到所述放大器。

5.如权利要求1所述的一种颅内脑电生理信号检测与放大系统，其特征是，所述多路选择器的另一端通过选通端连接到所述选通频率调节器；

所述选通频率调节器通过改变所述多路选择器对所述多通道电极探针传感器的采集通道的选择频率，实现对多通道电极探针传感器的各个神经电生理电压信号检测位点进行轮转处理；

所述选通频率调节器设定的最快频率受限于后面放大核完成放大处理的时间。

6.如权利要求1所述的一种颅内脑电生理信号检测与放大系统，其特征是，所述放大器由两个同样的单级放大核组成，而所述单级放大核又包括两级放大，所述单级放大核包括：偏置电路，第一级放大电路，第二级放大电路，共模负反馈电路，米勒补偿电容及调零电阻；

所述偏置电路与所述共模负反馈电路连接，所述共模负反馈电路的另一端连接所述第二级放大电路，所述第二级放大电路的另一端连接第一级放大电路；

所述第一级放大电路为差分输入级，实现小信号的初步放大；

所述第一级放大电路与第二级放大电路之间设有米勒补偿电容与调零电阻，以保证电路稳定性；

所述第二级放大电路为共源级放大，实现小信号的进一步放大；

所述共模负反馈电路保证差分输入共模稳定在一个合适直流点上。

7.如权利要求1所述的一种颅内脑电生理信号检测与放大系统，其特征是，所述调零电阻能够消除放大器在没有输入信号时产生的输出失调电压。

8.如权利要求1所述的一种颅内脑电生理信号检测与放大系统，其特征是，所述放大器输出能够产生较大的电流驱动，能够直接驱动所述模数转换器的输入，不需要在放大器与所述模数转换器之间再插入缓冲器buffer，就能满足所述模数转换器的输入电流需求，使模数转换器进入快速转换工作。

Images