CN111936044B - 传感器阵列、用于操作传感器阵列的方法和执行用于操作传感器阵列的方法的计算机程序 - Google Patents
传感器阵列、用于操作传感器阵列的方法和执行用于操作传感器阵列的方法的计算机程序 Download PDFInfo
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Abstract
一种传感器阵列，包括用于提供探测信号的基部和多个模块化记录位点。多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点被配置为接收信号，将信号转换为数字传感器信号并将数字传感器信号提供给基部。基部被配置为从多个模块化记录位点接收多个数字传感器信号，并处理多个数字传感器信号以便提供探测信号。
Description
技术领域
根据本发明的实施例涉及诸如神经元探针的传感器阵列、用于操作传感器阵列的方法、以及执行用于操作传感器阵列的方法的计算机程序。
背景技术
在传感器应用中，例如在生物医学测量技术中，经常必须接触体内的大量(超过100个)传感器信号并将该传感器信号传送到外部电子设备。对于神经元传感器尤其如此，其中分别将尽可能大的多个小传感器和电极附接到用于检测脑组织中的神经元信号的设备。信号被传送到可以处理和存储信号的计算机控制系统的外部。这样的神经元传感器系统应用于神经科学或通常在涉及脑活动研究的应用领域。
通常，神经元针由多个电极和将信号传送到针顶端处的基部的导电迹线组成。为此，附接了电缆以将信号传送到外部信号处理设备。通常，信号处理由一系列前置放大器、滤波器和模数转换器组成。在无源针中，没有在针中安装有源读出电子设备，而电子设备则部分或完全集成在有源针的基部中。
神经元信号可分为两种主要类型，幅度达几毫伏的低频信号(局部场电位)和幅度达几百毫伏的高频信号(动作电位)。
由于振幅非常小，因此振幅也容易受到干扰源的影响，特别是当将信号传送到外部的导体的长度为几厘米时更是如此。
由于寄生效应(例如线路电容)，不同的信号会在一根针上相互干扰，从而无法再识别原始源/电极(串扰)。
通常必须将神经元针引入脑组织的要求导致了该应用的另一个重要方面：将外科手术引入脑组织期间的组织损伤最小化。因此，针头的横截面积必须尽可能小。到目前为止，对于针杆这已经成功地实现了，但到目前为止，所有已发布的神经元针都具有较大的基部，由于其尺寸，该基部无法嵌入脑组织。因此，最大引入深度限于针的长度。
评估神经元信号的另一种方法是使用多电极阵列(MEA)。在这样的系统中，可以将脑切片放置在神经元传感器的二维阵列上，并且可以测量脑切片的神经元活动。
通常，已经存在大量可用于所描述的应用的不同设计的神经元探针。可以基于电子集成度对所有已知系统进行分类。
神经元评估系统可以分为三组。
一组包括无电子设备的无源系统。这样的系统由电极和电导体组成，其中导体将信号从传感器引导到外部接口。存在多种不同的实现方式，主要是在柔性基板上。概述可以在[1]中找到。这些系统仅限于少量电极。
另一组包括无源电子系统。在无源CMOS传感器系统中，没有实现有源评估电子设备，而仅实现了电子控制的开关，允许将特定的传感器元件(例如电极)与通向输出接触件的导体之一连接。评估电子设备位于系统外部。可以被同时读出的电极的数量受到基部上接触件数量的限制。论文[2]和[3]描述了神经元针，而论文[4]介绍了一种基于被动概念的二维MEA系统。
第三组包括有源电子系统。在有源针中，部分评估电子设备集成在芯片中[5、6]。此处，信号链(例如信号放大器、模数转换、数字处理/接口)集成在基部中。与[2]和[3]相似，针杆本身包括电子控制的开关和前置放大器，它们将神经元信号从选定的电极传送到基部。然而，在[7]中描述了一种类似的有源MEA系统。除了用于选择传感器节点的开关以外，评估电路的一部分还集成在传感器阵列(滤波器和前置放大器)中。从模拟到数字的转换不合理范围之外。
已知的解决方案显现出缺点。所有已知的解决方案都具有非常大的基部(在可感测区域之外的电子设备)，因此在神经元针的情况下，无法将其完全浸入组织中。另外，基部的尺寸需要侵入性外科手术。可以并行读出的传感器节点(例如电极)的数量分别取决于针杆宽度和可用区域，用于将模拟信号从电极传送到基部电子设备。为了将信号传送到外部，其他解决方案具有许多端子，因此难以处理。在无源针中，端子数量与可同时读出的电极数量成正比。
已知的解决方案将敏感的神经元信号从传感器传送到基部。因此，它们对外部干扰源特别敏感，并且容易受到通道之间的串扰的影响。与无源系统相比，有源概念通过在原位(电极原位/下方)对信号进行预放大来提高信号完整性。所有已知的概念都不适合于同时读出任意数量的电极。此外，针杆中的导体仍引导模拟信号，该信号实际上被放大了，但对干扰并不完全不敏感。
随着电极数量的增加，常规设备要么需要在探针基部连接大量互连件，要么只能同时读出较少数量的电极[8、3]。
因此，期望获得一种在减小基部的尺寸、实现能够同时读出任意数量的传感器节点和复杂度之间进行更好地折衷的概念。
发明内容
本发明的发现是通过将要测量的模拟信号，特别是生物信号，例如生物医学信号，例如生化信号，以及更具体地可从神经元、肌肉、大脑或其他部位(例如耳朵和/或眼睛)获得的神经元信号，局部(即例如，在电极处)转换成数字传感器信号，可以获得数字传感器信号。因此，当在将数字传感器信号提供给基部之前，如果由多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点接收的生物信号在每个模块化记录位点中直接转换成数字传感器信号，效率则可更高并且降低了复杂度。因此，通过省略预放大、放大和滤波来减少读出电子设备的信号链(如本领域中所述)，并由生物信号(例如传感器信号)的直接局部模数转换代替。由于从多个模块化记录位点的每个模块化记录位点(例如沿着针杆)仅传送数字传感器信号(也分别传送数字数据)，而不传送敏感信号(例如模拟信号)到基部，在每个模块化记录位点(例如传感器)之间(几乎)测量不到串扰，并且相对于外部干扰源(例如光源或电磁场)具有很高的鲁棒性。因此，数字传感器信号对于失真是鲁棒的和/或可以与允许小的通信接口的多个其他信号组合。此外，尽管可能有大量的记录位点传送用于测量的传感器元件，但仍获得了小的基部。
根据实施例的传感器阵列，例如神经元探针，可以通过保持高效率而以小尺寸的基部来实现，由此，通过将生物信号在多个模块化记录位点的每个模块化记录位点处局部转换成数字信号，可以降低复杂度。这种转换允许接触大量或甚至任意数量的模块化记录位点。
根据本发明的实施例涉及一种传感器阵列，其包括被配置用于提供探测信号的基部。传感器阵列还包括多个模块化记录位点。多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点被配置为接收信号，用于将信号转换为数字传感器信号并将数字传感器信号提供给基部。基部被配置为从多个模块化记录位点接收多个数字传感器信号，并处理多个数字传感器信号以提供探测信号。
多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点接收例如表示信号的生物信号。换句话说，根据实施例，该信号是生物信号。生物信号是模拟信号，因此从生物信号到数字传感器信号的转换是通过模数转换执行的。例如，这是通过在每个模块化记录位点中实现的模数转换器来实现的。来自多个模块化记录中的每个模块化记录位点的数字传感器信号例如由基部接收。因此，例如，基部不必像本领域中所述的有源传感器阵列那样包括模数转换器。因此，例如，由于与本领域中所述的传感器阵列的基部相比，所述基部需要更少的组件(例如分别用于所有记录位点和/或ADC(模数转换器)和/或滤波器和/或放大器的导体)，所以基部以较小的尺寸实现。多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点将生物信号直接转换为数字传感器信号，使得可以接触多个模块化记录位点中的任意数量的模块化记录位点。
在实施例中，多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点包括通信接口。通信接口可以例如从基站接收配置数据。基于接收到的配置数据，模块化记录位点可以例如适配与模块化记录位点的操作有关的参数。配置数据可以例如保存关于每个模块化记录位点的状态的信息，例如，模块化记录位点的开启状态或关闭状态。因此，可以选择哪个模块化记录位点应该记录并因此接收信号。例如可以以配置数据的形式接收的信息可以包括从模拟到数字的转换的比例改变。通信接口是在每个模块化记录位点和基部直接实现通信的接口。在这种情况下，通信接口例如以配置模式运行。
在传感器阵列的实施例中，多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点被配置为使用每个模块化记录位点的通信接口将数字传感器信号提供给基部。多个模块化记录位点的通信接口相对于彼此串联连接并连接到基部。这意味着可以同时读出多个模块化记录位点中的所有模块化记录位点。在这种情况下，通信接口例如处于正常操作模式。每个模块化记录位点的每个通信接口，例如，相对于每个其他模块化记录位点的位置，依次相对于每个模块化记录位点的位置，依次传输每个模块化记录位点的各个数字传感器信号。这样，每个模块化记录位点的数字传感器信号可以链接到相邻的模块化记录位点的数字传感器信号，并可以传送到基部。以此方式，例如，从多个模块化记录位点中的一个模块化记录位点到多个模块化记录位点中的相邻的模块化记录位点的连接数量保持非常小，并且没有容易受到干扰的模拟信号(例如由每个模块化记录位点接收到的生物信号)被传送到基部。由于所有信号都直接在原位(例如，在每个模块化记录位点上)被数字化(例如，这意味着，多个模块化记录位点中的模块化记录位点接收到的每个生物信号都被转换成数字传感器信号)，并通过通信接口串联发送到基部，传感器阵列只需要很少数量的线路到基部。因此，传感器阵列不仅降低了复杂度，而且降低了传感器阵列的基部和针杆的尺寸，因为仅需要来自多个模块化记录位点中每个模块化记录位点更少数量的线来传输数字传感器信号到基部。多个模块化记录位点的通信接口相对于彼此串联连接并且连接到基部还使得传感器阵列能够接触任意数量的模块化记录位点。
因此，该模块化系统概念允许，例如，以最小的复杂度，较小的基部尺寸接触任意数量的模块化记录位点(例如，任何拓扑或几何形状的神经元电极)，并同时读出模块化记录位点。
在实施例中，多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点包括通信接口。所述通信接口包括串行接口。多个模块化记录位点的通信接口例如在串行通信链中彼此连接，该串行通信链包括从基部到传感器阵列的传感器阵列端点的前向路径和从传感器阵列端点到基部的后向路径。其中传感器阵列端点是生物医学传感器阵列端点，特别是尖端。
对于包括第一模块化记录位点和直接相邻的第二模块化记录位点的每对，第一模块化记录位点的通信接口连接到前向路径，第二模块化记录位点的通信接口连接到后向路径。来自每个模块化记录位点的数字传感器信号以及时钟例如从一个模块化记录位点转发到下一个模块化记录位点(例如，转发到直接相邻的相邻模块化记录位点)。例如，时钟从每个模块化记录位点稍微延迟到每个模块化记录位点，以分散数字电源噪声并减少峰值电流消耗。
模块化记录位点例如被分组为两个模块化记录位点的块，所述两个模块化记录位点包括连接到正向链和正向时钟的第一模块化记录位点以及连接到反向链和反向时钟的第二模块化记录位点。因此，例如，每个第二模块化记录位点的串行接口连接/耦合到前向链，而所有其他模块化记录位点的串行接口连接/耦合到后向链。第一链和第二链耦合到基部，使得数字传感器信号被传输到基部。或者，除了使用成对的模块化记录位点来实现前向链和后向链外，还可以使用两个的倍数(例如4个模块化记录位点，前两个连接到前向链，后两个连接到后向链，或者6个模块化记录位点，前三个连接到前向链，后三个连接到后向链)，甚至可以使用一个方向上只有一个链的单个模块。在仅一条链的后一种情况下，当所有模块化记录位点都连接到前向链时，从链的末端到基部的另一条数字线可以用作反向路径，或者当所有模块化记录位点都连接到后向链时，从基部到链的末端的另一条数字线可以用作反向路径。与单模块解决方案相比，在前向路径和后向路径上使用成对的模块化记录位点实现的效率更高，而单个模块解决方案仅使用前向路径或后向路径中的一个路径，但不是强制性的。因此，由每个模块化记录位点提供的每个数字传感器信号可以非常快速地传输到基部，并且根据实施例，在每个模块化记录位点和基部之间仅交换数字信号。可以同时读出多个模块化记录位点，并且由于实现了将每个模块化记录位点与每个模块记录位点连接的前向链和后向链，因此可以将传输到基部的每个数字传感器信号分配给特定的模块化记录位点。
在实施例中，基部被配置为从多个模块化记录位点接收组合的传感器信号，该组合的传感器信号包括每个模块化记录位点的数字传感器信号。组合的传感器信号例如是每个模块化记录位点的每个数字传感器信号的序列，或者是每个模块化记录位点的每个数字传感器信号与每个模块化记录位点的每个数字传感器信号的叠加。该实施方式可以例如减少传感器阵列的复杂度并减小基部的尺寸，因为仅需要一条数字数据总线，该总线将多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点与基部连接并传输组合数字传感器信号到基部。
因此，在实施例中，多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点都包括通信接口。多个模块化记录位点的通信接口彼此并联连接并且连接到基部。例如，这可以理解为在多个模块化记录位点和基部之间的并行接口。这意味着，例如，将来自多个模块化记录位点的所有数字传感器信号并行发送到基部。例如，可以实现和并行读取多个链，例如第一链，其中第一模块化记录位点和第二模块化记录位点连接到第一链、第二链，其中第三模块化记录位点和第四模块化记录位点连接到第二链、第三链，其中第五模块化记录位点和第六模块化记录位点连接到第三链和第四链，其中第七模块化记录位点和第八模块化记录位点位点连接到第一链。例如，这意味着将四个链耦合到基部，其中将基部配置为同时读出四个链，并为外部接口序列化输入的数字传感器信号。该实施例具有的优点是，可以非常快地读出数字传感器信号形式的数据，因此传感器阵列变得更有效率。
在实施例中，多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点包括Δ-∑模数转换器。由于即使最大的生物信号，尤其是神经元信号也仅在几十毫伏的范围内，并且所需的线性也很低，因此在每个模块化记录位点中使用基于Gm-C(使用放大器的跨导Gm和电容C的积分器)的增量Δ-∑-模数转换器进行直接转换(例如，通过每个模块化记录站点进行)。一阶调制器(例如，Δ-∑ ADC(ADC是模数转换器))允许在最小的硅面积上实现，因为只有一个积分器和电容器，没有准确的时间常数，因此没有局部偏置，是必需的。多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点使用Δ-∑模数转换器的优点在于，每个模块化记录位点所接收的信号可以直接在每个模块化记录位点处转换为数字传感器信号。因此，从每个模块化记录位点到基本(几乎)不敏感的数字传感器信号都会发送对电磁干扰或串扰的信号。由此，传感器阵列变得非常精确。该实施例的另一个优点是，从多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点传输到基部的信号已经被数字化，而不是像现有技术中的传感器阵列那样在基部中实现信号到数字传感器信号的转换而使得基部非常大，然而利用根据本发明的传感器阵列，基部的尺寸可以很小。连续时间Δ-∑模数转换器以降低的电流需求而闻名。此外，已知Δ-∑-模数转换器包括隐式抗混叠滤波器效果。因此，由于可以省去专用抗混叠滤波器作为附加电路块的必要性，因此可以节省更多的电流和附加的面积。因此，传感器阵列的复杂度低。
在实施例中，多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点都包括积分器和量化器，该积分器和量化器被配置为将信号直接转换为数字传感器信号。积分器例如是OTA-C积分器(分别是运算跨导放大器和电容)，单级Δ-∑ ADC。但是，也可以实现更高阶的ADC(更高阶的ADC意味着更多的积分器)，这对于传感器阵列的不同设计可能是最佳选择。单支路OTA-C积分器的输出连接到量化器，即比较器和输出锁存器，驱动开关进行电流反馈。多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点的积分器被配置为接收信号并积分该信号，以获得积分信号。多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点的量化器包括锁存比较器和输出锁存器。锁存比较器被配置为接收积分信号并量化积分信号。输出锁存器被配置为基于比较器输出来驱动用于将电流反馈至积分器的反馈开关。与主要噪声源相比，在数字电平输入信号下工作的反馈电流和反馈开关的噪声可以忽略不计。例如，使用Gm-C积分器的实现方式还具有以下优点：所需面积很小。每个模块化记录位点直接使用积分器和量化器的另一个优点是不需要前置放大器。借助积分器和量化器，每个模块化记录位点都可以将信号直接转换为数字传感器信号。因此，数字传感器信号从多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点传输到基部。如现有技术中那样，在传感器阵列中，生物信号作为模拟信号被传输到基部，因此需要前置放大器。
在实施例中，多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点被配置为独立于相邻的模块化记录位点将信号转换成数字传感器信号。这样做的优点是，不必将多个模块化记录位点中每个模块化记录位点接收到的信号作为模拟信号传输到例如下一个模块化记录位点或直接传输到基部，而是由每个模块化记录位点直接转换成数字传感器信号。因此，传感器阵列对电磁干扰或串扰几乎不敏感。
在实施例中，多个模块化记录位点中的一个模块化记录位点包括被配置用于检测信号的至少一个传感器元件。传感器元件可以是电极、光学传感器和/或化学传感器。例如也可以使一个模块化记录位点具有例如三个传感器元件。这意味着，例如，多于一个传感器元件在多个模块化记录位点中的一个模块化记录位点中共享电子电路，用于将模拟信号转换为数字传感器信号。因此，减少了组件的数量，因此也减小了传感器阵列的尺寸。
在实施例中，多个模块化记录位点沿轴向方向布置并沿轴向方向形成阵列。基部沿垂直于轴向方向的第一垂直方向的延伸最多是多个模块化记录位点沿第一垂直方向的延伸。基部沿垂直于轴向方向的第二垂直方向的延伸最多是多个模块化记录位点沿第二垂直方向的延伸。例如，这意味着从基部到所有模块化记录位点(穿过多个模块化记录位点)到最后一个模块化记录位点的垂直于轴线的横截面都不必更改。这样做的优点是，可以为传感器阵列的多个模块化记录位点选择任意数量的模块化记录位点，而不会影响基部的横截面。因此，基部可以例如具有与多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点相同的横截面。因此，可以将基部完全埋在组织中。因此，可以将传感器阵列更深地放置在组织中，并且可以最小化侵入性外科手术。该实施例并不意味着基部的尺寸不随模块化记录位点的数量而改变。例如，基部的尺寸可以在一维中(稍微)改变。
在实施例中，在垂直于传感器阵列的轴向延伸的平面中的多个模块化记录位点的横截面独立于模块化记录位点的数量。这可能意味着当越来越多的模块化记录位点附加到传感器阵列时，每个模块化记录位点的横截面不会改变，但是如果外科手术过程需要使传感器阵列具有例如从基部上的多个模块化记录位点到最后的模块化记录位点的横截面的减小，则可以改变多个模块化记录位的每个模块化记录位点的横截面。尽管实施例即使在大量的模块化记录位点处也允许小的基部，但是基部的大小可以随着模块化记录位点的数量而改变。当增加模块化记录位点的数量时，基部的大小可以例如在一个维度上(稍微)改变。
在实施例中，传感器阵列包括一个或多个列，所述一个或多个列包括多个模块化记录位点。模块化概念允许实现多个模块化记录位点的任何布置，例如以二维阵列或具有一列或多列的针的形式。多个模块化记录位点的模块化概念的优点在于，多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点相对于每个模块化记录位点的布置是非常灵活的。因此，例如，可以实现具有两列的传感器阵列。因此，传感器阵列可以记录来自更大面积的信号。由于不存在全局模拟信号路由，并且由于设计的高度模块化，因此更长的探针或探针几何形状的任何特定用途的修改都可以提供相同的性能。
在实施例中，基部包括用于提供探测信号的有线输出接口。有线输出接口的多个通道独立于模块化记录位点的数量，并且独立于垂直于传感器阵列的轴向方向延伸的平面中的多个模块化记录位点的横截面。通过这种实施方式，可以降低传感器阵列的复杂度。降低传感器阵列的复杂度的原因是，例如，一个传感器阵列可以创建具有任意数量的模块化记录位点，但在与外部设备之间具有相同有线输出接口的传感器阵列。
在实施例中，多个模块化记录位点布置在基部与传感器阵列的传感器阵列端点之间，其中传感器阵列形成针型。其中传感器阵列端点是生物医学传感器阵列端点，特别是尖端。因此，使传感器阵列进入组织的外科手术过程变得更容易。通过实现尖端，更容易将传感器阵列埋到组织中。
在实施例中，多个模块化记录位点中的模块化记录位点包括壳体，壳体包括用于接收信号的传感器部分，并且包括用于使传感器部分与相邻模块化记录位点的壳体的传感器部分绝缘的绝缘部分。壳体可以是生物相容的，因此，传感器阵列可以被埋在组织中而没有并发症。通过在两个模块化记录位点之间的绝缘部分，可以将来自一个模块化记录位点的接收信号与来自另一个模块化记录位点的接收信号分离。利用绝缘部分，可以防止一个模块式记录位点的接收信号从一个模块式记录位点跳到另一个模块记录位点，因此，将无法使用传感器阵列来定位接收到的信号。通过绝缘部分，例如可以通过传感器阵列通过一个模块化记录位点来定位接收到的信号。
根据实施例，多个模块化记录位点中的模块化记录位点包括壳体，所述壳体包括两个或更多个用于接收信号的传感器部分，并且包括用于使每个传感器部分与两个或更多个传感器部分的另一个传感器部分绝缘的绝缘部分。两个或更多个传感器部分中的每个传感器部分可以接收信号，其中每个传感器部分例如产生单个的信号。单个的信号可以彼此相同或至少部分不同。因此，例如，如果模块化记录位点包括三个传感器部分，则所有三个单个的信号(例如，由三个传感器部分产生，其中根据接收到的信号，这些传感器部分也可以称为电极或传感器元件)是相同的，全都彼此不同或两个相同，一个与其他两个不同。因此，例如，取决于传感器部分的位置，由一个以上传感器部分接收的一个信号可导致一个以上单个信号。如果例如将第一传感器部分布置成比第二传感器部分更靠近信号源，则根据实施例，第一传感器部分产生具有比由第二传感器部分产生的第二单个信号更高幅度的第一单个信号。通过使至少两个传感器部分彼此绝缘，可以防止两个或更多个传感器部分彼此相互作用并且产生不准确的单个传感器。因此，可以实现对接收信号的非常精确的定位和分析。
在实施例中，多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点被划分为模拟部分和数字部分。模拟部分和数字部分包括独立的电源来源。通过第一导电元件将数字部分与模拟部分屏蔽。这意味着，例如，模拟部分通过屏蔽(低阻抗接地屏蔽)与数字部分分开，该屏蔽被配置为阻止电磁干扰(提高抵抗电磁干扰的鲁棒性)。围绕传感器元件的连接器布置第二导电元件，以将模拟部分和数字部分与传感器元件屏蔽。换句话说，第二导电元件例如是屏蔽件，其也沿传感器的方向覆盖模拟部分和数字部分。模拟部分被配置为将由传感器元件接收的生物信号转换为数字传感器信号。模拟部分和数字部分被耦合以将数字传感器信号提供给数字部分。数字部分被配置为将数字传感器信号提供给基部。例如，整个传感器阵列沿一个方向(从基部到最后的模块化记录位点)被分离为数字部分和模拟部分，两者之间分别具有电源根源和低阻抗接地屏蔽，该屏蔽也覆盖了顶部(分别在传感器的方向上覆盖模拟部分和数字部分的平面)，以增强抗电磁干扰的能力并减少数字噪声耦合。
在实施例中，一种传感器阵列包括用于提供探测信号的基部和多个模块化记录位点。多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点被配置为用于接收信号，用于将信号转换为传感器信号并且使用模块化记录位点的通信接口将传感器信号提供给基部。多个模块化记录位点的通信接口相对于彼此串联连接并且连接到基部。
根据实施例，每个模块化记录位点所接收的信号被每个模块化记录位点直接转换成数字传感器信号，因此，已经由每个模块化记录位点进行了信号处理。因此，因为需要很少的用于处理信号的组件，所以可以以较小的尺寸实现基部。利用该实施例，不仅可以减小基部的尺寸，而且可以降低传感器阵列的复杂度，并且可以同时接触和读出任意数量的模块化记录位点。
所述传感器阵列基于与上述传感器阵列相同的考虑。顺便说一下，传感器阵列可以具有所有特征和功能，这些特征和功能也针对上述传感器阵列进行了描述。
在传感器阵列的实施例中，传感器信号是数字传感器信号。这具有数字传感器信号对电磁干扰和串扰不太敏感的优点。
根据实施例，一种用于操作传感器阵列的方法包括以下步骤：用传感器阵列的多个模块化记录位点中的模块化记录位点的传感器记录信号，使用传感器阵列的多个模块化记录位点将信号转换成多个数字传感器信号：使用传感器阵列的多个模块化记录位点的通信接口将多个数字传感器信号提供给传感器阵列的基部，用传感器阵列的基部从传感器阵列的多个模块化记录位点接收多个数字传感器信号，通过传感器阵列的基部处理多个数字传感器信号以获得探测信号，并通过传感器阵列的基部向远程设备提供探测信号。
所述方法基于与上述传感器阵列相同的考虑。
顺便说一下，所述方法可以用所有特征和功能来完成，这些特征和功能也就传感器阵列进行了描述。
根据实施例，创建了一种计算机程序，该计算机程序包括用于在计算机上运行时执行如上所述的方法的程序代码。
附图说明
附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。在以下描述中，参考以下附图描述了本发明的各种实施例，其中：
图1示出了根据本发明实施例的神经元探针的示意图；
图2a示出了根据本发明实施例的具有尖端的神经元探针的示意性框图；
图2b示出了图2a所示的神经元探针的示意性透视图；
图3a示出了根据本发明实施例的具有屏蔽的神经元探针的示意性框图；
图3b示出了图3a所示的神经元探针的示意性透视图；
图3c示出了根据本发明实施例的分段式神经元探针的示意性透视图；
图4a示出了根据本发明实施例的模块化记录位点的示意性框图；
图4b示出了根据本发明实施例的具有四个传感器元件的模块化记录位点的示意性框图；
图5a示出了根据本发明实施例的具有模数转换器的模块化记录位点的电路图；
图5b示出了根据本发明实施例的模块化记录位点的组件(Gm-C积分器、锁存比较器和输出锁存器)的电路图；
图6a示出了具有根据本发明实施例的由神经元探针测量的所测量的DNL/INL(微分非线性/积分非线性)体外测量数据的图；
图6b示出了具有根据本发明实施例的由神经元探针测量的体外功率谱密度图的图；
图6c示出了根据本发明实施例的由神经元探针测量的体外测量数据的统计噪声分布的图；
图7示出了根据本发明实施例的利用神经元探针的体外测量设置的示意图；
图8示出了根据本发明实施例的利用神经元探针的光遗传学应用的光度和辐射度光敏度测量；
图9示出了根据本发明实施例的CMOS芯片和神经元探针的显微照片；
图10a示出了根据现有技术的神经元探针的示意图；
图10b示出了根据本发明实施例的神经元探针的示意图；
图11示出了根据现有技术的神经元探针的示意图；
图12示出了根据本发明实施例的包括神经元探针的不同神经元探针的比较。
具体实施方式
在下面的描述中，即使在不同的附图中出现，相同或等同的元件或具有相同或等同功能的元件也由相同或等同的附图标记表示。
在以下描述中，阐述了多个细节以提供对本发明的实施例的更彻底的解释。然而，对于本领域技术人员清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下，以框图的形式而不是详细地示出了公知的结构和设备，以避免使本发明的实施例模糊。另外，除非另外特别指出，否则下文描述的不同实施例的特征可以彼此组合。
在下文中，参考本发明的实施例。将结合神经元探针来描述实施例，作为实现本发明的一种可能性。在没有任何限制的情况下，以下给出的描述也涉及其他传感器阵列，特别是生物医学传感器阵列。这种生物医学传感器阵列的示例是光学传感器阵列，其可以与人或动物的视网膜结合使用。例如，这样的传感器阵列可以被配置用于接收信号。尽管在下面描述的示例可以将生物信号称为模块化记录位点接收的信号，但是示例不限于此，而是通常涉及其他类型的模拟信号，例如光信号或电信号。生物信号可以是生物中可以连续测量和监测的任何信号。术语生物信号可以用于指代生物电信号，但是它可以指电(例如，电化学触发)信号和非电信号，例如电化学信号或光信号。生物信号可以特别是或至少包括电信号，该信号基于生化反应和/或光信号或刺激。传感器阵列可以检测这样的生物信号，并且可以基于其提供传感器信号。因此，尽管所描述的示例可以涉及可以被配置用于接收神经元信号的神经元探针，但是示例不限于此。
图1示出了根据本发明实施例的神经元探针100的示意图。神经元探针100包括基部110，即，生物医学传感器基部，特别是神经元探针基部，其被配置用于提供探针信号112。神经元探针100还包括多个模块化记录位点120。多个模块化记录位点120包括模块化记录位点1221至122n。子索引n是例如至少2的整数，优选地至少10，并且更优选地至少50，例如50、70、100或更大，例如144，其中子索引n也可以是大于144的任意整数。为方便起见，每个模块化记录位点将由122e标识。多个模块化记录位点120中的每个模块化记录位点122e被配置用于接收神经元信号或生物信号130，其中每个模块化记录位点122e可以接收神经元信号1321至132n。神经元信号1321至132n可包括相似或相同的神经元信号1321至132n中的至少两个，或者彼此不同的所有神经元信号1321至132n。多个模块化记录位点120中的每个模块化记录位点122e被配置为将接收到的神经元信号1321至132n转换为数字传感器信号1341至134n。多个模块化记录位点120中的每个模块化记录位点122e被配置为向基部110提供数字传感器信号1221至122n。基部110被配置为：从多个模块化记录位点120接收多个数字传感器信号1221至122n，并处理多个数字传感器信号1341至134n，以提供探测信号112。
神经元探针100可用作用于体内神经活动的高密度深脑记录的组织穿透探针，并克服了在探针杆上的电子集成水平的限制。在现有技术中，有源探针用于改善信号质量并减少原位寄生效应，但仍然需要将这些信号从电极路由到大面积的电子设备所在的基部[4，6]。神经元探针100包括在多个模块化记录位点120中的每个模块化记录位点122e中将接收到的神经元信号1321至132n转换成数字传感器信号1341至134n，使得基部110不需要该组件，并且因此，基部110可以实现在较小的面积上。
图2a示出了神经元探针200的框图，图2b示出了神经元探针200的示意图。
图2a中的神经元探针200包括基部210，多个模块化记录位点220和例如尖端230。多个模块化记录位点220中的每个模块化记录位点2241至224n包括传感器元件2221至222n。原位模数转换器2261至226n和双向串行数字数据总线2281至228n。神经元探针200的基部210包括参考电位212、电源214、数字接口/控制单元216和外围接口/接触件218(焊盘)，其中参考电位212例如提供地电位或每个模块化记录位点2241至224n的任意参考电位，电源214为每个模块化记录位点2241至224n提供电源，电源214与参考电位212形成模数转换器2261至226n的差分输入，并且数字接口/控制单元216连接到每个模块化记录位点2241至224n的每个双向串行数字数据总线2281至228n、并被配置为向多个模块化记录位点220提供配置数据，例如，允许调整每个模块化记录位点2241至224n的每个原位模数转换器2261至226n的操作。尖端230的主要功能是例如更容易进入组织。多个模块化记录位点220例如能够利用不同的传感器元件222e至222n接收神经元信号。
图2a示出了作为模块化读出电路的神经元探针200的示意性构造。模块化记录位点2241至224n是任意数量的，并且可以包括传感器或传感器元件2221至222n，可选地为电极(其接收神经元脉冲作为电压)、光学传感器或化学传感器。每个模块化记录位点2241至224n被配置为通过传感器元件2221至222n接收神经元信号，以利用原位模数转换器2261至226n将接收到的神经元信号转换为数字传感器信号并在双向串行数字数据总线2281至228n中将该数字传感器信号传输到基部210的数字接口/控制单元216。数字接口/控制单元216被配置为通过双向串行数字数据总线2281至228n从多个模块化记录位点2241至224n接收多个数字传感器信号，并处理多个数字传感器信号，以便向外围接口/接触件218提供探测信号，从而外围接口/接触件218被配置为与外部设备进行连接，并将探测信号发送到外部设备。
图2b示出了神经元探针200的示意图。神经元探针200包括多个模块化记录位点2241至224n，其中每个模块化记录位点2241至224n包括传感器元件2221至222n。传感器元件2221至222n在每个传感器元件2221至222n下方以传感器接触区域250连接至电子设备240。在神经元探针的一端，神经元探针包括焊盘260，其例如用作外围接口/接触件218。利用外围接口/接触件218，探针连接到电缆，并由此连接到远程设备。传感器元件2221至222n可以例如接收神经元信号，并且通过传感器接触区域250将神经元信号传输到传感器元件2221至222n下方的电子器件240。每个传感器元件2221至222n下方的电子设备240可以例如处理所接收的神经元信号并将该神经元信号转换成(数字)传感器信号。
图3a示出了神经元探针300的框图，图3b示出了神经元探针300的示意图。
图3a的神经元探针300包括尖端310，该尖端310具有例如与图2a中的尖端230相同的功能。可以实现与图2a和图2b的每个模块化记录位点2241至224n相同的功能的多个模块化记录位点3201至320n。神经元探针300还包括基部330，该基部330可以例如具有与图2a的基部210或图1的基部110相同的功能。每个模块化记录位点3201至320n包括传感器元件3221至322n。传感器元件3221至322n可以例如具有与图2a和图2b的传感器元件2221至222n相同的功能。每个模块化记录位点3201至320n还包括积分器3241至324n、量化器3251至325n、计数器3261至326n和双向串行数字数据总线328，其中双向串行数字数据总线328可以例如具有与图2a的双向串行数字数据总线2281至228n相同的功能。对于每个模块化记录位点3201至320n，双向串行数字数据总线328可以包括通信接口328，其中通信接口328可以处于配置模式3281a至328na或处于正常操作模式3281b至328nb。
换句话说，多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点3201至320n的数字部分350包括例如通过串行接口连接至其相邻节点(例如，每个相邻的模块化记录位点的通信接口3281至328n)的通信接口3281至328n。这样，转换后的结果(例如，数字传感器信号)可以链接到相邻节点的结果，并可以被传送到整个系统(例如，神经元探针300)的外部终端(例如，基部330或连接到该基部的外部设备)。以此方式，例如，从多个模块化记录位点中的一个模块化记录位点3201至320n到多个模块化记录位点(模块化记录位点3201至320n也可以理解为传感器通道)中的相邻模块化记录位点3201至320n的连接数量保持尽可能低，并且没有易受干扰的模拟信号(例如，每个模块化记录位点3201至320n接收到的神经元信号)被传送到外部(例如至基部或连接至基部的外部设备)或从基部330(例如外部)传送到模块化记录位点3201至320n(例如也可以理解为传感器节点)。由于所有神经元信号(可能是电极信号或传感器信号)都直接在原位(例如，在每个模块化记录位点3201至320n上)被数字化(例如，这意味着由多个模块化记录位点3201至320n中的模块化记录位点3201至320n接收的每个神经元信号被转换成数字传感器信号)，神经元探针300(该系统分别也是)仅需要很少量的至外部的线路(例如，包括从基部330到外部设备的线路，但是它还可以包括例如从每个模块化记录位点3201至320n到基部330的线路)。因此，神经元探针300不仅降低了复杂度，而且还减少了神经元探针300的基部330和针杆(例如，具有尖端310的多个模块化记录位点3201至320n)的尺寸，因为仅需要来自多个模块化记录位点3201至320n中的每个模块化记录位点3201至320n的减少的线数，就可以将数字传感器信号传送到基部330。多个模块化记录位点3201至320n的通信接口3281至328n的相对于彼此以及相对于基部的串联连接还使得神经元探针能够接触任意数量的模块化记录位点3201至320n(分别是传感器节点)。
来自每个模块化记录位点3201至320n的每个数字传感器信号可以作为组合的传感器信号被传输到基部330。例如，每个模块化记录位点3201至320n将转换后的神经元信号作为数字传感器信号提供给双向串行数字数据总线328。然后，数字传感器信号作为多个模块化记录位点的所有数字传感器信号的组合传感器信号由数字数据总线328传输到基部330，在此基部330处理组合的传感器信号以提供探测信号。
根据实施例，图1、图2a、图2b和图3a、图3b、图3所示的神经元探针100、200和300可以被视为被配置为接收作为所描述的模拟生物信号的替代或补充的模拟信号(例如，光信号或电信号)(作为非限制性示例，该信号可以包括神经元信号)在内的传感器阵列，并且因此在关于图3a、图3b、图3的以下描述中被称为传感器阵列300。
根据实施例，传感器阵列300是像素级ADC(ADC＝模数转换器)，其表示例如在每个模块化记录位点3201至320n处具有将模拟信号转换为数字信号的光学传感器。就自给定的模数转换而言，相对于已知的光学传感器优化了本发明的传感器阵列300。已知的传感器基于电流(光电二极管)到时间的转换(脉冲的时间间隔)。在所有传感器结或节点处的已知传感器中同时测量脉冲的时间间隔或达到阈值所需的时间，这导致传感器之间存在并联链接，并且不可能进行串联链接。像传感器阵列300的实施例中那样的串联链路将导致面积有效和/或更便宜的传感器。
神经元探针300的基部330可以包括参考电位331，其可以例如具有与图2a的参考电位212相同的功能；电源334，其可以例如具有与图2a的电源214相同的功能；以及数字接口/控制单元339，其可以具有例如与图2a的数字接口/控制单元216相同的功能。基部330还包括焊盘/数字四线接口340，其可以例如具有与图2a的外围接口/接触件218相同的功能。神经元探针300的尖端310包括例如第一供应缓存器312和第二供应缓存器314。
每个转换器(模块化记录位点3201至320n)包括数字部分350和模拟部分360，并且被配置为最小面积消耗。系统(例如，神经元探针300)以模块化方式构造：每个电极(传感器元件3221至322n)的信号被局部转换为独立于相邻电极(传感器元件3221至322n)的数字输出信号。
这样，与相邻模块(传感器通道/模块化记录位点3201至320n)的连接数应保持尽可能低，并且不会将易于受到干扰的模拟信号传送到外部或从外部传送到传感器节点(传感器元件3221至322n)。由于所有电极信号(神经信号)都直接在原位数字化(转换为数字信号)，因此系统(例如，神经元探针300)仅需要极少量的线路到外部(例如，到外部设备)。
神经元探针300的每个模块化记录位点3201至320n可以通过传感器元件3221至322n接收神经元信号，并且通过首先由积分器3241至324n对神经元信号进行积分并使用量化器3251至325n进行量化来将接收到的神经元信号转换为数字传感器信号。通过双向串行数字数据总线328，每个模块化记录位点3201至320n的数字传感器信号从每个模块化记录位点3201至320n传输到基部330的数字接口/控制单元339，这里数字传感器信号由数字接口/控制单元339处理成探测信号，其中探测信号通过焊盘/数字四线接口340传输到外部设备。
整个探针(神经元探针300)沿其长度分为数字部分350和模拟部分360，模拟部分360带有独立的电源布线，中间还可选有低阻抗接地屏蔽390，该屏蔽层也覆盖了顶部，以增强抗EMI的鲁棒性(电磁干扰)并减少数字噪声耦合。
可以通过电源334来实现电源布线。模拟部分360的电源布线包括，例如，电压VDD，A335，带有可选的电源缓存器335a和接地电压VSS 336。数字部分的电源布线包括例如具有接地电压VSS 336的电压VDD，D 337。数字部分350可以通过串行接口(通信接口3281至328n)连接至其相邻节点(相邻记录位点3201至320n)。以此方式，转换的结果可以链接到相邻节点(相邻的模块化记录位点3201至320n)的结果，并且可以被传送到整个系统的外部终端(例如，外部设备或基部330)。可以通过相同的接口(通信接口3281至328n)以链接的方式将配置数据传送到每个传感器节点(模块化记录位点3201至320n)，以导通关闭节点(例如，模块化记录位点3201至320n)、或更改其缩放比例。基部330包括用于例如，参考晶体管332向所有记录位点(模块化记录位点3201至320n)提供全局电压偏置VBIAS，以及允许在配置模式和正常操作模式(读出模式)之间切换并转发内部数据(例如数字传感器信号)的有限状态机和到外部单元(例如外部设备)的配置链。例如，利用单独的控制信号来控制在配置模式3281a至328na与正常操作模式3281b至328nb之间的(通信接口3281至328n)切换。在配置模式3281a至328na中，可以从存储器件读取设置，例如，它通过双向串行数字数据总线328传输，并且可以由每个模块化记录位点3201至320n进行适配，而在正常操作模式3281b至328nb中，转换器(模块化记录位点3201至320n)的数字输出(数字传感器信号)将例如写在存储器件中。该存储器件可以是易失性或非易失性存储器，并且可以包括例如用于存储信息的多个晶体管元件。根据实施例，可以通过直接使用双向串行数字数据总线328在不使用存储器件的情况下在每个模块化记录位点3201至320n与基部330之间传输配置模式3281a至328na中的配置数据和正常操作模式3281b至328nb中的数字数据。
在数字端350，无需路由全局信号：链信号以及时钟可以从一个块(双向串行数字数据总线328)向前转发到下一个块。时钟从每个模块化记录位点3201至320n到每个模块化记录位点3201至320n略微延迟，以分散数字电源噪声并减少峰值电流消耗。记录位点(模块化记录位点3201至320n)被分组为两个ADC(模数转换器)的块，一个块连接到前向链352，另一个块连接到后向链354和时钟。在模拟部分360中，整个探针中可能只有两条全局参考线，即，主体参考电压VBODY 333a和VBIAS 333b。偏置电压(参考VDD)通过大寄生电容路由至电源334，以增强来自外部源的噪声抑制能力。
换句话说，模块化记录位点3201至320n例如被分组为两个模块化记录位点的块(分别是ADC，包括例如每个积分器3241至324n以及每个量化器3251至325n的模数转换器)，其中包括第一ADC在内的一个模块化记录位点连接到前向链352和前向时钟，而包括第二ADC的另一个模块化记录位点连接到后向链354和后向时钟。因此，每个第二模块化记录位点的串行接口(通信接口3281至328n)例如被连接/耦合到第一链(例如前向链352)，并且所有其他模块化记录位点的串行接口被连接/耦合到第二链(例如，后向链354)。第一链和第二链耦合到基部，使得数字传感器信号被传输到基部。
模数转换器(例如，与量化器3251至325n耦合的积分器3241至324n)可以配置有差分输入，以便在很大程度上抵抗电源电压(例如，带有电源334的接地VSS 336的电源电压VDD，A 335。除了电源电压(例如电源334)之外，还可以使用另外两条全局线路(例如，接头)，并且可以由所有传感器节点(模块化记录位点3201至320n)共享：
·控制电压(例如，参考电压VBIAS 333b)：每个电路在内部都需要一定数量的恒定参考电位和设置电流。例如，所有电流和电位都从全局调节电压(例如，控制电压VBIAS333b)导出，该全局调节电压作为全局线路分布到所有传感器节点(模块化记录位点3201至320n)。因为这是所有传感器模块(模块化记录位点3201至320n)都连接到的全局线路，所以其可能有较大的寄生电容。这对于通过该线路可能产生的噪声耦合具有积极作用。另外，通过差分读出原理抑制了噪声(例如，在控制电压VBIAS 333b上)。该控制电压(例如，参考电压VBIAS 333b)可以用于测试，但原则上，它(例如，参考电压VBIAS 333b)不一定必须是全局连接，并且该功能可以例如在每个电极(传感器元件3221至322n)的下方实现。
·参考电压(例如，参考电压VBODY 333a)：差分输入的一侧例如连接到传感器(电极/传感器元件3221至322n)，而第二输入例如连接到参考电压(例如，参考电压VBODY 333a)。可以在所有传感器节点(模块化记录位点)上均等地检测到对VBODY(参考电压VBODY 333a)的可能干扰，因此可以在数字后处理中将其滤除。
由于即使最大的神经元信号也仅在几十毫伏的范围内，并且所需的线性度很低，因此使用例如基于在每个电极(传感器元件3221至322n)下方连续时间gm-C的增量Δ-∑模数转换器进行的直接转换(例如，与量化器3251至325n耦合的积分器3241至324n)可以使用一阶调制器来实现，从而允许在最小的硅面积上实现，因为只需要一个积分器3241至324n和电容器，并且不需要精确的时间常数，因此就不需要局部偏置。抽取可以使用简单的纹波计数器3261至326n完成。单分支OTA-C积分器3241至324n的输出例如连接到量化器3251至325n，即比较器和输出锁存器，从而驱动用于电流反馈的开关。
在下文中，给出了根据实施例的神经元探针的具体示例，例如神经元探针300。该示例包括用于实现神经元探针的参数的几个具体值。这些值仅应被理解为非限制性示例，因此它们不限制实施例，而是仅适于更好地理解本发明。显然，通过使用更多的不同的或其他组件，可以获得其他值，例如不同的电压、电流和/或数据速率。
ADC(模数转换器)的数字部分350例如由抽取器(即，波纹计数器3261至326n)、两个用于11b(11位)转换结果的寄存器和2b(2位)配置寄存器组成。根据示例，ADC可以运行1024个周期，从而提供10b的结果。在重置OTA、OTA输出(例如，积分器3241至324n的输出)和计数器3261至326n之前，可以使用数据总线来传输结果。例如，代表最终转换误差的比较器的最后结果可以作为第11位附加到10位结果中，并且获得的11位可以放在数据链上。例如，位序列可以被存储在双向串行数字数据总线328的存储器件中。可替代地或另外地，每个模块化记录位点3201至320n的数字传感器信号的位序列可以通过使用双向串行数字数据总线328直接发送。后一个单元(模块化记录位点201至320n)的延迟时钟用于锁存器，以避免锁存器和比较器之间的时序冲突。在读出期间，数字数据(多个数字传感器信号)通过模块化记录位点201至320n移位，并且神经元探针300使用两个可能的链(前向链352和后向链354)，它们每个都可以使用相同或不同的数据速率，例如至少15Mbit/s或至少20Mbit/s，例如20.48Mbit/s。例如，两条链(前向链352和后向链354)可以使用20.48Mbit/s的比特率，即，fs＝20.48MHz。基站330中的FSM可以将两个链的输出组合成单个数据流，例如，单个数据流。例如，通过时分多路复用，在给定示例中，它在前端产生例如40.96Mbit/s。基部330可以是低功率元件，并且可以消耗小于1W，小于100mW或甚至小于100μW的功率。例如，每个记录位点(模块化记录位点3201至320n)的功耗为37μW，则可能小于1W，小于100mW或甚至小于100μW，例如39.14μW，其中小于1W，小于100mW甚至小于100μW，例如，模拟部分360消耗了12.77μW。
11b ADC(例如，与量化器3251至325n耦合的积分器3241至324n)可以设计为优化单位面积的噪声性能，因此，尽可能多的面积专用于噪声关键组件，即输入(专用面积应小于1000μm2，或小于500μm2，或小于200μm2，例如给定示例中的171μm2，并且负载晶体管(专用面积应小于1000μm2，或小于500μm2，或小于200μm2，例如在给定示例中为144μm2)。例如，仅一小面积专用于反馈电流吸收器，这些电流是从全局偏置线得出的。反馈电流确定ADC的满量程(FS)(例如，积分器3241至324n与量化器3251至325n耦合)，可配置为三个不同范围之一，例如，±15mV的一个范围，±30mV的第二个范围和±55mV的第三个范围或±13mV的一个范围，±25mV的第二范围和±50mV的第三范围，或±12mV的一个范围，±23mV的第二范围和±46mV的第三范围，例如±11.25mV、±22.5mV或±45mV。
图3b以神经元探针300的3D视图示出了系统级示意图。神经元探针300的壳体可选地包括钝化层(从外部覆盖壳体并为壳体提供电绝缘。钝化层可以保留一个或多个允许电信号通过壳体的区域，例如，在焊盘340和/或电极的位置)，仅焊盘340(在图3b中，仅示出了一个焊盘，但是神经元探针300也可以用一个以上的焊盘340实现)和电极(传感器元件3221至322n)可以没有钝化层。通过省略预放大、放大和滤波，读出电子设备的信号链变得越来越小，并且可以由传感器信号(神经信号)的局部模数转换代替。由此，可以在针杆上的每个传感器(电极/传感器元件3221至322n)的下方直接实现模数转换器。传感器元件3221至322n可以通过电极接触件323在每个传感器元件3221至322n下方耦合至电子设备。
每个模块化记录位点3201至320n可以被分为模拟部分360和数字部分350。数字部分350可以通过第一导电元件390与模拟部分360屏蔽，其中导电元件被配置为阻止电磁干扰。导电元件可以例如是低阻抗接地屏蔽。第二导电元件392被布置成围绕传感器元件3221至322n的连接器(电极接触件323)，以将模拟部分360和数字部分350与传感器元件3221至322n屏蔽。在每个传感器元件3221至322n的下方，参考电位331可以通过控制电压VBIAS 333b和参考电压VBODY 333a来实现。电源334可以被实现为例如模拟电源电压VDD，A 335和接地电压VSS 336。
模拟部分360的至少一部分和数字部分350的至少一部分例如由被配置为接收神经元信号的传感器元件3221至322n覆盖。在实施例中，传感器元件3221至322n覆盖数字部分350和模拟部分360为中心的部分，但是传感器元件3221至322n也可能仅覆盖数字部分350或仅覆盖模拟部分360。
在该实施例中，实现了针型探测器的模块化的可扩展的架构，代替沿针杆路由或预缓存对噪声敏感的模拟信号，在每个电极(传感器元件3221至322n)下方集成了例如模数转换。用于这种集成的面积可以是任意的，并受要集成的功能的影响。例如，可以使用小于200×200μm2、小于150×150μm2或小于100×100μm2的面积，例如70×70μm2。该设计消除了在探针顶部(例如，神经元探针300)的任何附加读出电路的需要，并与数字4线接口340连接。神经元探针300可以实现为可重新配置的11.5毫米神经元探针(但也可能具有大于11.5mm、大于14mm或大于20mm的更大探针)，并且具有70μm的恒定宽度370(例如，宽度370小于100μm，小于90μm或小于75μm)和从上到下(例如，从最后一个模块化记录位点320n到第一模块化记录位点3201或沿着阵列的轴向延伸而到基部330上)50μm的厚度380(例如，厚度380小于100μm，小于80μm或小于60μm)并可以完全浸入组织中以进行深脑记录应用。
多个模块化记录位点3201至320n沿轴向方向布置并且沿轴向方向形成阵列。沿垂直于轴向方向的第一垂直方向的延伸被理解为宽度370，并且沿垂直于轴向方向的第二垂直方向的延伸被理解为厚度380。
在实施例中，多个模块化记录位点3201至320n例如沿轴向方向布置并沿轴向方向形成阵列。基部330沿垂直于轴向方向的第一垂直方向的延伸例如是多个模块化记录位点3201至320n沿第一垂直方向的延伸。基部330沿垂直于轴向方向的第二垂直方向的延伸例如是至多多个模块化记录位点沿第二垂直方向的延伸。
换句话说，基部330在多个模块化记录位点3201至320n的轴线方向上的伸长可以不大于多个模块化记录位点3201至320n在多个模块化记录位点3201至320n的轴线的方向上的伸长。基部330在垂直于多个模块化记录位点3201至320n的轴线的方向上的伸长可以不大于多个模块化记录位3201至320n在垂直于多个模块化记录位点3201至320n的轴线的方向上的伸长。
换句话说，从基部穿过所有模块化记录位点3201至320n(穿过多个模块化记录位点3201至320n)到最后的模块化记录位点320n的垂直于轴线的横截面不必改变。这具有以下优点：可以为神经元探针的多个模块化记录位点3201至320n选择任意数量的模块化记录位点3201至320n，而不会影响基部330的横截面。因此，基部330可以，例如，具有与多个模块化记录位点3201至320n中的每个模块化记录位点3201至320n相同的横截面。因此，可以将基部330完全埋在/浸没在组织中。因此，神经元探针300可以被更深地放置到组织中，并且侵入性手术过程可以被最小化。
模块化概念允许实现传感器节点(模块化记录位点3201至320n)的任何布置，例如以具有一列或多列的针的二维阵列的形式。每个模块化记录位点3201至320n可以以至少一行或一列布置并彼此连接。当再次参考图3b时，神经元探针300可以包括沿轴向方向布置的单行的多个模块化记录位点。根据实施例，神经元探针300可以包括多于一行或线的模块化记录位点3201至320n。在一行或一列内，模块化记录位点3201至320n可以彼此串联布置，从而避免并行通信，从而允许小的通信实体。因此，神经元探针300沿轴向方向的轴向延伸至少可以受到沿该方向布置的多个模块化记录位点3201至320n的影响。相反，模块化记录位点3201至320n的数量可以对神经元探针300的行/列沿垂直于轴向方向的一个或多个方向的延伸影响很小，甚至没有影响。
由于沿针杆仅传送数字数据，没有敏感信号，因此可以在传感器之间(例如，在每个传感器元件3221至322n之间)或在每个模块化记录位点3201至320n和每个传感器之间测量到很少的串扰甚至没有串扰，并且对于外部干扰源(例如光源或电磁场)具有很高的鲁棒性。
到外部的线的数量可以分别独立于电极(传感器元件3221至322n)和/或传感器模块的数量(例如，模块化记录位点3201至320n的数量)，和/或独立于针杆的宽度370。
由于针的基部330可以具有与针杆相同的宽度370，因此可以超出针杆的长度将基部引入组织中，而不会引起额外的损坏。因此，与常规针相比，可以测量更深的大脑区域。
神经元探针300可以例如代表具有模块化架构的完全可浸入的深脑神经元探针以及集成在每个电极下方的Δ-∑ ADC(模数转换器)，用于并行读出例如144个记录位点。
图3c示出了代表本发明的传感器阵列的实施例的分段式探针300的示意性3D视图，其中分段式探针300可以包括图3a和图3b所示的神经元探针300的特征和功能。图3c中所示的分段式探针300在模块化记录位点的位置和传感器元件(传感器元件也可以描述为传感器部分或电极)的布置方面与图3a和图3b中的神经元探针300不同，如下进一步所述。在图3c中，与图3a和图3b所示的元件相比，相同或等效的元件或具有相同或等效功能的元件即使在不同的图中出现也由相同或等效的附图标记表示。
根据实施例，图3c中所示的分段式探针300包括多个至少两个、至少三个、至少四个或甚至更高的数量的段3211至3213，例如10、20个段3211至3213等，其中每个段3211至3213可以包括多个传感器元件3221至32230。尽管被图示为例如包括以3×4配置布置的多个12传感器元件3221至32212或32213至32224或以3×2配置布置的多个6传感器元件32225至32230，在所描述的实施例的范围内可以实现任何不同数量的传感器元件和/或任何不同配置。在分段式探针300的尖端处放置第一段3211，然后是第二段3212，然后是第三段3213，然后可以布置更多的分段，例如，在分段式探针300的末端放置基部。
根据实施例，传感器阵列，即分段式探针300，包括多个模块化记录位点，例如，由段3211至3213或由传感器元件3221至32230表示。例如，一个传感器元件3221至32230可以代表一个模块化记录位点和/或一组两个或多个传感器元件3221至32230可以代表一个模块化记录位点，其中一个模块化记录位点包括例如一个模数转换器。
根据实施例，多个模块化记录位点的第一子集被布置在第一半导体衬底3291上，并且其中多个模块化记录位点的相邻和邻近的第二子集被布置在第二半导体衬底3292上；其中第一半导体衬底3291和第二半导体衬底3292通过间隙彼此间隔开，并且通过至少一条导线3861至3866彼此电连接。如果第一段3211表示一个模块化记录位点，则这意味着例如，段3211是多个模块化记录位点的第一子集，其中模块化记录位点包括12个传感器部分3221至32212和一个模数转换器。如果传感器元件32213至32224或传感器元件组(例如2×2、3×1、1×3、3×2等)在第二半导体衬底3292上表示两个或更多个模块化记录位点，则这意味着例如两个或更多个模块化记录位点代表第二个子集。因此，例如，如果每个模块化记录位点包括3×1配置的3传感器元件32213至32215、32216至32218、32219至32221和32222至32224，例如，第二半导体衬底3292上的第二子集包括4个模块化记录位点，其中4个模块化记录位点中的每个位点都包括一个模数转换器。在图3c中示出了三个半导体衬底3291至3293，它们被没有半导体衬底的间隙隔开。
根据实施例，至少一条导线3861至3866被布置在柔性基板385上或中。
根据实施例，段3211至3213像柔性聚合物电缆一样布置在柔性基板385上。为了提高分段式探针300的柔性并减少通过弯曲或扭曲探针而对分段式探针300可能造成的损坏，可以调节段3211至3213之间的间隙。间隙越大，例如分段式探针300越灵活。
根据实施例，段3211至3213包括接触件，其将每个段3211至3213连接至柔性聚合物电缆385，柔性聚合物电缆从而例如以串联方式互连各个段。根据实施例，基部通过柔性聚合物电缆385为每个段3211至3213提供信号和/或电源，并且每个段3211至3213例如被配置为通过柔性聚合物电缆385将信号传输至基部，其中段3211至3213例如通过柔性聚合物电缆385串联。每个段3211至3213包括例如多个接口或接触件3281、3282、331、335、336和/或338。虽然被示为具有六个接触件，但是实施例不限于此，因为可以实现任何数量的接触件，即更多更少，以传输信号和/或提供电源。例如，第一接触件331代表参考电位，例如参考电压，第二接触件338代表时钟，第三接触件3281代表数据输入，第四接触件3282代表数据输出，第五接触件335代表电压源，第六接触件336代表接地，例如接地电压。
根据实施例，段3211至3213可以包括CMOS硅衬底3291至3293，在其中实现了所提出的传感器阵列的电子器件，即分段式探针。可选地，六个接触件或六个接触件331、338、3281、3282、335和/或336中的至少一些可以实现为硅通孔。
图4a示出了模块化记录位点400的框图，其中模块化记录位点400具有与图1的每个模块化记录位点1221至122n、图2a和图2b的每个模块化记录位点2241至224n以及图3a和图3b的每个模块化记录位点3201至320n相同的功能。模块化记录位点400包括传感器元件410，该传感器元件410可以例如具有与图3a中的神经元探针300的传感器元件3221至322n中的每个相同的功能。传感器元件410例如耦合至连续时间的Gm-C Δ-∑调制器420。时间连续的Gm-C Δ-∑调制器420例如可以具有与图3a的积分器3241至324n相同的功能。连续时间Gm-C Δ-∑调制器420可以例如具有差分输入，该差分输入包括到传感器元件410的连接和到全局参考电位422的连接。全局参考电位422例如可以包括图3a中的参考电位331的参考电压VBODY 333a，代表朝其测量神经活动的脑组织的参考电位。连续时间Gm-C Δ-∑调制器例如被配置用于将输出信号传输到量化器430。量化器430可以例如具有与图3a的每个量化器3251至325n相同的功能。量化器430可以耦合到控制单元440，其中控制单元440可以例如与控制信号442交互。控制单元440可以耦合到配置模块450和存储器件460。
模块化记录位点400的传感器元件410可以例如接收神经元信号并将该神经元信号传输到连续时间Gm-C Δ-∑调制器420。然后，连续时间Gm-C Δ-∑调制器420可以例如对神经元信号进行积分并且将积分后的神经元信号发送至量化器430，其中量化器430可以例如对积分后的神经元信号进行抽选并将神经元信号转换为数字传感器信号。控制单元440例如被配置为处于正常操作模式或处于配置模式。控制信号442可以通知控制单元440哪种模式合适。当控制单元在正常操作模式下操作时，来自量化器430的数字化传感器信号可以被写入存储器件460中，并且通过数字数据总线462被传输到基部。当控制单元440在配置模式下操作时，控制单元440可以将配置参数发送到配置模块450，其中配置模块450可以由此例如改变用于操作每个模块化记录位点的参数，例如，连续时间Gm-C Δ-∑调制器420的缩放比例被改变。
换句话说，通信接口(例如，控制单元440和存储器件460)可以例如以配置模式或正常操作模式进行操作。例如可以通过单独的控制信号来进行配置模式和正常运行模式之间的切换。在配置模式下，例如，可以从接收到的配置数据中读取每个模块化记录位点的设置，并且每个模块化记录位点可以使用该设置来适配与模块化记录位点400的操作有关的参数。在多个模块化记录位点的每个模块化记录位点的通信接口的正常操作模式下，数字传感器信号可以被传输到基部。通过在每个模块化记录位点中实现通信接口，可以单独地操作每个模块化记录位点，并且可以改变关于将神经元信号转换为数字传感器信号的参数。
例如，包括存储器件460(存储器件460例如是晶体管)的数字数据总线462将多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点的通信接口彼此串联地耦合到基部。用于控制信号442的线和用于数字数据总线462的线不必一定是单独的线。例如，可以使用数据总线462传输控制信号442。如果通信接口处于正常操作模式，则由多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点从神经元信号转换而来的数字传感器信号可以例如被写入数字数据总线462的存储器件460中。然后，例如，数字数据总线462将具有数字传感器信号的存储传输到基部。多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点的通信接口相对于彼此串联连接并连接到基部。这可能意味着每个模块化记录位点的每个通信接口将相应的数字传感器信号写入数字数据总线462的存储器件460中，使得每个模块化记录位点的数字传感器信号分别对应于每个其他模块化记录位点的位置顺序布置。通过单独的控制信号，通信接口可以将其模式从正常操作模式(将数字传感器信号从每个模块化记录位点传输到基部)更改为配置模式(其中将配置数据从基部传输到每个模块化记录位点)。因此，该模块化系统概念允许，例如，以最小的复杂度、较小的基部尺寸接触任意数量的模块化记录位点(例如，任何拓扑或几何形状的神经元电极)并同时读出模块化记录位点。
换句话说，模数转换器的架构(以及模块化记录位点400的架构分别)类似于时间连续的Gm-C Δ-∑调制器的架构。时间连续的Δ-∑调制器以降低的电力需求而闻名。使用Gm-C积分器420的实现还具有面积需求非常小的优势。此外，已知这些转换器包括隐式的抗混叠滤波器效果。因此，由于可以省去专用抗混叠滤波器作为附加电路块的必要性，因此可以节省更多的电能和面积。这种转换器和电路体系结构的使用使得可以减少信号链，并将模数转换器直接置于传感器元件410的下面。
图4b示出了模块化记录位点400的框图，其中模块化记录位点400可以包括图4a所示的模块化记录位点400的特征和功能。图4b中所示的模块化记录位点400与图4a中的模块化记录位点400在传感器元件方面不同，其中根据实施例，图4a的模块化记录位点400包括至少第二传感器元件，例如，四个传感器元件4101至4102，而不是图4a所示仅一个传感器元件410。选择四个传感器元件的数量仅出于说明性原因，并且不限制所描述的实施例的范围。可以实现任何其他合适数量的两个或更多、三个或更多、五个或更多或甚至更高的数量，例如至少10或至少15。在图4b中，即使在不同的图中出现，与图4a所示的元件相比，相同或等效的元件或具有相同或等效功能的元件也由相同或等效的附图标记表示。传感器元件4101至4104也可以被理解为传感器部分或电极。
至少两个传感器元件4101至4102适配于接收信号。两个或更多个传感器元件4101至4104例如布置在2×2传感器矩阵中，代表四个传感器元件4101至4104。根据实施例，一个模块化记录位点400的所有传感器元件4101至4104可以检测相同的信号，从而每个传感器元件4101至4104例如基于相同信号对模块化记录位点400处的传感器元件4101至4104的不同位置的依赖性来生成例如与相同信号相关联的不同单个信号。即，在不同的传感器元件4101至4104处接收相同的信号，例如生物信号，使得传感器元件4101至4104基于与结合本发明的其他实施例描述的相同的生物信号提供单独的不同的信号。
因此，根据实施例，模块化记录位点400被配置为处理与接收到的信号相关联的四个单个的信号。单个信号可以彼此不同，或者至少一些单个信号可以是相同的。积分器420可以以时间顺序的方式将至少一个的单个信号积分到传感器元件4101和4102，从而允许模块化记录位点400基于两个或更多个传感器元件顺序地提供输出信号，即，以时间复用的方式使用传感器元件4101和4102收集的信息。这可以允许用传感器元件4101和4102感测的信号具有更高的分辨率和/或过采样，而无需提供用于将提供的模拟电子信号转换为数字信号的相应组件。
根据实施例，图4b示出了模块化记录位点400的实施方式，其中一个模数转换器(例如，Gm-C积分器420和量化器430)被配置为转换由两个或更多个传感器元件4101至4104提供的两个或更多个的单独信号。模数转换器例如被配置为选择性地转换传感器元件4101至4104的输出。时间复用是一种广泛使用的方法，以最小化复杂度。根据具有四个传感器元件的所描述的实施例，快四倍的模数转换器(当与图4a相比时)可以以与关于图4a描述的模数转换器只转换一个信号的相同时间采样和量化由四个传感器元件4101至4104接收的信号。即，代替单独布置额外的转换器，可以使用更高的转换速度来对一组传感器元件进行分组。
即，探针的一个、多个或所有模块化记录位点可以被配置用于用至少第一和第二传感器元件对生物信号进行采样，以及用于将第一和第二传感器元件的输出复用到数字传感器信号中。作为替代或补充，可以实现不同或进一步的复用概念，例如，频率复用。
图5a示出了模块化记录位点500的框图，图5b示出了具有电流反馈的Gm-C积分器510、锁存比较器520和输出锁存器530的电路图。
来自图5a的模块化记录位点500包括Gm-C积分器510，其中Gm-C积分器510具有例如差分输入，该差分输入包括与传感器元件511(例如，电极)和与参考电压VBODY 512的接触。积分器510由控制电压VBIAS513控制，并连接到电源电压VDD 514，其中可以施加满量程模式选择516。传感器元件511可以例如具有与图3a或图3b的传感器元件3221至322n中的每个相同的功能，参考电压VBODY 512可以例如具有与图3a或图3b的参考电压333a相同的功能，并且电源电压514可以具有与图3a或图3b的电源电压VDD，A 335相同的功能，并且控制电压VBIAS 513可以例如具有与图3a或图3b的控制电压333b相同的功能。积分器510具有耦合到量化器520的差分输出，其中量化器520可以例如具有与图3a的每个量化器3251至325n相同的功能。来自量化器520的反馈电流528耦合到积分器510，并且比特流可以被发送到计数器530，其中计数器530可以例如具有与图3a的每个计数器3261至326n相同的功能。
量化器520可以包括重置522、时钟524和延迟时钟526，其中延迟时钟526连接到链中的下一侧(连接到下一个模块化记录位点)。重置522例如切换晶体管以重置量化器520。因此，例如，通过量化器520，数字化的传感器信号相对于相邻的模块化记录位点的数字传感器信号被延迟。计数器530例如是具有重置532和时钟534的十位计数器。计数器530例如将数字传感器信号写入锁存器540(其具有例如来自图4a和图4b的存储器件460的功能)。然后将来自锁存器540的数字传感器信号写入结果寄存器550，其中结果寄存器550可以例如具有与来自图4a和图4b的存储器件460相同的功能。通过输入552，来自基部的数据链进入结果寄存器550，并在通过输出554从锁存器540接收到额外的数字传感器信号后离开。
在图5b中，更详细地示出了图5a的框图。Gm-C积分器例如连接到两条全局模拟线(参考电压VBODY 512和控制电压VBIAS 513)。积分器还包括例如电源电压VDD 514，其中电源电压514产生从第一输出514a到第一输入514b的电流、和从第二输出514c到第二输入514d的电流。积分器510可以连接至传感器元件511(例如，电极)，并且可以例如包括重置模块516。积分器510通过第一差分输出517到第一差分输入517a之间的连接、以及第二差分输出518到第二差分输入518a之间的连接，例如与锁存比较器570耦合。锁存比较器570包括例如重置522、第一时钟524a、第二时钟524b、第三时钟524c和延迟时钟526，其中第一时钟524a、第二时钟524b、第三时钟524c和/延迟时钟526周期运行并且例如被提供有相同的信号。锁存比较器570通过电源电压VDD 514与输出锁存器580连接。输出锁存器580通过反馈输出528a与反馈输入528b之间的连接而连接至积分器510。
反馈电流吸收(例如，反馈输出528a和反馈输入528b之间的连接)例如是从全局偏置线(控制电压513)导出的。例如，反馈电流确定ADC的满量程(FS)，该满量程(FS)可以被配置为±11.25mV、±22.5mV或±45mV。取决于比较器输出(例如，反馈输出528a)，可以将电流注入到OTA(积分器510)的左或右低阻抗级联节点。通过连接95fF MIM集成电容(第一MIM(金属/绝缘体/金属)集成电容519a和第二MIM集成电容519b可以减少由非对称反馈引起的共模纹波，其中第一MIM集成电容519a和第二MIM集成电容519b各自占用的面积小于20×10μm2、15×7μm2或10×4μm2、例如7×3.5μm2，并且可以具有电容范围从20fF至200fF、50fF至150fF或80fF至100fF例如95fF)到VCMFB590，并被差分比较器输入而拒绝。与主要噪声源相比，可以在数字级输入信号下运行的反馈电流源和反馈开关的噪声可以忽略不计。共模反馈的面积和精度的约束并不严格，首先是因为噪声被电路的差分特性所抵消，其次是因为在比较器输入处不需要精确的共模(例如，第一输入517a和第二输入518a)。差分对的跨导可以通过热噪声考虑因素来确定，例如，在例如1μS至20μS、2μS至10μS或3μS至5μS，例如4.2μS的范围内。测得的最大SNR可以小于300dB、200dB或100dB，例如65.6dB(FS＝±45mV)，THD例如小于5％、1％或0.5％，例如，根据此示例，对于1.5μA的尾电流，在VPP＝10mV(FS＝±11.25mV)时获得0.22％。
换句话说，多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点的积分器510被配置为接收神经元信号并积分神经元信号，从而获得积分神经元信号。多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点的量化器520包括锁存比较器570和输出锁存器580。锁存比较器570被配置为接收积分神经元信号并量化积分神经元信号。输出锁存器580被配置为基于比较器输出锁存器580来驱动用于到积分器510的反馈电流528的开关。取决于比较器输出锁存器580，电流被注入到OTA的左低阻抗级联节点或右低阻抗级联节点(OTA与电容一起是积分器的示例)。
图5b例如示出了增量Δ-∑系统级示意图和晶体管级实施方式(例如，仅示出了一个满量程模式的反馈电流源：IFBN(从第一输出514a到第一输入514b)、IFBP(从第二输出514c到第二输入514d))。
图6a、图6b和图6c示出了可以通过根据本文描述的实施例的神经元探针获得的体外测量的图。除非另外说明，否则结合实施例给出的关于电子参数、尺寸或数量的测量结果或具体细节均不适于限制给出的教导。显然，可以在本实施例的范围内实现其他配置、参数、数量或大小。
图6a示出了对于FS＝±45mV的测得的DNL/INL(微分非线性/积分非线性)。FS表示ADC(模数转换器)的满量程，可以将其配置为±11.25mV、±22.5mV或±45mV。
图6b示出了体外功率谱密度图，其中上半部610对应于LFP带(局部场电位带)，而第二部分620对应于AP带(作用电位带)。图6b还示出了多个噪声角630。
图6c示出了统计噪声分布(384个记录位点-多个探针)。FS＝±11.25mV的统计噪声分布以黑色表示，对于FS＝±22.5mV的统计噪声分布以浅黑色显示，并且对于FS＝±45mV的统计噪声分布以灰色显示。最上面的图示出了整个带宽，中间的图示出了局部场电位带，并且下面的图示出了动作电位带。取决于FS模式，ADC(根据实施例的在神经元探针的每个模块化记录位点中的模数转换)覆盖10kHz的输入信号带宽，并且在240Hz和590Hz之间具有闪烁噪声角。两种神经信号的频带中的噪声分别为8.1μ Vrms和13.4μ Vrms(FS＝±11.25mV)，即局部场电位(LFP，1至300Hz)和动作电位(AP，0.3至10kHz)。所有测量都是在体外进行的，即也包括由电极和电解质表面界面产生的噪声，并且没有任何额外的屏蔽。
图7示出了体外测量设置，示出了DC(直流)控制器/伪像滤波器和数字后处理。测量产生自具有预先记录的数据(海马)的刺激。右上方的照片示出了带有用于脑切片活动记录的两个针型探测器的体外MEA适配器。将神经元探针700(例如，可以具有与神经元探针100、200和300相同的功能)放入具有本体电压VBODY 704的磷酸盐缓冲盐溶液702中。神经元探针700通过柔性电缆连接到现场可编程门阵列710(FPGA)。FPGA 710通过USB(通用串行总线)连接到后处理单元720。后处理单元720包括DC控制器伪像滤波器722、LFP滤波器724和AP滤波器726。
在下文中，将简要描述示例测量。所有ADC(根据实施例，在神经元探针的每个模块化记录位点中的模数转换器)的平均数据用于驱动适当的本体电压，以施加到盐溶液中并消除伪影信号。通过数字后处理将测得的信号分为低频局部电位(LFP)和高频动作电位(AP)。
图8示出了光度和辐射度光敏度测量(所有经照射的记录位点的平均噪声)以供光遗传学应用(以供比较：约500Lux的照度对应于典型的办公室照明，约10000Lux的照度对应于全日光)。在光遗传学刺激期间，外部光源会特别激发大脑组织，因此可以引发活动，可以用神经元探针进行检测。通常，光脉冲还会在神经元探针中产生伪像信号。如本文所述，神经元探针的设计被实现为在很大程度上不受光学干扰的影响。
脉冲(以20Hz或1kHz的频率开/关)宽带光源810(λ＝400nm至1000nm)可以将光束820通过中性密度滤光器830发送到有源针型探测器800(有源针型探测器800可以例如，具有与神经元探针100、200和300相同的功能)，其中将有源针型探测器800置于林格液840中。在右图中，第一曲线850对应于高频(例如1kHz)，并且第二曲线852对应于低频(例如20Hz)。在该图中还示出了全带宽噪声限制854。根据实施例的神经元探针的屏蔽和布局概念(如上所述)，其中置于电极下方的差分对的两个输入晶体管(差分晶体管对，描述了一种电路技术，其中两个输入晶体管用于在信号路径中创建差分信号。)抑制照明伪影，这是对神经元细胞进行光遗传学刺激的强烈要求[9]。针对脉动宽带光源的灵敏度测量结果如图8所示。光激发过程中产生的信号偏移与电极表面上的光子效应一致，而下方的CMOS电路不会进一步降低性能。
图9示出了显微照片，其示出了在电缆上的后CMOS处理(电源电压在芯片外紧密地结合在一起)之后的CMOS芯片和最终的针型探测器(根据实施例的神经元探针的示例)。例如，该焊盘用于电极表征(例如，循环伏安法或电化学阻抗谱法)，读出不一定需要该焊盘。根据本发明的神经元探针的一个模块化记录位点900可以在通过屏蔽930分开的数字部分910和模拟部分920中分离。模拟部分920包括例如Gm积分器921、CMFB 922、(C 923、CMOS负载924、开关925、电流偏置926、VB 927、量化器928和配置模块929)。
神经元探针940包括可选的第一电极942，其中第一电极(例如，Pt电极)可以直接连接至VREF焊盘以用于电极表征。神经元探针960包括焊盘962和传感器元件964，其中焊盘962例如是用于将神经元探针960连接到外部设备的接触件。神经元探针950包括焊盘962、传感器元件964、基部966和可选的Si3N4-SiO2钝化层，其中焊盘962例如是将神经元探针960连接到外部设备的接触件，传感器元件964是，例如，Pt电极(铂电极)和Si3N4-SiO2钝化层在每个传感器元件964之间形成绝缘部分968。在CMOS后制造之后，神经元探针被分离。
显微照片示出了完全可植入的探针，例如，从尖端到基部的恒定宽度为70μm，厚度为50μm。基部的长度例如独立于电极的数量。由于时钟频率等于ADC的fs，因此记录位点的最大数量可能仅受链的数据速率的限制。每个ADC提供例如20kS/s的速度，从而将长度限制为例如每条链93个电极。一个示例探针使用例如两个数据链(每个数据链具有例如93个模块化记录位点)。但是，具有多个链的扩展只会增加数字部分的边际复杂度。由于可能不存在全局模拟神经信号路由，并且由于设计的高度模块化，因此更长的探针或探针几何形状的任何特定于应用的修改将提供相同的性能。技术上的规模化将大大降低功耗和探针宽度，因为一半的探针面积专用于数字电路。
图10a示出了本领域中所述的神经元探针1000的示意图。图10b示出了根据本发明的实施例的神经元探针1100。所有已知的解决方案都具有非常大的基部1010，因此不能完全埋在组织中。另外，基部1010的尺寸需要侵入性外科手术。利用神经元探针1100，可以克服这些问题。因此，可以看出，根据本发明的神经元探针明显优于常规解决方案。
图11示出了根据现有技术的具有基部1110、针杆1120和信号处理单元1130的神经元探针。信号处理单元1130包括信号放大器1132、模数转换1134、数字处理/接口1136和计算机1138。
使用本文所述的神经元探针，可以通过省略信号放大器1132和模拟/数字转换1134来减少信号处理单元1130的许多组件。例如，神经元探针在每个模块化记录侧已经包括那些组件。因此，可以看出，根据本发明的神经元探针明显优于常规解决方案。
图12示出了与本申请中提出的神经元探针1300(本发明的实施例)相比，本领域中所述的神经元探针(神经元探针1212、1222、1232、1242和1252)。可以看出，如本文所述的神经元探针1300包括非常小的基部1310。可以将基部1310实施为比基部1210、1220、1230、1240和1250小得多。因此，与神经元探针1212、1222、1232、1242和1252相比，神经元探针1300可以更容易和更深地埋在组织中。因此，可以看出，根据本发明的神经元探针明显优于常规解决方案。
尽管已经在装置的上下文中描述了一些方面，但是很明显，这些方面也代表了对相应方法的描述，其中框或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对相应装置的相应框或项目或特征的描述。方法步骤中的一些或全部可以通过(或使用)硬件设备执行，例如，微处理器、可编程计算机或电子电路。在一些实施例中，最重要的方法步骤中的一个或多个可以由这样的装置执行。
取决于某些实现要求，本发明的实施例可以以硬件或软件来实现。可以使用具有存储在其上的电子可读控制信号的数字存储介质(例如，软盘、DVD、蓝光、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或FLASH存储器)来执行该实现，该数字存储介质与可编程计算机系统协作(或能够协作)，从而执行相应的方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。
根据本发明的一些实施例包括具有电子可读控制信号的数据载体，该电子可读控制信号能够与可编程计算机系统协作，从而执行本文描述的方法之一。
通常，本发明的实施例可以被实现为具有程序代码的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，该程序代码可用于执行一种方法。程序代码可以例如被存储在机器可读载体上。
其他实施例包括存储在机器可读载体上的，用于执行本文描述的方法之一的计算机程序。
换句话说，因此，本发明方法的实施例是一种计算机程序，当计算机程序在计算机上运行时，该计算机程序具有用于执行本文描述的方法之一的程序代码。
因此，本发明方法的另一实施例是一种数据载体(或数字存储介质，或计算机可读介质)，其包括记录在其上的用于执行本文所述方法之一的计算机程序。数据载体、数字存储介质或记录介质通常是有形的和/或非暂态的。
因此，本发明方法的另一实施例是表示用于执行本文描述的方法之一的计算机程序的数据流或信号序列。数据流或信号序列可以例如被配置为经由数据通信连接，例如经由互联网来传输。
另一实施例包括处理装置，例如计算机或可编程逻辑设备，其被配置为或适配于执行本文描述的方法之一。
另一实施例包括其上安装有用于执行本文描述的方法之一的计算机程序的计算机。
根据本发明的另一实施例包括一种装置或系统，被配置为(例如，以电子方式或光学方式)将用于执行本文描述的方法之一的计算机程序传送给接收器。接收器可以是例如计算机、移动设备、存储设备等。所述装置或系统可以例如包括用于将计算机程序传输到接收器的文件服务器。
在一些实施例中，可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列)可以用于执行本文描述的方法的一些或全部功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作以便执行本文描述的方法之一。通常，所述方法优选地由任何硬件设备执行。
可以使用硬件装置或使用计算机，或使用硬件装置和计算机的组合来实现本文描述的装置。
本文描述的装置或本文描述的装置的任何组件可以至少部分地以硬件和/或软件来实现。
可以使用硬件设备或使用计算机，或使用硬件设备和计算机的组合来执行本文描述的方法。
本文描述的方法或本文描述的装置的任何组件可以至少部分地由硬件和/或软件执行。
上面描述的实施例仅用于说明本发明的原理。应当理解，本文描述的布置和细节的修改和变化对于本领域的其他技术人员将是清楚的。因此，本发明的意图仅由随后的专利权利要求的范围限制，而不受通过本文的实施例的描述和解释而给出的具体细节的限制。
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Claims (23)
1.一种传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)包括：
基部(110，210，330，966，1310)，用于提供探测信号(112)；
多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的每个模块化记录位点(1221至122n，122e；2241到224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)包括：
CMOS硅基板；
至少一个传感器元件，被配置为接收模拟生物信号(1321至132n，130)；
原位模数转换器(2261至226n)，被配置为将所述模拟生物信号(1321至132n，130)转换为数字传感器信号(1341至134n)；以及
通信接口，被配置为将所述数字传感器信号(1341至134n)提供给所述基部(110，210，330，966，1310)，
其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)彼此串联连接并且连接到所述基部(110，210，330，966，1310)。
2.根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述基部(110，210，330，966，1310)被配置为：从所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)接收多个数字传感器信号(1341至134n)，并处理所述多个数字传感器信号(1341至134n)以提供所述探测信号(112)。
3.根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的每个模块化记录位点(1221至122n，122e；2241到224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)包括通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)，所述通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)被配置为从所述基部(110，210，330，966，1310)接收配置数据，其中，所述模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)被配置为基于接收到的配置数据来适配与所述模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的操作有关的参数。
4.根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的每个模块化记录位点(1221至122n，122e；2241到224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)包括通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)，其中，所述通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)包括串行接口，
其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)彼此连接成串行通信链，所述串行通信链包括从所述基部(110，210，330，966，1310)到所述传感器阵列的传感器阵列端点(230，310)的前向路径(352)、和从所述传感器阵列端点(230，310)到所述基部(110，210，330，966，1310)的后向路径(354)，其中，对于由第一模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)和相邻的第二模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)构成的每个对，所述第一模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)连接到所述前向路径(352)，并且所述第二模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)连接到所述后向路径(354)。
5.根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述基部(110，210，330，966，1310)被配置为从所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)接收组合的传感器信号，所述组合的传感器信号包括所述模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的每个模块化记录位点的数字传感器信号(1341至134n)。
6.根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的每个模块化记录位点(1221至122n，122e；2241到224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)包括Δ-∑模数转换器(2261至226n)。
7.根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的每个模块化记录位点(1221至122n，122e；2241到224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)包括被配置为将所述模拟生物信号(1321至132n，130)直接转换为所述数字传感器信号(1341至134n)的积分器(3241至324n，420，510，921)和量化器(3251至325n，430，520，928)。
8.根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的每个模块化记录位点(1221至122n，122e；2241到224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)被配置为独立于相邻的模块化记录位点(1221至122n，122e；2241到224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)将所述模拟生物信号(1321至132n，130)转换为所述数字传感器信号(1341至134n)。
9.根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，
所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)沿轴向方向布置并沿所述轴向方向形成阵列；
其中，所述基部(110，210，330，966，1310)沿与所述轴向方向垂直的第一垂直方向的延伸最多是所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)沿所述第一垂直方向的延伸；以及
其中，所述基部(110，210，330，966，1310)沿与所述轴向方向垂直的第二垂直方向的延伸最多是所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)沿所述第二垂直方向的延伸。
10.根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)在与所述传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)的轴向延伸垂直的平面中的横截面与模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的数量无关。
11.根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)包括一个或多个列，所述一个或多个列包括所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)。
12.根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个模块化记录位点中的第一子集被布置在第一半导体衬底上，其中，所述多个模块化记录位点中的邻近且相邻的第二子集被布置在第二半导体衬底上；其中，所述第一半导体衬底和所述第二半导体衬底彼此间隔开一间隙并且通过至少一条导线彼此电连接。
13.根据权利要求12所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述至少一条导线布置在柔性基板上或在所述柔性基板中。
14.根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述基部(110，210，330，966，1310)包括用于提供所述探测信号(112)的有线输出接口(218，260，340，942，962)，其中，所述有线输出接口(218，260，340，942，962)的通道的数量独立于模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的数量，并且独立于所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)在与所述传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)的轴向延伸垂直的平面中的横截面。
15.根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)布置在所述传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)的基部(110，210，330，966，1310)和传感器阵列端点(230，310)之间，其中，所述传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)形成针。
16.根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)包括壳体，所述壳体包括用于接收模拟生物信号(1321至132n，130)的传感器部分(2221至222n，3221至322n，410，4101至4104，511，964)，并且包括用于将所述传感器部分(410)与相邻的模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的壳体的传感器部分(2221至222n，3221至322n，410，4101至4104，511，964)绝缘的绝缘部分(968)。
17.根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)包括壳体，所述壳体包括用于接收模拟生物信号(1321至132n，130)的两个或更多个传感器部分(2221至222n，3221至322n，410，4101至4104，511，964)，并且包括用于将所述两个或更多个传感器部分(2221至222n，3221至322n，410，4101至4104，511，964)中的每个传感器部分(2221至222n，3221至322n，410，4101至4104，511，964)与另一传感器部分绝缘的绝缘部分(968)。
18.根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)的至少一个模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)被配置为：至少使用第一传感器元件和第二传感器元件(2221至222n，3221至322n，410，4101至4104，511，964)对模拟生物信号进行采样，并且将所述第一传感器元件和第二传感器元件(2221至222n，3221至322n，410，4101至4104，511，964)的输出多路复用为数字传感器信号。
19.根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的每个模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)被分为模拟部分(360，920)和数字部分(350，910)，
其中，所述模拟部分(360，920)和所述数字部分(350，910)包括单独的供电路径(214，334，335，337，514)，
其中，所述数字部分(350，910)通过第一(390，930)导电元件与所述模拟部分(360，920)相屏蔽，
其中，第二(392)导电元件环绕所述传感器元件(2221至222n，3221至322n，410，4101至4104，511，964)的连接器(250，323)布置，以将所述模拟部分(360，920)和所述数字部分(350，910)与所述传感器元件(2221至222n，3221至322n，410，4101至4104，511，964)相屏蔽，
其中，所述模拟部分(360，920)被配置为将由所述传感器元件(2221至222n，3221至322n，410，4101至4104，511，964)接收的模拟生物信号(1321至132n，130)转换为数字传感器信号(1341至134n)，
其中，所述模拟部分(360，920)和所述数字部分(350，910)被耦合用于将所述数字传感器信号(1341至134n)提供给所述数字部分(350，910)，
其中，所述数字部分(350，910)被配置为将所述数字传感器信号(1341至134n)提供给所述基部(110，210，330，966，1310)。
20.根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)是生物医学传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)。
21.根据权利要求20所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述生物医学传感器阵列是神经元探针(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)。
22.一种用于操作根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)的方法，具有以下步骤：
用所述传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)的多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的传感器来记录模拟生物信号(1321至132n，130)；
使用所述传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)的多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)将所述模拟生物信号(1321至132n，130)转换为多个数字传感器信号(1341至134n)；
使用所述传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)的所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)将所述多个数字传感器信号(1341至134n)提供给所述传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)的基部(110，210，330，966，1310)；
使用模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)将所述数字传感器信号(1341至134n)提供给所述基部(110，210，330，966，1310)，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)彼此串联连接并且连接到所述基部(110，210，330，966，1310)；
用所述传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)的基部(110，210，330，966，1310)从所述传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)的所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)接收所述多个数字传感器信号(1341至134n)；
由所述传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)的基部(110，210，330，966，1310)处理所述多个数字传感器信号(1341至134n)以获得探测信号(112)；以及
用所述传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)的基部(110，210，330，966，1310)向远程设备提供所述探测信号(112)。
23.一种数字存储介质，存储有具有程序代码的计算机程序，所述程序代码用于在计算机上运行时执行根据权利要求22所述的方法。
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