CN114224366B - 神经信号测量与刺激功能兼容的芯片及脑机接口设备 - Google Patents
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Abstract
本申请属于芯片技术领域，提供了一种神经信号测量与刺激功能兼容的芯片及脑机接口设备，多个恒流刺激模块生成多个神经刺激信号通过多个电极端口输出至神经信号电极，并由多个神经信号电极采集神经电信号，多个固定增益放大模块对神经电信号进行放大得到神经采样增益信号，多个动作电位增益放大模块分别从每路神经采样增益信号过滤出动作电位信号，多个局部场电位增益放大模块分别从每路神经采样增益信号过滤出局部场电位信号，多路选择模块选择其中一个信号输出，最后依序由模数转换模块、数字控制模块输出对应的数字采样信号，可以降低信号采集的能耗以及噪声，从而在低耗能和低噪声的场景下实现动作电位与局部场电位的信号采集。
Description
技术领域
本申请属于芯片技术领域，尤其涉及一种神经信号测量与刺激功能兼容的芯片及脑机接口设备。
背景技术
目前，很多脑机接口的研究都向闭环方向进行，既要检测神经元信号，又要同时实现对神经组织的刺激，以达到恢复某些神经功能的目的，因此具有非常高的临床价值。由于针对不同对象以及不同部位的刺激，脑机接口所需要的采集带宽、增益、电流刺激大小、持续时间等都有较大差别，需要芯片各相关参数应具有较大的工作范围，使其可以根据当前使用场景调节各参数，从而达到普适性。
目前，神经电信号的测量与刺激通常采用美国Intan公司的RHS2116芯片，尽管该芯片拥有测量和刺激功能，其结构是每一个电极端口，输入方向是神经信号测量电路，输出方向是刺激电路，刺激与测量共用电极，然而，现有的神经电信号的测量与刺激的应用芯片存在无法在低耗能和低噪声的场景下实现动作电位(Action potential,动作电位信号)与局部场电位(Local field potential,局部场电位信号)的信号采集的问题。
发明内容
为了实现上述目的，本申请实施例提供一种神经信号测量与刺激功能兼容的芯片及脑机接口设备，旨在低耗能和低噪声的场景下实现动作电位与局部场电位的信号采集。
本申请实施例第一方面提供了一种神经信号测量与刺激功能兼容的芯片，包括：
多个电极端口，用于与神经信号电极连接，并通过所述神经信号电极发送神经刺激信号以及采集神经电信号；
参考端口，用于接入参考信号；
多个恒流刺激模块，分别与多个所述电极端口连接，用于接收电流值数据和控制信号，对所述电流值数据进行分组译码处理，生成多个所述神经刺激信号分别发送至多个所述电极端口；
多个固定增益放大模块，分别与多个所述电极端口和所述参考端口连接，用于根据所述参考信号对每个所述电极端口的所述神经电信号进行放大得到神经采样增益信号；
多个动作电位增益放大模块，分别与多个所述固定增益放大模块连接，用于从每路所述神经采样增益信号中过滤出动作电位信号，并对所述动作电位信号进行放大处理得到动作电位放大信号；
多个局部场电位增益放大模块，分别与多个所述固定增益放大模块连接，用于从每路所述神经采样增益信号中过滤出局部场电位信号，并对所述局部场电位信号进行放大处理得到局部场电位放大信号；
多路选择模块，分别与多个所述动作电位增益放大模块以及多个所述局部场电位增益放大模块连接，用于接收多个所述动作电位放大信号和多个所述局部场电位放大信号，并选择其中一个信号输出；
模数转换模块，用于将所述多路选择模块输出的信号进行模数转换处理，生成数字采样信号；
数字控制模块，与所述模数转换模块连接，用于控制所述数字采样信号的输出。
在一个实施例中，所述芯片还包括：
缓冲模块，与所述多路选择模块连接，用于对所述多路选择模块输出的信号进行缓冲处理。
在一个实施例中，所述动作电位增益放大模块包括：
带通滤波器，与所述固定增益放大模块连接，用于从每路神经采样增益信号过滤出动作电位信号；
动作电位可编程增益放大器，与所述带通滤波器连接，用于对所述动作电位信号进行放大处理得到动作电位放大信号。
在一个实施例中，所述局部场电位增益放大模块包括：
低通滤波器，与所述固定增益放大模块连接，用于从每路神经采样增益信号过滤出局部场电位信号；
局部场电位可编程增益放大器，与所述低通滤波器连接，用于对所述局部场电位信号进行放大处理得到局部场电位放大信号。
在一个实施例中，所述芯片还包括：
接地端口；
多个电荷泄放开关，分别与多个所述电极端口以及所述接地端口连接，用于在刺激操作完成之后，将所述电极端口的残余电荷泄放至所述接地端口。
在一个实施例中，所述恒流刺激模块包括：
电流值译码与电流方向控制单元，用于接收电流值数据和控制信号，对所述电流值数据进行分组译码处理，并根据译码结果和控制信号生成电流值控制信号；
恒流刺激单元，与所述电流值译码与电流方向控制单元和所述电极端口连接，用于根据所述电流值控制信号以及正电压信号和负电压信号生成所述神经刺激信号至所述电极端口，并通过所述神经信号电极输出。
在一个实施例中，所述电流值译码与电流方向控制单元包括：
多个子译码器，用于接收所述电流值数据，对所述电流值数据进行分组译码处理，生成多组译码信号；
多个电流方向控制子单元，分别与多个所述子译码器连接，用于分别接收多组所述译码信号以及电流控制信号，并根据所述译码信号以及所述电流控制信号生成多个电流值控制信号。
在一个实施例中，所述芯片还包括：
正电压接口，用于为所述恒流刺激单元提供正电压信号；
负电压接口，用于为所述恒流刺激单元提供负电压信号。
在一个实施例中，所述子译码器为温度计译码器。
本申请实施例第二方面还提供了一种脑机接口设备，包括如上述任一项所述的神经信号测量与刺激功能兼容的芯片。
本申请实施例提供了一种神经信号测量与刺激功能兼容的芯片及脑机接口设备，多个恒流刺激模块生成多个神经刺激信号通过多个电极端口输出至神经信号电极，并由多个神经信号电极采集神经电信号，多个固定增益放大模块对神经电信号进行放大得到神经采样增益信号，多个动作电位增益放大模块分别从每路神经采样增益信号过滤出动作电位信号，多个局部场电位增益放大模块分别从每路神经采样增益信号过滤出局部场电位信号，多路选择模块选择其中一个信号输出，最后依序由模数转换模块、数字控制模块输出对应的数字采样信号，可以降低信号采集的能耗以及噪声，从而在低耗能和低噪声的场景下实现动作电位与局部场电位的信号采集。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一个实施例提供的神经信号测量与刺激功能兼容的芯片的原理示意图；
图2是本申请一个实施例提供的神经信号测量与刺激功能兼容的芯片的结构示意图；
图3是本申请一个实施例提供的固定增益放大模块、动作电位增益放大模块、局部场电位增益放大模块的结构示意图；
图4是本申请另一个实施例提供的神经信号测量与刺激功能兼容的芯片的原理示意图；
图5是本申请一个实施例提供的电荷泄放开关的结构示意图；
图6是本申请一个实施例提供的恒流刺激模块的结构示意图；
图7是本申请一个实施例提供的电流值译码与电流方向控制单元的结构示意图；
图8是本申请一个实施例提供的恒流刺激子单元的结构示意图；
图9是本申请一个实施例提供的可编程电流源P和可编程电流源N的结构示意图；
图10是本申请一个实施例提供的AP信号路径增益2000倍和LFP信号路径增益500倍的示意图；
图11和图12是本申请一个实施例提供的输出、输入60uA和15.3mA电流端口波形示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
在脑机接口技术中，对神经电信号的测量(包括采集、放大、滤波和量化)，与对神经组织的刺激，是两大关键技术。植入式神经信号电极采集的电位，可以分为动作电位(Action potential，动作电位信号)与局部场电位(Local field potential，局部场电位信号)，其中，动作电位信号是由单个神经元细胞膜的脉冲信号产生的，局部场电位信号表示局部区域神经元电信号的总和。
为了能够在低耗能和低噪声的场景下实现动作电位与局部场电位的信号采集，本申请实施例提供了一种神经信号测量与刺激功能兼容的芯片，本实施例中的芯片包括：多个电极端口100、参考端口110、多个固定增益放大模块200、恒流刺激模块300、多个动作电位增益放大模块400、多个局部场电位增益放大模块500、多路选择模块600、模数转换模块710以及数字控制模块720。
在本实施例中，多个电极端口100用于与神经信号电极连接，并通过神经信号电极发送神经刺激信号以及采集神经电信号，参考端口110用于接入参考信号，为固定增益放大模块200提供信号参考，多个恒流刺激模块300与多个电极端口100连接，恒流刺激模块300用于接收电流值数据和控制信号，对电流值数据进行分组译码处理，生成多个所述神经刺激信号分别发送至多个所述电极端口。
在本实施例中，多个恒流刺激模块300与多个固定增益放大模块200一一对应，且分别共接于多个电极端口100，每个恒流刺激模块300与对应的固定增益放大模块200共接于同一个电极端口100，由此组成一个刺激检测功能模块，兼容了神经信号测量功能电路和恒流刺激功能电路。
图2为本申请实施例提供的集成了16个神经信号测量与刺激的芯片结构示意图，参见图2所示，本实施例中的芯片900包括16个电极端口100(具体参见图2中的电极端口ELEC0至电极端口ELEC15)，16个电极端口100分别与16个神经信号电极相连接，每一个电极端口都是神经信号测量功能电路与恒流刺激功能电路共用。端口ELEC_REF为参考端口，用于为16个电极端口100提供参考信号，该参考端口ELEC_REF可以接入预设的参考电压，或者直接接地。
在神经信号测量和刺激实践中，电极通常集中在较小的神经组织范围内。因为恒流刺激会使局部神经组织出现较大幅度和较高频率的电特性变化，此变化会使芯片的放大器电路出现饱和的非正常工作状态，所以不对刺激过程中的神经信号进行测量，但在刺激操作结束后，固定增益放大模块200继续正常工作。
在本实施例中，多个固定增益放大模块200分别与多个电极端口100和参考端口110连接，多个固定增益放大模块200用于根据参考信号对每个电极端口100的神经电信号进行放大得到神经采样增益信号。
具体的，在后级电路中的动作电位增益放大模块400、局部场电位增益放大模块500分别将动作电位信号与局部场电位信号同时放大、滤波的电路中，需要有较大的对应动作电位信号的带宽和较低的对应局部场电位信号的增益，否则动作电位信号被滤掉，或者局部场电位信号被放大到使放大器饱和的程度，因此，通过固定增益放大模块200对采集的神经电信号进行固定增益处理。
在一个实施例中，固定增益放大模块200的增益倍数可以设置为20-50倍。
如附图2所示，16个神经测量和刺激电路完全相同，以电极端口ELEC0对应的电路为例说明。
电极端口ELEC0采集到的神经电信号，与参考电极端口ELEC_REF分别连接到固定增益放大模块200的正、负输入端，其中，参考电极端口ELEC_REF可以接地。
在一个实施例中，参见图3所示，每个固定增益放大模块200可以由电容Cin、全差分放大器AMP及其外围电路组成。
其中，全差分放大器AMP的外围电路包括反馈两个反馈电容Cf，分别设置于输出端与该输出端对应的输入端之间，全差分放大器AMP可以为一个双入双出的全差分运算放大器，固定增益放大模块200的增益倍数由Cin/Cf决定，本实施例中可以将其增益倍数设置为50倍。
全差分放大器AMP的外围电路还包括两个串联的PMOS管Ms构成全差分放大器AMP的伪电阻，给全差分放大器AMP提供直流偏置。由于电容作为端口输入器件，且伪电阻阻值很高，本实施例中的固定增益放大模块200还可以起到高通滤波作用，将高通滤波器的带宽设置在1Hz以下。
在一个实施例中，固定增益放大模块200还可以包括应用于全差分放大器AMP的快速恢复开关电路FR_SW。
神经刺激操作过程中，芯片的电极端口表现为高频高幅信号，这使固定增益放大器进入饱和状态。由于其较低的高通带宽，要恢复到正常工作状态需要较长的时间。神经刺激操作结束后，快速恢复开关电路FR_SW的开关经历一段时间的闭合后断开，可以实现固定增益放大器正常工作状态的快速恢复。
在本实施例中，多个动作电位增益放大模块400分别与多个固定增益放大模块200连接，多个动作电位增益放大模块400分别用于从每路神经采样增益信号中过滤出动作电位信号，并对动作电位信号进行放大处理得到动作电位放大信号。
具体的，每个动作电位增益放大模块400与对应的固定增益放大模块200连接，用于将其输出的神经采样增益信号中过滤出动作电位信号，并对动作电位信号放大处理得到动作电位放大信号输出至多路选择模块600。
多个局部场电位增益放大模块500分别与多个固定增益放大模块200连接，用于从每路神经采样增益信号中过滤出局部场电位信号，并对局部场电位信号进行放大处理得到局部场电位放大信号。
具体的，每个局部场电位增益放大模块500与对应的固定增益放大模块200连接，用于将其输出的神经采样增益信号中过滤出局部场电位信号，并对局部场电位信号放大处理得到局部场电位放大信号输出至多路选择模块600。
在一个实施例中，参见图3所示，动作电位增益放大模块400包括：带通滤波器410和动作电位可编程增益放大器420。
带通滤波器410与固定增益放大模块200连接，通过带通滤波器410从每路神经采样增益信号过滤出动作电位信号；动作电位可编程增益放大器420与带通滤波器410连接，由动作电位可编程增益放大器420用于对所述动作电位信号进行放大处理得到动作电位放大信号。
在一个实施例中，参见图3所示，局部场电位增益放大模块500包括：低通滤波器510和局部场电位可编程增益放大器520。
低通滤波器510与固定增益放大模块200连接，通过低通滤波器510从每路神经采样增益信号过滤出局部场电位信号；局部场电位可编程增益放大器520与低通滤波器510连接，由局部场电位可编程增益放大器520对所述局部场电位信号进行放大处理得到局部场电位放大信号。
结合图3所示，经过初步放大的神经电信号，分为动作电位增益放大模块400和局部场电位增益放大模块500两路处理，动作电位信号路径中，信号首先经过带通滤波器处理，然后再由可编程增益放大器进行放大。
在本实施例中，通过将动作电位增益放大模块400和局部场电位增益放大模块500共接于固定增益放大模块200，即动作电位信号和局部场电位放大信号共用一个固定增益放大器，可以节省初级信号放大的功耗，节省出的功耗预算放到共用的固定增益放大器中，以提升其噪声性能。因为放大器的电流越大，等效输入噪声可以做到越小。同时，为了降低噪声而使用的电流也增加了第一级固定增益放大器的带宽，使其可以覆盖较宽的动作电位信号带宽。
进一步地，神经电信号被采集后进入芯片，动作电位信号和局部场电位放大信号共用50倍的固定增益放大器，可以降低芯片复杂程度，减小面积。
在一个具体应用实施例中，动作电位可编程增益放大器的放大倍数为10-40倍。
在一个具体应用实施例中，动作电位可编程增益放大器420包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4以及第一运算放大器AMP1。
第一电阻R1的第一端与第二电阻R2的第一端共接于第一运算放大器AMP1的正相输入端，第一电阻R1的第二端与带通滤波器410的第一输出端连接，第二电阻R2的第二端接运放电源端口VR，第三电阻R3的第一端与第四电阻R4的第一端共接于第一运算放大器AMP1的反相输入端，第三电阻R3的第二端与带通滤波器410的第二输出端连接，第四电阻R4的第二端与第一运算放大器AMP1的输出端连接。
在本实施例中，第一电阻R1和第三电阻R3作为输入电阻分别与第一运算放大器AMP1的正相输入端和反相输入端连接，第四电阻R4作为反馈电阻连接在第一运算放大器AMP1的反相输入端与其输出端之间。
在一个实施例中，第一电阻R1和第三电阻R3的阻值相同，第二电阻R2和第四电阻R4的阻值相同。
进一步地，第二电阻R2和第四电阻R4均为可调电阻。
动作电位可编程增益放大器420的放大倍数为R4/R3，其中，第四电阻R4R4为可调电阻，其阻值可以根据需要进行调节，例如，其阻值可以由编程控制，通过调节R4/R3的比例，可以调节动作电位可编程增益放大器420的放大倍数。
在局部场电位信号路径中，信号首先经过低通滤波器，然后再由可编程增益放大器进行放大。
在一个具体应用实施例中，局部场电位可编程增益放大器520的放大倍数为4-10倍。
在一个具体应用实施例中，局部场电位可编程增益放大器520包括：第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8以及第二运算放大器AMP2。
具体的，第五电阻R5的第一端与第六电阻R6的第一端共接于第二运算放大器AMP2的正相输入端，第五电阻R5的第二端与低通滤波器的第一输出端连接，第六电阻R6的第二端接运放电源端口VR，第七电阻R7的第一端与第八电阻R8的第一端共接于第二运算放大器AMP2的反相输入端，第七电阻R7的第二端与低通滤波器的第二输出端连接，第八电阻R8的第二端与第二运算放大器AMP2的输出端连接。
在本实施例中，第五电阻R5和第七电阻R7作为输入电阻分别与第二运算放大器AMP2的正相输入端和反相输入端连接，第八电阻R8作为反馈电阻连接在第二运算放大器AMP2的反相输入端与其输出端之间。
在一个实施例中，第五电阻R5和第七电阻R7的阻值相同，第六电阻R6和第八电阻R8的阻值相同。
进一步地，第六电阻R6和第八电阻R8均为可调电阻。
进一步地，局部场电位可编程增益放大器520的放大倍数为R8/R7，其中第八电阻R8为可调电阻，例如，其阻值可以由编程控制，从而通过调节R8/R7的比例，即可以调节局部场电位可编程增益放大器520的放大倍数。
在一个实施例中，动作电位可编程增益放大器420、局部场电位可编程增益放大器520均可以由一个双入单出的运算放大器及其外围电路组成。
经过分别处理，动作电位信号被放大500-2000倍得到动作电位放大信号VOUT_动作电位信号，局部场电位信号被放大200-500倍得到局部场电位放大信号VOUT_局部场电位信号，并且两者都被限制在对应的带宽内。
在本实施例中，神经电信号采集进入芯片后，保证动作电位信号和局部场电位信号都不会被放大得过大以致电路饱和的前提下，可以尽量提高第一级放大器的增益，然后可以降低后级电路折算到输入端的等效输入噪声。
在具体应用中，固定增益放大模块200的50倍增益是一个较大的值，更大的第一级增益需要更高的输入电容Cin，这会降低输入芯片端口阻抗，并且增大芯片面积。
在神经电信号经过固定增益放大模块200放大后，将动作电位信号和局部场电位信号分开处理，经过各自的频带滤波器，再进行可编程的增益放大。这样可以降低局部场电位信号路径中PGA内放大器的功耗，因为其信号带宽较低。同时，如果在使用中不需要测量动作电位信号或者局部场电位信号之一，可以将其对应的放大器关闭，进一步节省功耗，使用灵活。
进一步地，动作电位信号和局部场电位信号独立被各自的可编程增益放大器放大，可以将幅度相差较大的两者放大到相同量级。这样的设置可以明显降低后续承担量化工作的SARADC的精度，降低了电路的功耗和面积。
在本实施例中，多路选择模块600分别与多个动作电位增益放大模块400以及多个局部场电位增益放大模块500连接，多路选择模块600接收多个动作电位放大信号和多个局部场电位放大信号，并选择其中一个信号输出。
模数转换模块710用于将多路选择模块600输出的信号进行模数转换处理，生成数字采样信号；数字控制模块720与模数转换模块710连接，用于控制数字采样信号的输出。
在一个具体应用实施例中，多路选择模块600可以为一个32选1的模拟多路选择器。
在一个实施例中，参见图4所示，所述芯片还包括缓冲模块730，缓冲模块730与多路选择模块600连接，用于对多路选择模块600输出的信号进行缓冲处理。
在一个实施例中，缓冲模块730包括至少一个缓冲器，该缓冲器可以由单位负反馈形式的运算放大器构成，提供高输入阻抗和大负载驱动能力。
结合图2中的具体实施例，芯片900包括16个神经信号输入路径，每条路径输出一个动作电位放大信号VOUT_AP和一个局部场电位放大信号VOUT_LFP两个信号，因此共有32个输出信号。
多路选择模块600为一个32选1的模拟多路选择器，选择输出其中一个信号，传递给缓冲模块730中的缓冲器。
通常在模数转换器(ADC)的采样阶段，前级信号都需要有较强的驱动能力给ADC的电容阵列充电，而一个运放缓冲器的等效输入电容较小，对前级信号驱动能力要求不高，通过多路选择器后设置一个运放缓冲器的设计，有助于降低神经信号放大器中PGA内的放大器设计要求，从而降低PGA内放大器的功耗，进一步降低神经信号测量电路的功耗。
在一个实施例中，模数转换模块710可以为一个12位的逐次逼近模拟数字转换器(SARADC)，由逐次逼近模拟数字转换器进行模数转换。
在一个实施例中，参见图4所示，芯片900还包括接地端口120和多个电荷泄放开关310，多个电荷泄放开关310分别与多个电极端口100以及接地端口120连接，电荷泄放开关310用于在刺激操作完成之后，将电极端口100的残余电荷泄放至接地端口120。
在具体应用中，刺激操作的正、负相电流通常不能完全相等，失配的电流在刺激操作完成后，会导致神经组织出现电荷残余，该残余电荷积累到一定程度，会对神经组织造成损伤，结合图2所示，每一个与电极相连接的端口都有一个正负高压电荷泄放开关在片内与之相连，用以在高压刺激操作完成后，通过电荷泄放开关310将端口的残余电荷泄放到接地端口120(即图2中的端口STIM_GND)。
在一个实施例中，电荷泄放开关310可以通过将两个高压NLDMOS器件的源极和体短接，形成由两个NLDMOS器件的漏端承受高压的开关器件结构。
参加图5所示，SW_EN是开关控制信号，SW_EN为低电平时，STIM_OUT可以输出正、负高压；SW_EN为高时，STIM_OUT端口与STIM_GND短路，STIM_OUT端口电荷被泄放，电压为0。
使用NLDMOS器件M0和M1实现了耐高压的电荷泄放开关电路，可以将STIM_OUT的电荷释放到较低的STIM_GND上。STIM_GND可以是更低的电压，例如负压，也可以是高于0的电压。
在具体应用中，只要器件M0和M1的栅源电压VGS＝IB*R大于阈值电压，即可令开关电路导通。
进一步地，也可以使用PLDMOS器件代替上述的M0和M1，实现类似功能，将一个正负高压节点的电荷，泄放到另一个电位。
在一个实施例中，参见图6所示，恒流刺激模块300包括：电流值译码与电流方向控制单元330和恒流刺激单元340。
电流值译码与电流方向控制单元330用于接收电流值数据和控制信号，对所述电流值数据进行分组译码处理，并根据译码结果和控制信号生成电流值控制信号。
结合图6所示，恒流刺激单元340与所述电流值译码与电流方向控制单元330和所述电极端口ELEC0连接，恒流刺激单元340用于根据所述电流值控制信号以及正电压信号和负电压信号生成所述神经刺激信号至电极端口ELEC0，并通过与该电极端口ELEC0连接的神经信号电极输出。
在一个实施例中，结合图6所示，电流值译码与电流方向控制单元330包括：多个子译码器331和多个电流方向控制子单元332。
多个子译码器331用于接收所述电流值数据，对所述电流值数据进行分组译码处理，生成多组译码信号；多个电流方向控制子单元332分别与多个所述子译码器331连接，用于分别接收多组所述译码信号以及电流控制信号，并根据所述译码信号以及所述电流控制信号生成多个电流值控制信号。
在一个实施例中，子译码器331为温度计译码器。
在具体应用中，8位电流值数据平分为4组，分别输入4个相同的子译码器。
在一个实施例中，子译码器331为温度计译码器，其逻辑真值表如图6中所示，输入2位数据，译码后输出3位数据。
每一个子译码器331的3位数据，与电流方向使能信号(电流流入使能和电流流出使能)共同输入至电流方向控制子单元332。
电流方向控制子单元332中，电流流出使能与3个输入信号做与逻辑后得到3个信号，电流流入使能与3个输入信号做与非逻辑也得到3个信号。电流方向控制子单元输出经逻辑运算后的6位信号，用以开启和关闭对应的恒流刺激单元内的电流镜。
在一个实施例中，结合图2所示，所述芯片还包括：正电压接口VSTMP、负电压接口VSTMN。
正电压接口VSTMP用于为恒流刺激单元提供正电压信号，负电压接口VSTMN用于为恒流刺激单元提供负电压信号。
每一个恒流刺激单元340共有4个恒流刺激子单元，4个恒流刺激子单元的电路结构完全相同，只是内部各器件尺寸和电流值不同，恒流刺激子单元的电路结构如附图9所示。正电压接口VSTMP、负电压接口VSTMN分别是给恒流刺激单元供电的正、负高压，VDD是常压，GND是参考地，STIM_GND是刺激端口残余电荷泄放参考电压，工作时接至GND。
在一个实施例中，参见图9所示，恒流刺激子单元包含两个可编程电流源(可编程电流源P和可编程电流源N)，两个NLDMOS(NLDM1和NLDM2)，两个PLDMOS(PLDM1和PLDM2)。
另一方面，恒流刺激子单元有6位来自前级产生的控制信号输入，分为两组各3位分别输入可编程电流源P和可编程电流源N。端口刺激电流的方向和大小由此6位信号控制。例如，刺激电流由端口输出，则可编程电流源P被打开，并且输出电流大小由3位信号决定，PLDM1和PLDM2工作，同时可编程电流源N关闭，NLDM1和NLDM2没有电流。若刺激电流从端口外流入芯片，则可编程电流源N被打开，并且输入电流大小由3位信号决定，NLDM1和NLDM2工作。同时可编程电流源P关闭，PLDM1和PLDM2没有电流。
恒流刺激子单元中可编程电流源P和可编程电流源N的电路示意图如附图8所示，两者具有相似的对称结构。对于可编程电流源P，电流镜MN1、MN2和MN3复制MN0的电流，SW1_P、SW2_P和SW3_P是前级输入的3个控制信号，分别连接到3个NLDMOS的栅极，可编程电流源P的输出电流，由此3个输入信号控制。
在一个具体应用实施例中，每一个恒流刺激单元340包含4个恒流刺激子单元，编号从1至4，例如图6中的恒流刺激子单元1、恒流刺激子单元2、恒流刺激子单元3、恒流刺激子单元4，其输入、输出的电流精度分别是60uA、240uA、960uA和3840uA。
以恒流刺激子单元1中的可编程电流源N为例，控制信号SW1_N、SW2_N和SW3_N对应的每个PLDMOS在导通时流过60uA电流，则此可编程电流源N最大电流180uA。当刺激模块需要端口流入12600uA电流时，即输入电流值数据为十进制210，2进制11010010，输出4个子译码器的信号从高到低依次为：111、001、000、011，经过电流方向控制模块内的逻辑与非运算，输入进4个恒流刺激子单元中的信号从高到低依次为000、110、111、100.
000输入至恒流刺激子单元4中，其可编程电流源N的3个电流镜全部导通，每个支路电流3840uA，共11520uA；
110输入至恒流刺激子单元3中，SW3_N、SW2_N对应的电流镜断开，SW1_N对应的导通，每个支路电流960uA，共960uA；
111输入至恒流刺激子单元2中，全部3个电流镜断开，每个支路导通时电流240uA，此时电流为0；
100输入至恒流刺激子单元1中，SW3_N对应电流镜断开，SW2_N、SW1_N电流镜打开，每个支路电流60uA，共120uA。
4个可编程电流镜N的输出电流总计：11520+960+0+120＝12600uA，与要求一致。
在恒流刺激模块可以输入、输出大电流的基础上，上述实施例中的恒流刺激单元也可以实现高精度要求。例如，在总电流值一定的情况下，对电流值数据位数的增加，即可以实现对输入、输出电流精度的提高。
在具体应用中，电流值译码与电流方向控制单元中，2输入、3输出的温度计译码器需要4个，即译码结果只有12个信号，远远小于256个。恒流刺激子单元中，使用每3个译码结果控制一个可编程电流源，每3个电流精度在输出端口处共用一对高压器件。可以明显减少对高压器件的使用，由于高压器件面积很大，所以可以有效降低电路面积。同时降低数字和模拟电路的规模，增加电流值数据位数作用明显，因此，本实施例中的结构拥有大电流和高精度的优点。
进一步地，恒流刺激子单元和可编程电流源P、可编程电流源N中的各个电流镜都可以灵活的做倍数镜像，用以降低功耗。同时各电流镜和电流源都可以采用共源共栅结构，提高电流镜复制精度。
另一方面，恒流刺激模块中只有4个恒流刺激子单元中的2个PLDMOS和2个NLDMOS的工作电流会经历3倍的变化。因此只要保证了这4个高压器件的正常工作状态，就可以尽量减少高压器件的使用，从而降低电路面积。恒流刺激子单元中两个电流镜，经历电流变化倍数是3，其电流变化倍数与器件参数匹配，当电流变化倍数太高，电流镜的MOS管很难保持稳定的工作状态，在共源共栅电流镜中更加困难，器件有可能落入线性区。
图10给出一个AC仿真结果的示例，设置AP和LFP信号路径带宽分别为300-10KHz和1KHz，增益分别为2000倍和500倍。图11和图12给出了设置刺激电流为60uA和15.3mA时的端口仿真波形，负载使用一个接地的1KΩ电阻表示。同时，15.3mA正、负刺激电流过后，电荷平衡开关开启，并迅速将端口电压拉到1mV以内。
本申请实施例中的芯片具有高集成度和普适性特点，该芯片高度集成了神经信号测量、神经组织刺激两大功能，在高集成度方面，每个测量路径包含一个固定增益放大器、两条AP和LFP信号分开滤波和可编程放大的路径、放大器快速恢复电路、模数转换电路。每个刺激模块都配备残余电荷泄放开关，在普适性方面，采集电路中的AP和LFP信号路径中包含PGA电路可以控制放大后的信号幅度。进一步地，刺激电路拥有8位控制256个级别的电流输入、输出能力，精度60uA，高达±15.3mA的电流范围，残余电荷泄放开关也使此芯片的应用场景更加广泛。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各步骤的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述各步骤由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
所述各步骤中的功能区的划分可以是或者也可以不是物理上分开的，作为功能区(例如有源区)可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个区域上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种神经信号测量与刺激功能兼容的芯片，其特征在于，包括：
多个电极端口，用于与神经信号电极连接，并通过所述神经信号电极发送神经刺激信号以及采集神经电信号；
参考端口，用于接入参考信号；
多个恒流刺激模块，分别与多个所述电极端口连接，用于接收电流值数据和控制信号，对所述电流值数据进行分组译码处理，生成多个所述神经刺激信号分别发送至多个所述电极端口；
多个固定增益放大模块，分别与多个所述电极端口和所述参考端口连接，用于根据所述参考信号对每个所述电极端口的所述神经电信号进行放大得到神经采样增益信号；
多个动作电位增益放大模块，分别与多个所述固定增益放大模块连接，用于从每路所述神经采样增益信号中过滤出动作电位信号，并对所述动作电位信号进行放大处理得到动作电位放大信号；
多个局部场电位增益放大模块，分别与多个所述固定增益放大模块连接，用于从每路所述神经采样增益信号中过滤出局部场电位信号，并对所述局部场电位信号进行放大处理得到局部场电位放大信号；
多路选择模块，分别与多个所述动作电位增益放大模块以及多个所述局部场电位增益放大模块连接，用于接收多个所述动作电位放大信号和多个所述局部场电位放大信号，并选择其中一个信号输出；
模数转换模块，用于将所述多路选择模块输出的信号进行模数转换处理，生成数字采样信号；
数字控制模块，与所述模数转换模块连接，用于控制所述数字采样信号的输出。
2.如权利要求1所述的神经信号测量与刺激功能兼容的芯片，其特征在于，所述芯片还包括：
缓冲模块，与所述多路选择模块连接，用于对所述多路选择模块输出的信号进行缓冲处理。
3.如权利要求1所述的神经信号测量与刺激功能兼容的芯片，其特征在于，所述动作电位增益放大模块包括：
带通滤波器，与所述固定增益放大模块连接，用于从每路神经采样增益信号过滤出动作电位信号；
动作电位可编程增益放大器，与所述带通滤波器连接，用于对所述动作电位信号进行放大处理得到动作电位放大信号。
4.如权利要求1所述的神经信号测量与刺激功能兼容的芯片，其特征在于，所述局部场电位增益放大模块包括：
低通滤波器，与所述固定增益放大模块连接，用于从每路神经采样增益信号过滤出局部场电位信号；
局部场电位可编程增益放大器，与所述低通滤波器连接，用于对所述局部场电位信号进行放大处理得到局部场电位放大信号。
5.如权利要求4所述的神经信号测量与刺激功能兼容的芯片，其特征在于，所述芯片还包括：
接地端口；
多个电荷泄放开关，分别与多个所述电极端口以及所述接地端口连接，用于在刺激操作完成之后，将所述电极端口的残余电荷泄放至所述接地端口。
6.如权利要求1所述的神经信号测量与刺激功能兼容的芯片，其特征在于，所述恒流刺激模块包括：
电流值译码与电流方向控制单元，用于接收电流值数据和控制信号，对所述电流值数据进行分组译码处理，并根据译码结果和控制信号生成电流值控制信号；
恒流刺激单元，与所述电流值译码与电流方向控制单元和所述电极端口连接，用于根据所述电流值控制信号以及正电压信号和负电压信号生成所述神经刺激信号至所述电极端口，并通过所述神经信号电极输出。
7.如权利要求6所述的神经信号测量与刺激功能兼容的芯片，其特征在于，所述电流值译码与电流方向控制单元包括：
多个子译码器，用于接收所述电流值数据，对所述电流值数据进行分组译码处理，生成多组译码信号；
多个电流方向控制子单元，分别与多个所述子译码器连接，用于分别接收多组所述译码信号以及电流控制信号，并根据所述译码信号以及所述电流控制信号生成多个电流值控制信号。
8.如权利要求6所述的神经信号测量与刺激功能兼容的芯片，其特征在于，所述芯片还包括：
正电压接口，用于为所述恒流刺激单元提供正电压信号；
负电压接口，用于为所述恒流刺激单元提供负电压信号。
9.如权利要求7所述的神经信号测量与刺激功能兼容的芯片，其特征在于，所述子译码器为温度计译码器。
10.一种脑机接口设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的神经信号测量与刺激功能兼容的芯片。
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