CN114403884A - 一种用于神经接口的信号采集电路及信号采集方法 - Google Patents

一种用于神经接口的信号采集电路及信号采集方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于神经接口的信号采集电路及信号采集方法，该信号采集电路包括至少一个采样单元，所述采样单元包括至少一个采样通道，所述采样通道包括开关，所述开关选择性导通，以使所述采样通道获取相应的神经信号。在本实施例中，采样通道被选择性导通，可以根据需要控制采样速度，避免采样速度过高，可以用于几千到几万个神经电极的大阵列。

Description

一种用于神经接口的信号采集电路及信号采集方法
技术领域
本发明涉及大阵列神经接口电路，具体涉及一种用于神经接口的信号采集电路及信号采集方法。
背景技术
通过微电极可记录动作电位，大多数用于长期神经记录的设备是由刚性金属或半导体制成的微电极阵列，由于动作电位幅度小，一般在uV级别，传统神经接口读出电路多采用先进行前级放大到mV级别，然后通过ADC采样读出。对于传统电极个数较少的神经接口电路，可以直接放大后采样并进行AD转换。对于大阵列神经接口电路，由于电极个数多，单电极的采样率要达到约20K Hz，当应用于几万点的电极阵列时，普通的ADC需通过对放大后的信号进行逐点切换采样并转换，这造成采样速度过高，设计难度大且容易信号失真。
发明内容
本发明涉及一种用于神经接口的信号采集电路及方法，至少可解决现有技术的部分缺陷。
为解决前述问题，本发明提供一种技术方案：本发明提供了一种用于神经接口的信号采集电路，包括多个采样单元，每个采样单元包括信号采集电路以及多个采样通道，各个采样通道上串联有开关，多个采样通道的输入端分别与多个电极一一对应连接，各个采样单元的多个采样通道的输出端均与该个采样单元的信号采集电路的输入端连接。
进一步地，各个采样单元的信号采集电路的输出端与AD转换单元连接。
进一步地，所述信号采集电路包括采样电容，所述采样通道的输出端与采样电容的一端连接，采样电容的另一端接地。
进一步地，所述信号采集电路还包括运算放大器，所述采样通道的输出端分别与采样电容的一端以及运算放大器的同相输入端连接；运算放大器的反相输入端与运算放大器的输出端连接；所述运算放大器的输出端与AD转换单元连接。
进一步地，所述开关与控制单元连接，通过控制单元控制开关的闭合或断开。
进一步地，各个采样通道上还串联有信号处理单元，每个采样通道的信号处理单元、开关串联。
进一步地，每个采样单元还包括一个信号处理单元，该信号处理单元位于采样通道的输出端与信号采集电路之间，该信号处理单元与信号采集电路串联。
进一步地，所述信号处理单元包括滤波电路和放大电路，滤波电路与放大电路串联。
为解决前述问题，本发明提供另一种技术方案：提供一种用于神经接口的信号采集方法，采用了本发明的用于神经接口的信号采集电路，其中，采样单元为m个，每个采样单元的采样通道为n个，电极总数为m*n；
采样方法包括如下步骤：
m*n个电极采集神经信号；
控制每个采样单元的开关S1~Sn依次选通，通过信号采集电路进行采样，并将采样得到的信号通过AD转换得到最后的数字数据；
m个采样单元同时工作，得到全阵列电极的数字数据。
进一步地，通过数字处理将m个数据进行并串转换，输出全部电极的数字数据；信号采集电路进行采样前需要将各电极采集到的神经信号进行信号处理。
本发明至少具有如下有益效果：本发明提供了一种用于神经接口的信号采集电路，包括至少一个采样通道，所述采样通道包括开关，所述开关选择性导通，以使所述采样通道获取相应的神经信号，采样通道被选择性导通，可以根据需要控制采样速度，避免采样速度过高，可以用于几千到几万个神经电极的大阵列。
进一步地，信号采集电路控制每个采样单元的开关S1~Sn依次选通，通过采集通道进行采样，并将采样得到的信号通过AD转换得到最后的数字数据；多个采样单元同时工作，得到全阵列电极的数字数据，上述方案解决了传统方案应用于几万点的电极阵列时造成采样速度过高，设计难度大且容易信号失真的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种用于神经接口的信号采集电路的原理示意图。
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。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。
实施例一：
本实施例提供一种用于神经接口的信号采集电路，包括至少一个采样单元，所述采样单元包括至少一个采样通道，所述采样通道包括开关，所述开关选择性导通，以使所述采样通道获取相应的神经信号。其中，每一个采样通道设置有一个开关，当开关导通时，该采样通道的链路导通，可以获取到该采样通道所对应的电极触点所采集的神经信号；当开关断开时，该采样通道的链路也随之断开，无法获取到该采样通道所对应的电极触点所采集的神经信号。
具体地，所述采样通道包括接触焊点、滤波器和放大器，所述接触焊点与所述滤波器的输入端连接，所述滤波器的输出端与所述放大器的输入端连接，所述放大器的输出端与所述开关的输入端连接。所述接触焊点用于与电极上的电极触点连接。其中，电极被植入到神经细胞中，电极上的电极触点用于采集神经信号。
在本实施例中，所述采样单元还包括运算放大器，所述采样通道的输出端与所述运算放大器的同向输入端连接。所述采样单元还包括采样电容，所述采样电容的一端接地，另一端与所述运算放大器的同向输入端相连。
进一步地，所述运算放大器的输出端与AD转换单元连接。所述AD转换单元用于将模拟信号转换成数字信号。
在本实施例中，所述开关的控制端与控制单元连接，通过控制单元控制开关的闭合或断开。其中，控制单元可以设置在信号采集电路中，也可以设置在与所述信号采集电路连接的其他电路中。
在优选的实施例中，所述采样单元的数目为多个，多个所述采样单元层叠设置。具体地，采样单元设置在微针体上，多个微针体层叠设置，即，微针体作为承载载体，将多个所述采样单元层叠设置在一起，形成大阵列的神经接口电路，用于采集几千到几万个神经信号。
在可选的实施例中，所述信号采集电路包括m个所述采样单元，所述采样单元包括n个采样通道，电极点总数为m*n，每个采样通道包括一个开关，即，每个采样单元包括n个开关（S1~Sn）；前述信号采集电路的信号采集方法包括如下步骤：通过m*n个电极点采集神经信号，在采集到神经信号后，对电极点所采集到的的神经信号进行滤波和放大；控制每个采样单元的开关S1~Sn依次选通，以使所述采样通道获取相应的神经信号，对采集通道输出的神经信号进行数模转换。
实施例二：
如图1所示，针对大阵列神经接口电路，本发明实施例提供一种用于神经接口的信号采集电路，可用于但不仅限于包括脑神经、视觉神经和运动神经等领域。本发明的用于神经接口的信号采集电路包括至少一个采样单元，针对几千到几万个神经电极的大阵列，本发明设置m个采样单元，每个采样单元包括n采样通道，每个采样通道连接n个电极，电极总数为m*n，每个电极上设置有至少一个电极触点，电极触点与采样通道的接触焊点一一对应连接，每个采样单元包括至少一个采样通道，各个采样通道上串联有开关，多个采样通道的输入端分别与多个电极一一对应连接，各个采样单元的采样通道的输出端与AD转换单元连接。
本发明的用于神经接口的信号采集电路可以只采用一个AD转换单元，各个采样单元的输出端分别与该AD转换单元的多输入通道连接，该AD转换单元输出m个数据。
进一步地，所述信号采集电路包括采样电容，所述采样通道的输出端与采样电容的一端连接，采样电容的另一端接地。
进一步地，所述信号采集电路还包括运算放大器，所述采样通道的输出端分别与采样电容的一端以及运算放大器的同相输入端连接；运算放大器的反相输入端与运算放大器的输出端连接；所述运算放大器的输出端与AD转换单元连接。本发明的信号采集电路不仅仅限于上述实施例，所有满足本发明采样要求的信号采集电路均可以用于本发明。
进一步地，所述开关与控制单元连接，通过控制单元控制开关的闭合或断开。本发明的开关可以采用多路选择开关MUX，当然，也可以是继电器等等。本发明的控制单元可以为MCU。
进一步地，各个采样通道上还串联有信号处理单元，每个采样通道的信号处理单元与开关串联。本实施例的信号处理单元位于开关前面。当然，也可以将信号处理单元放置到开关后面。
进一步地，所述信号处理单元包括滤波电路和放大电路，滤波电路与放大电路串联。本实施例的滤波电路位于放大电路前面。当然，也可以将滤波电路放置到放大电路后面。
实施例三：
相比实施例一中每个采样单元的各个采样通道上均串联有信号处理单元的方案，本实施例的每个采样单元只设置一个信号处理单元，具体方案可以是：
每个采样单元还包括一个信号处理单元，该信号处理单元位于采样通道的输出端与信号采集电路之间，该信号处理单元与信号采集电路串联。本实施例的其他技术特征与实施例一相同。
实施例四：
本发明实施例公开了一种用于神经接口的信号采集方法，采用了如上所述的用于神经接口的信号采集电路，其中，采样单元为m个，参见图1，每个采样单元的采样通道为n个，电极总数为m*n；
采样方法包括如下步骤：
m*n个电极采集神经信号；
控制每个采样单元的开关S1~Sn依次选通，通过采样通道进行采样，并将采样得到的信号通过AD转换得到最后的数字数据；
m个采样单元分时工作或同时工作，得到全阵列电极的数字数据。
进一步地，通过数字处理将m个数据进行并串转换，输出全部电极的数字数据。
进一步地，将各电极采集到的神经信号进行滤波、放大处理。
假如设计神经电极单点采样频率为20K Hz，n个电极采到神经信号后进行滤波并放大，开关S1~Sn依次选通进行采样，采样频率为20KHz，采样得到的信号通过AD转换得到最后的数字数据，这就是一个处理电路的转换过程。
m个采样单元同时重复工作，可以得到全阵列电极的数字数据。通过数字处理将m个数据进行并串转换，可以输出全部电极的数字数据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于神经接口的信号采集电路，其特征在于，包括至少一个采样单元，所述采样单元包括至少一个采样通道，所述采样通道包括开关，所述开关选择性导通，以使所述采样通道获取相应的神经信号。
2.如权利要求1所述的信号采集电路，其特征在于，所述采样通道包括接触焊点、滤波器和放大器，所述接触焊点与所述滤波器的输入端连接，所述滤波器的输出端与所述放大器的输入端连接，所述放大器的输出端与所述开关的输入端连接。
3.如权利要求1所述的信号采集电路，其特征在于，所述采样单元还包括运算放大器，所述采样通道的输出端与所述运算放大器的同向输入端连接。
4.如权利要求3所述的信号采集电路，其特征在于，所述采样单元还包括采样电容，所述采样电容的一端接地，另一端与所述运算放大器的同向输入端相连。
5.如权利要求4所述的信号采集电路，其特征在于，所述运算放大器的输出端与AD转换单元连接。
6.如权利要求1所述的信号采集电路，其特征在于，所述开关的控制端与控制单元连接，通过控制单元控制开关的闭合或断开。
7.如权利要求1~6任一项所述的信号采集电路，其特征在于，所述采样单元的数目为多个，多个所述采样单元层叠设置。
8.一种用于神经接口的信号采集方法，其特征在于，所述采集方法应用于如权利要求1至7任一所述的信号采集电路，其中，所述信号采集电路包括m个所述采样单元，所述采样单元包括n个采样通道，电极点总数为m*n；
信号采集方法包括如下步骤：
通过m*n个电极点采集神经信号；
控制每个采样单元的开关S1~Sn依次选通，以使所述采样通道获取相应的神经信号。
9.如权利要求8所述的信号采集方法，其特征在于，所述信号采集方法还包括：
对电极点所采集到的的神经信号进行滤波和放大。
10.如权利要求8所述的信号采集方法，其特征在于，所述信号采集方法还包括：
对采集通道输出的神经信号进行数模转换。
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