CN113974654B - 一种小型化低噪声的无线侵入式神经信号记录设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型化低噪声的无线侵入式神经信号记录设备，包括输入滤波模块、前级放大模块、信号转换模块、后级放大模块、射频发射模块依次相连接，所述前级放大模块包括第一前级放大模块、第二前级放大模块，所述射频发射模块包括蓝牙芯片、微型晶振与微型天线。本发明通过使用3个通用运放的结构，替代了现有的仪表放大器芯片，无需负电源芯片；通过信号转换模块将电压模转换为电流模，增强了信号抗干扰能力；使用射频发射模块，实现神经信号模数转换并无线发送到上位机。本发明与现有无线神经信号采集设备相比，体积将减少60％以上，可用于大鼠等动物无束缚状态下自由运动时记录其神经信号。
Description
技术领域
本发明涉及侵入式脑机接口领域，尤其涉及一种小型化低噪声的无线侵入式神经信号记录设备。
背景技术
脑机接口通过建立生物大脑与外部设备之间的通信，通过采集神经信号或对神经行为进行调控，在神经科学研究、疾病诊治等方面有着重要的意义。侵入式脑机接口由于电极与神经元距离更近，可以采集到信噪比更高的神经信号，有利于读取到神经信号中包含的丰富信息，近年来收到大量关注。
早期侵入式神经信号采集采用有线设备，可以同时采集多路数据，并且采样率高，带宽大。但有线采集设备严重限制了生物体的自由运动，限制了神经信号的分析与应用。采用无线采集才能尽可能减少对生物体自由运动的限制，使采集到的神经信号更加准确。
现有无线神经信号采集设备大量采用单芯片方案，高的研发成本与生产成本限制了其广泛应用，提高了侵入式神经信号研究的门槛。尽管许多低成本的采用分立器件的神经信号采集设备已经出现，但体积最小的也在15 × 15 × 12 mm3，相对于大鼠等神经科学研究中广泛使用的动物来说，体积过于庞大。因此，开发一款小型化低噪声的无线侵入式神经信号记录设备，使得可以在相对自由状态下记录大鼠等生物体的神经信号，将有利于神经科学的发展，吸引更多研究人员参与神经科学的研究之中。
发明内容
针对上述现有技术不足，本发明提供了一种小型化低噪声的无线侵入式神经信号记录设备，通过神经信号采集电路的改进，可以使用小体积运放模块，并且无需使用体积较大的产生负电压的电荷泵，配合多种晶圆级封装芯片，极大地减小了无线侵入式神经信号记录的体积，并通过将电压模转换为电流模，提高了抗干扰能力，并且保持10kHz带宽与10k/s的高分辨率。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种小型化低噪声的无线侵入式神经信号记录设备，包括输入滤波模块C1、前级放大模块、信号转换模块U1、后级放大模块A3和射频发射模块U2。通过侵入生物体大脑中的电极采集神经信号，经过输入滤波模块C1进行高通滤波，由前级放大模块、信号转换模块U1、后级放大模块A3进行信号放大，再输入射频发射模块U2的ADC进行模拟信号转换数字信号，并通过射频发射模块U2的蓝牙传送到上位机。
具体包括：
所述输入滤波模块C1，连接电极以及前级放大模块，用于对输入前级放大模块的神经信号进行高通滤波，滤除由神经电界面反应产生的直流信号；
所述前级放大模块包括第一前级放大模块A1、第二前级放大模块A2，用于将电极正负级两端耦合到的神经信号进行阻抗变换与电平转换，通过运算放大器输入端的高阻抗，检测神经信号并消除电极阻抗、生物电组织界面、生物体脑组织阻抗变换对神经信号的影响，通过电平转换，与后级电路输入范围匹配；
所述信号转换模块U1，连接前级放大模块与后级放大模块A3，通过与前级放大模块共同作用，将输入的电压模神经信号转换为电流模神经信号，并将神经信号放大60dB以上，并传输到后级放大模块A3；
所述后级放大模块A3，检测信号转换模块U1产生的电流模神经信号，放大差模神经信号，并放大10dB以上；
所述射频发射模块U2，连接后级放大模块A3的输出端，射频发射模块U2的ADC用于将放大后的神经信号由模拟信号转换为数字信号，并通过无线发送到上位机。
本发明的有益效果在于：
1.传统采用分立器件的无线侵入式神经信号记录设备普遍采用两级仪表放大器，同时实现高输入阻抗，高采样带宽，由于神经信号存在负的电压幅度，则需要给仪表放大器提供正负双电源供电，以满足神经信号输入范围，但由于仪表放大器芯片与负电源芯片面积通常在10mm2以上，使得神经信号记录设备放大前端的尺寸难以有效减小。本发明通过使用前级放大器进行阻抗变换与电平转换，使得可以用小型化的通用运放芯片替代面积较大的仪表放大器芯片，并且无需使用负电源，极大地减小了神经信号记录设备放大前端的体积。
2.通过使用信号转换电路U1，将电压模神经信号转换为电流模传输到后级运放，降低了射频信号对模拟神经信号传输产生的影响，在设备整体尺寸缩小的情况下，保持了与仪表放大器相近的高信噪比。
3.通过使用较小体积的蓝牙芯片与1008封装的小型化晶振与微型陶瓷天线相结合，通过蓝牙芯片内ADC将神经信号转换为模拟信号并无线发送到上位机，最终将使无线侵入式神经信号记录设备整体尺寸缩减60％以上。
4.无线侵入式神经信号记录设备尺寸大幅度缩小，可以真正实现大鼠自由运动下的神经信号记录，提供了低成本的神经信号研究解决方案。
附图说明
本发明描述的附图只是为了说明所选实施例，而不是所有可能的实施方案，更不是意图限制本发明的范围。
图1示出了现有技术的一种无线神经信号记录设备结构图。
图2示出了本发明提出的小型化低噪声无线侵入式神经信号记录设备结构图。
图3示出了本发明实施例中提出的小型化低噪声无线侵入式神经信号记录设备电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1，现有的无线神经信号采集设备普遍采用如下方案：由第一级运算放大器提供侵入式脑电信号采集所需的高输入阻抗，输入端接高通滤波器，去掉神经信号中的直流分量，由电阻Rg1决定第一级运算放大器增益，通常第一级增益在60dB以上。之后通过低通滤波模块，去掉不需要的高频信号，连接到第二级运算放大器模块进行第二级放大与阻抗转换，之后连接到无线连接模块的ADC输入端。通常采用±5V双电源供电，额外增加了负电源芯片的面积和重量。并且第一级运算放大器与第二级运算放大器之间通过电压模传输，容易受到信号串扰的影响，尽管可以通过第二级运算放大器的共模异质来减小共模干扰，但抗干扰能力仍然较差。
参照图2，本发明提出的一种小型化低噪声的无线侵入式神经信号记录设备，包括输入滤波模块C1，连接侵入生物体大脑中的电极和第一前级放大模块A1、第二前级放大模块A2，用于对输入前级放大模块的脑电信号进行滤波，滤除由神经电界面反应产生的直流信号以及输入滤波模块C1与前级放大模块之间产生的电荷积累；第一前级放大模块A1、第二前级放大模块A2，用于将电极正负级两端耦合到的神经信号进行阻抗变换与电平转换。通过前级运放模块输入端的高阻抗，检测神经信号并消除电极阻抗、生物电组织界面、生物体脑组织阻抗变换对神经信号的影响，通过电平转换，与后级放大模块A3输入范围匹配。信号转换模块U1，连接前级的第一前级放大模块A1、第二前级放大模块A2以及后级放大模块A3，通过与第一前级放大模块A1、第二前级放大模块A2共同作用，将输入的电压模神经信号转换为电流模，减少了信号干扰，增强了共模抑制能力，并将神经信号放大60dB，传输到后级放大模块A3。后级放大模块A3，检测信号转换模块U1产生的电流，放大差模神经信号，并放大10dB。射频发射模块U2采用蓝牙传输，连接后级放大模块A3的输出端，用于将放大后的模拟神经信号转换为数字信号，并发送到上位机。
通过采用三个小型化通用运算放大器的电路结构，替代了传统所需负电源供电的大尺寸双仪表放大器，并实现了更好的噪声抑制性能。输入滤波模块C1中，串联在正负输入级之间的高阻抗电阻，抵消输入滤波模块C1与第一前级放大模块A1、第二前级放大模块A2之间产生的电荷积累，避免了电荷积累对设备造成的损伤以及对生物体可能存在的损害。通过外部LDO为第一前级放大模块A1、第二前级放大模块A2、后级放大模块A3提供了电平转换所需的参考电压。
射频发射模块U2使用低功耗蓝牙芯片，使用芯片内自带的ADC将模拟神经信号转换为数字信号，并通过蓝牙无线发送到上位机。
参照图3，本发明实施例中提出的小型化低噪声无线侵入式神经信号记录设备电路原理图。贴片电阻R1两端通过两个贴片电容C01、C02与侵入式电极的正负极两端相连，用以消除输入滤波模块C1与前级放大模块之间产生的电荷积累，避免了电荷积累对设备造成的损伤以及对生物体可能存在的损害。其中，R1=3MΩ，C01=C02=100nF。贴片电容C01、C02分别连接第一前级放大模块A1、第二前级放大模块A2的正输入端，以消除神经信号测量中累计产生的直流电平。第一前级放大模块A1的输出端通过电阻R4与其负输入端连接，第一前级放大模块A1的输出端同时通过电阻R2与电阻R8、后级放大模块A3的正输入端连接；第二前级放大模块A2的输出端通过电阻R5与其负输入端连接，第二前级放大模块A2的输出端同时通过电阻R3与电阻R9、后级放大模块A3的负输入端连接。电阻R4和R5之间串联电阻R6、R7，电阻R6、R7之间与LDO TPS5907相连。电阻R8的另一端也与LDO TPS5907相连。电阻R9的另一端连接后级放大模块A3的输出端。后级放大模块A3的输出端还连接蓝牙芯片的ADC输入端。其中电阻R2、R3、R4、R5、R6、R7均采用贴片电阻，构成信号转换模块U1。其中，R2=R3=R4=R5=20KΩ，R6=R7=20Ω，R8=R9=38KΩ。
所述第一前级放大模块A1、第二前级放大模块A2面积不大于3mm2，后级放大模块A3面积不大于2mm2。所述第一前级放大模块A1、第二前级放大模块A2采用的opa2376，完成神经信号的阻抗转换，通过LDO TPS5907产生的1.5V电平信号，将神经信号参考电平转换为1.5V。通过信号转换模块U1中的20Ω贴片电阻将电压模神经信号转换为电流模，与第一前级放大模块A1、第二前级放大模块A2相结合，将信号放大60dB后，在信号转换模块U1中通过电流传输到后级放大模块A3，后级放大模块A3 采用opa330。后级放大模块A3检测输入端电流差异，并将信号放大10dB，并完成阻抗变换后传入射频发射模块U2中的蓝牙芯片DA14531ADC输入端。射频发射模块U2由面积不大于16mm2的低功耗蓝牙芯片、32MHz微型晶振以及微型陶瓷天线组成。蓝牙芯片与1008封装的微型晶振与微型陶瓷天线相结合。
以上仅为本发明的优选实施例，并不表示是唯一的或是限制本发明。本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围情况下，对本发明进行的各种改变或同等替换，均属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种小型化低噪声的无线侵入式神经信号记录设备，其特征在于：
包括输入滤波模块C1、前级放大模块、信号转换模块U1、后级放大模块A3和射频发射模块U2；
由电极侵入生物体大脑采集的神经信号，经过输入滤波模块C1后，由前级放大模块、信号转换模块U1、后级放大模块A3进行信号放大，再输入射频发射模块U2进行模拟信号转换数字信号，最后通过蓝牙传送到上位机；
所述输入滤波模块C1，连接电极以及前级放大模块，用于对输入前级放大模块的神经信号进行高通滤波，滤除由神经电界面反应产生的直流信号；
所述前级放大模块包括第一前级放大模块A1、第二前级放大模块A2，用于将电极正负级两端耦合到的神经信号进行阻抗变换与电平转换，通过运算放大器输入端的高阻抗，检测神经信号并消除电极阻抗、生物电组织界面、生物体脑组织阻抗变换对神经信号的影响，通过电平转换，与后级电路输入范围匹配；
所述信号转换模块U1，连接前级放大模块与后级放大模块A3，通过与前级放大模块共同作用，将输入的电压模神经信号转换为电流模神经信号，并将神经信号放大60dB以上，并传输到后级放大模块A3；
所述后级放大模块A3，检测信号转换模块U1产生的电流模神经信号，放大差模神经信号，并放大10dB以上；
所述射频发射模块U2，连接后级放大模块A3的输出端，射频发射模块U2的ADC用于将放大后的神经信号由模拟信号转换为数字信号，并通过无线发送到上位机；
所述第一前级放大模块A1、第二前级放大模块A2面积不大于3mm2，后级放大模块A3面积不大于2mm2；
射频发射模块U2由面积不大于16mm2的低功耗蓝牙芯片、32MHz微型晶振以及微型陶瓷天线组成；
所述信号转换模块U1由两个不小于20Ω的贴片电阻、两个不小于20kΩ的贴片电阻、两个20kΩ的贴片电阻组成；所述两个不小于20Ω的贴片电阻和两个不小于20kΩ的贴片电阻串联在第一前级放大模块A1、第二前级放大模块A2输出端之间；两个20kΩ的贴片电阻分别连接在第一前级放大模块A1输出端与后级放大模块A3的正输入端、第二前级放大模块A2输出端与后级放大模块A3的负输入端之间。
2.根据权利要求1所述一种小型化低噪声的无线侵入式神经信号记录设备，其特征在于：
所述的前级放大模块、后级放大模块A3的参考电压由外部LDO提供，用于提供电平转换所需参考电压。
3.根据权利要求1所述一种小型化低噪声的无线侵入式神经信号记录设备，其特征在于：
所述第一前级放大模块A1、第二前级放大模块A2采用的opa2376；所述后级放大模块A3采用opa330。
4.根据权利要求2所述一种小型化低噪声的无线侵入式神经信号记录设备，其特征在于：
所述的输入滤波模块C1采用不小于1MΩ贴片电阻，连接在两个不小于100nF的贴片电容之间。
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