CN113447558B - 用于神经信号采集的双模态干扰补偿电路 - Google Patents

用于神经信号采集的双模态干扰补偿电路 Download PDF

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Abstract

一种用于神经信号采集的双模态干扰补偿电路，包括电学传感电路、化学传感电路、干扰补偿电路和控制模块，本发明通过电学和化学两种前端传感电路，分别采集到神经电学和神经化学信号，在两种采集前端之间，使用干扰补偿电路产生合适的转化比，补偿化学信号中的电学干扰，实现神经电信号和化学信号的同时检测，提高双模态检测的精度。

Description

用于神经信号采集的双模态干扰补偿电路
技术领域
本发明涉及模拟集成电路技术领域，特别是一种用于神经信号采集的双模态干扰补偿电路。
背景技术
随着集成电路技术的飞速发展，基于集成电路的神经信号采集芯片不断应用于神经科学中。目前的芯片大多基于神经电信号的单模态采集，只能收集神经的电学信号，忽略了神经信号传递过程中产生的化学信号，尤其是神经细胞之间的神经递质。因此传统的单模态采集方式会导致神经信号采集的不全面，而实现神经电学和神经化学双模态信号的同时检测，面临着信号之间相互干扰的问题。
双模态的干扰问题是神经电学信号和化学信号的采集结构导致的，如图1所示。电学电极是低电阻的惰性金属，对离子浓度不敏感，几乎不受到化学干扰；化学电极表层镀有一层离子敏感膜，能吸附特定的离子，当离子浓度高时，产生更高的电压值，读出该电压值从而实现化学信号的测量，但是离子敏感膜为高阻抗绝缘材料，与溶液和电极等效成电容，导致电学信号通过电容耦合进入化学电路，从而产生干扰。
由于双模态的干扰问题，目前的双模态电路不能实现对临近点位的同时检测，具体表现为：1、空间上，两种电极之间的距离较远。电学电极和化学电极之间的距离越近，干扰越大，较远的电极距离减少了干扰，但是降低了电极密度，不利于神经信号的采集。2、时间上，两种电路不能同时检测。化学信号中会包含电学干扰，影响了化学信号的读取精度。
发明内容
本发明解决的技术问题是：
针对双模态之间的相互干扰问题，本发明提出一种基于电路的双模态干扰补偿电路，该电路消除了化学输出信号中的电学干扰，实现对临近点位的电学和化学双模态的同时检测。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于神经信号采集的双模态干扰补偿电路，其特点在于包括：电学传感电路、化学传感电路、干扰补偿电路和控制模块，所述的电学传感电路的输入端连接电学电极，将采集到的神经电压信号放大后经输出端输出；所述的化学传感电路的输入端连接化学电极，将离子敏感膜上的电势信号包括电学的干扰和化学本身的信号采集放大为电压信号，经输出端输出；所述的干扰补偿电路内部具有参数可以调节的元件，所述的干扰补偿电路的输入端与所述的电学传感电路的输入端或者输出端相连，所述的干扰补偿电路的输出端与所述的化学传感电路的输入端或者输出端相连；所述的控制模块控制所述的干扰补偿电路的可调节元件，自动决定干扰补偿电路的转换比例，补偿路径是否工作也由所述的控制模块控制，该控制模块的输入端与所述的化学传感电路的输出端相连，该控制模块的输出端与所述的干扰补偿电路的输入端相连。
所述的电学传感电路的电路结构为直流耦合或者交流耦合、单端或者差动、传统放大器或者基于反相器的放大器结构。
所述的化学传感电路的结构为恒定电流检测电压、恒定电压检测电流或基于时间计数的浮动栅结构。
所述的干扰补偿电路为基于电容电阻网络的补偿电路、开关电容电路或模拟减法电路。
所述的控制模块为模拟的电压比较器、模拟的积分器和比较器或数字的计数器控制。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明用于神经信号采集的双模态干扰补偿电路，该电路通过干扰补偿反馈回路，使得干扰补偿模块自主产生合适的转换比，补偿化学信号中的电学干扰，提高化学检测精度，使双模态电路能够对神经细胞临近点位的电信号和化学信号进行同时检测。
附图说明
图1是本发明所解决的干扰的产生原理图
图2是本发明总体结构框架示意图
图3是本发明中电容电阻网络补偿电路方案
图4是本发明中开关电容电路方案
图5是本发明中模拟减法电路方案
图6是本发明的补偿结果示意图
具体实施方式
为使本发明的目的、优势、技术方案和实施方式更加清楚明白，下面结合实例和附图，对本发明作进一步的详细说明，但不应限制本发明的保护范围。
如图2所示，为本发明的总体结构框架示意图，由图可见，一种用于神经信号采集的双模态干扰补偿电路，包括：电学传感电路1、化学传感电路2、干扰补偿电路3和控制模块4，所述的电学传感电路1的输入端连接电学电极，将采集到的神经电压信号放大后经输出端输出；所述的化学传感电路2的输入端连接化学电极，将离子敏感膜上的电势信号包括电学的干扰和化学本身的信号采集放大为电压信号，经输出端输出；所述的干扰补偿电路3内部具有参数可以调节的元件，所述的干扰补偿电路3的输入端与所述的电学传感电路1的输入端或者输出端相连，所述的干扰补偿电路3的输出端与所述的化学传感电路的输入端或者输出端相连；所述的控制模块4控制所述的干扰补偿电路3的可调节元件，自动决定干扰补偿电路的转换比例，补偿路径是否工作也由所述的控制模块4控制，该控制模块4的输入端与所述的化学传感电路2的输出端相连，该控制模块4的输出端与所述的干扰补偿电路3的输入端相连。
所述的化学传感电路2-控制模块4-干扰补偿电路3-化学传感电路2构成了补偿反馈回路
所述的电学传感电路1将采集到的神经电压信号放大为电压信号，驱动所述的干扰补偿电路3。该模块的输入端连接电学电极，采集到电学信号为Vele，另一端连接输出端，产生A·Vele的输出，电学传感电路的两个端口都可以作为干扰补偿电路3的输入端。电学传感电路输出具有稳定的增益，相对较低的阻抗和较强的驱动能力，用于后续补偿电路的驱动。
所述的电学传感电路1的电路结构可以使用直流耦合或者交流耦合、单端或者差动、传统放大器或者基于反相器的放大器结构。
所述的化学传感电路2的作为化学信号的读出电路，将离子敏感膜上的电势信号转化为电路中的电压信号，同时驱动后续放大电路或者模拟数字转换器电路。该模块的输入端连接化学电极，采集到电学的干扰β·Vele和化学本身的信号Vchem，如果没有使用干扰补偿电路3，经过放大后得到的输出为B·(β·Vele+Vchem)，其中包括了电学信号干扰；如果使用了干扰补偿电路3，将电学信号通过额外通路引入进行去除，实现了干扰的抵消，就可以得到独立的化学信号B·Vchem。化学传感电路的输入端和输出端都可以作为干扰补偿电路3的输出端。
化学传感电路2的电流结构可以使用恒定电流检测电压、恒定电压检测电流、基于时间计数的浮动栅结构。
所述的干扰补偿电路3内部具有参数可以调节的器件，根据控制模块4来调整参数，实现特定的转换比，补偿电化学通路中的干扰。该模块的输入端可以根据具体电路选择为电学传感电路的输入Vele或者输出A·Vele，输出端选择为化学传感电路的输入端或者输出端。根据上述对输入输出的选择，实际的干扰补偿电路输入输出端可以分为四种形式：
1、电学传感电路的输入作为输入，电化学传感电路的输入作为输出；
2、电学传感电路的输入作为输入，电化学传感电路的输出作为输出；
3、电学传感电路的输出作为输入，电化学传感电路的输入作为输出；
4、电学传感电路的输出作为输入，电化学传感电路的输出作为输出。
四种形式之间的差距本质上是转换倍数的差距，例如，第三种情况下，干扰补偿电路3需要产生-β/A倍的转换倍数；第四种情况下，干扰补偿电路3需要产生-β·B/A倍的转换倍数。
所述的干扰补偿电路3的电路实现方法有多种形式，可以结合不同的输入输出形式灵活使用，本发明列出三种可能的干扰补偿电路实现方法作为示例，但不应该限制本发明的保护范围。三种方法分别为：基于电容电阻网络的补偿电路(图3)、开关电容电路(图4)、模拟减法电路(图5)。下面将对三种方法进行解释说明。
如图3所示，基于电容电阻网络进行补偿，电路中的Z表示阻抗。输入为电学信号或者放大后的电学信号，输出为经过调节的补偿信号。主要作用是实现特定的等效阻抗值。干扰补偿模块3的输出端具有一定负载阻抗，干扰补偿模块3内的等效阻抗与外部的负载阻抗串联，通过改变干扰补偿模块3内部的阻抗大小来改变电压分配，实现对输出电压的调控。干扰补偿模块内部的电路形式可以为阻抗分压的形式(a)，通过阻抗Z1和Z2分压实现一定的转换倍数，通过Z3耦合至输出。这种形式对于输出端的影响可以通过Z3的大小来调控。阻抗串联的形式(b)。单个阻抗的形式(c)。这些形式都可以实现特定的阻抗值。
如图4所示，使用开关电容电路进行补偿。输入为电学信号或者放大后的电学信号，输出为经过调节的补偿信号。在φ1相位，电容C1采样电学信号，保存在电容C1上，电容C2复位。在φ2相位，将C1的上极板接地，由于电容C1上的电压不能突变，C2的下极板电压变成负的电学信号，同时，电容C2与C1并联，调整C2下极板的电学信号大小，从而实现-β·Vele，抵消电学干扰。当需要更高的转换倍数，可以将图中的C2替换成多个电容并联采样，然后使用开关实现电容的串联，得到高倍的电信号。
如图5所示，使用模拟减法电路补偿，电路中的Z表示阻抗。电路具有两个输入端，一端是电学信号输入、一端是电学干扰和化学输入，输出为经过干扰补偿的化学输出。模拟减法主要作用是使用电学干扰和化学信号去减一定比例的电学信号，得到单独的化学信号。模拟减法电路有多种形式，图4展示了简单的减法电路用于说明工作原理。图中的Z1和Z3调节电学信号的比例，以便于得到合适的值，Z2和Z4可以调节化学信号比例。减法电路的输出公式为：
Figure BDA0003118752610000061
图2中的控制模块4作为干扰补偿电路3的辅助和控制部分，主要控制干扰补偿电路中的可调节元件，自动决定干扰补偿电路的转换比例。此外，补偿路径是否工作也由控制模块4控制。该模块的输入为化学输出端，输出控制信号给干扰补偿模块。需要指出的是，干扰系数β会随着CMOS工艺、电极工艺和寄生影响在一定范围内改变，在模拟电路中，电容值最大会有20％的偏差，化学敏感膜的等效电容值会有30％的偏差，因此，要实现电信号干扰的精准补偿，电路内的自动调整是非常必要的。
在控制模块4实际工作时，可以设置校准状态和正常工作状态，当处于校准状态时，置零化学输入信号，只给电学输入信号，化学传感电路2的输出为B·β·Vele，控制模块4通过判断化学传感电路输出端信号是否为零，自动调整干扰补偿电路3中的元件参数值，控制转换比例；当处于正常工作状态时，控制模块4不工作，干扰补偿电路3保持状态不变。这样，在实际的使用过程中，进行一次校准状态之后，即可维持长时间的正常工作。
所述的控制模块4电路实现有多种形式，可以由如下的几种形式或组合来实现：模拟的电压比较器、模拟的积分器和比较器、数字的计数器控制。
如图6所示，为本发明补偿结果示意图。原始电化学传感输出中包含较大的电学干扰，影响了化学信号的读出精度，但是经过干扰补偿，该干扰被补偿电路所消除，电化学传感电路输出真实地反应了当前化学信号。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种用于神经信号采集的双模态干扰补偿电路，其特征在于包括：电学传感电路(1)、化学传感电路(2)、干扰补偿电路(3)和控制模块(4)，所述的电学传感电路(1)的输入端连接电学电极，将采集到的神经电压信号放大后经输出端输出；所述的化学传感电路(2)的输入端连接化学电极，将离子敏感膜上的电势信号包括电学的干扰和化学本身的信号采集放大为电压信号，经输出端输出；所述的干扰补偿电路(3)内部具有参数可以调节的元件，所述的干扰补偿电路(3)的输入端与所述的电学传感电路(1)的输入端或者输出端相连，所述的干扰补偿电路(3)的输出端与所述的化学传感电路的输入端或者输出端相连；所述的控制模块(4)控制所述的干扰补偿电路(3)的可调节元件，自动决定干扰补偿电路的转换比例，补偿路径是否工作也由所述的控制模块(4)控制，该控制模块(4)的输入端与所述的化学传感电路(2)的输出端相连，该控制模块(4)的输出端与所述的干扰补偿电路(3)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的用于神经信号采集的双模态干扰补偿电路，其特征在于所述的电学传感电路(1)的电路结构为直流耦合或者交流耦合、单端或者差动、传统放大器或者基于反相器的放大器结构。
3.根据权利要求1所述的用于神经信号采集的双模态干扰补偿电路，其特征在于所述的化学传感电路(2)的结构为恒定电流检测电压、恒定电压检测电流或基于时间计数的浮动栅结构。
4.根据权利要求1所述的用于神经信号采集的双模态干扰补偿电路，其特征在于所述的干扰补偿电路(3)为基于电容电阻网络的补偿电路、开关电容电路或模拟减法电路。
5.根据权利要求1至4任一项所述的用于神经信号采集的双模态干扰补偿电路，其特征在于所述的控制模块(4)为模拟的电压比较器、模拟的积分器和比较器或数字的计数器控制。
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