CN114403885B - 一种双向信号传输的神经接口电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向信号传输的神经接口电路，包括：至少一个电极，所述电极用于采集神经信号，还用于接收激励信号。在本发明中，神经接口电路可双向传输信号，一方面，可通过电极采集神经信号，另一方面可通过电极接收激励信号，通过激励信号可以达到研究或干预治疗的目的。

Description

一种双向信号传输的神经接口电路

技术领域

本发明涉及接口电路领域，具体涉及一种双向信号传输的神经接口电路。

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，传统神经电极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。然而在医学应用领域，不仅有对输出的神经信号进行研究分析的需求，在未来应同样存在输入刺激信号研究及干预治疗的需求，针对这一预期应用，本领域需要发明一种可支持神经电极信号输出和激励输入的双向信号传输的接口电路。

发明内容

本发明涉及一种双向信号传输的神经接口电路，至少可解决现有技术的部分缺陷。

本发明的技术方案是这样实现的：提供一种双向信号传输的神经接口电路，包括：至少一个电极，所述电极用于采集神经信号，还用于接收激励信号。

作为可选的实施例之一，包括至少一个采集输入通道和至少一个激励输出通道，所述采集输入通道和所述激励输出通道复用同一个所述电极。

作为可选的实施例之一，所述采集输入通道包括第一选通开关，所述第一选通开关与控制模块连接，通过控制模块控制第一选通开关的闭合或断开。

作为可选的实施例之一，所述采集输入通道还包括滤波器和放大器，所述电极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第一选通开关的输入端连接。

作为可选的实施例之一，所述神经接口电路还包括运算放大器，所述采集输入通道的输出端与所述运算放大器的同向输入端连接。

作为可选的实施例之一，所述神经接口电路还包括采样电容，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。

作为可选的实施例之一，所述运算放大器的输出端与AD转换单元连接。

作为可选的实施例之一，所述激励输出通道包括第二选通开关，所述第二选通开关与控制模块连接，通过控制模块控制第二选通开关的闭合或断开。

作为可选的实施例之一，所述激励输出通道上还设有增益缩放及滤波去噪处理电路。

作为可选的实施例之一，当所述电极的数目为多个时，部分所述电极用于采集神经信号，部分所述电极用于接收激励信号。

本发明至少具有如下有益效果：本发明提供一种双向信号传输的神经接口电路，包括：至少一个电极，所述电极用于采集神经信号，还用于接收激励信号。在本发明中，神经接口电路可双向传输信号，可通过电极采集神经信号，也电极也可接收激励信号，通过激励信号可以达到研究或干预治疗的目的。

进一步地，本发明设置多个采集输入通道和多个激励输出通道，多个采集输入通道的输入端分别与多个电极一一对应连接，各个采集输入通道上串联有第一选通开关，多个激励输出通道与多个采集输入通道一一对应，多个激励输出通道的输出端分别与多个电极一一对应连接，各激励输出通道的输入端与外部刺激源连接，各个激励输出通道上串联有第二选通开关，所述第一选通开关、第二选通开关与控制模块连接，通过控制模块控制第一选通开关、第二选通开关的闭合或断开。采用上述方案，通过控制第一选通开关的导通，即可进行神经电信号采集，通过控制第二选通开关的导通，即可进行激励输入，本发明支持前端电极可采样放大输出的同时，当断开该输出通道时，该电极可选择接收外部刺激信号，外部刺激信号可通过增益缩放输入幅值合适的信号，同时对信号进行滤波去噪处理。

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为本发明一种实施例提供的可支持神经电极信号输出和激励输入的双向信号传输的接口电路的示意图；

图2为本发明一种实施例提供的单个多通道采样单元的示意图；

图3为本发明一种实施例提供的输出单元的示意图。

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

本实施例提供一种双向信号传输的神经接口电路，包括：至少一个电极，所述电极用于采集神经信号，还用于接收激励信号。其中，电极为神经接口电路上的电极焊点，该电极焊点与植入到神经细胞中的电极点相连，以获取电极点所采集到的神经信号，还用于向电极点输出刺激信号，以刺激神经细胞。

在可选的实施例中，所述神经接口电路包括至少一个采集输入通道和至少一个激励输出通道，所述采集输入通道和所述激励输出通道复用同一个所述电极。其中，所述采集输入通道用于将电极所采集到的信号传输到后端电路，所述激励输出通道用于接收激励信号，并将激励信号传输给电极。

在一具体应用场景下，所述神经接口电路包括至少一个采样单元，每个所述采样单元包括至少一个采集输入通道和至少一个激励输出通道。

在本实施例中，所述采集输入通道包括第一选通开关，所述第一选通开关与控制模块连接，通过控制模块控制第一选通开关的闭合或断开，以选择性导通该采集输入通道。

进一步地，所述采集输入通道还包括滤波器和放大器，所述电极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第一选通开关的输入端连接。

所述神经接口电路还包括运算放大器，所述采集输入通道的输出端与所述运算放大器的同向输入端连接。所述神经接口电路还包括采样电容，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。

在实际应用场景下，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为数字信号。

所述激励输出通道包括第二选通开关，所述第二选通开关与控制模块连接，通过控制模块控制第二选通开关的闭合或断开，以选择性导通该激励输出通道。

在可选的实施例中，所述激励输出通道上还设有增益缩放及滤波去噪处理电路，以对激励信号进行放大或缩小处理，还对激励信号进行滤波和去噪处理。

在前述实施例中，同一个电极同时具有采集功能和激励输出功能，该电极分时工作以实现前述两种功能。

在可选的实施例中，当所述电极的数目为多个时，部分所述电极用于采集神经信号，部分所述电极用于接收激励信号，即，同一个电极只具有采集功能或激励输出功能。具体地，当某一个电极用于采集神经信号时，该电极与采集输入通道相连，当某一个电极用于接收激励信号时，该电极与激励输出通道相连。

实施例二

参见图1～图3所示，本发明公开了一种双向信号传输的神经接口电路，包括控制模块、至少一个采样单元和输出单元，所述采样单元与控制模块连接，所述采样单元包括至少一个采集输入通道和至少一个激励输出通道，该采样单元的多个输入端(即多个采集输入通道的输入端)分别与多个电极一一对应连接，各个采集输入通道上串联有第一选通开关，多个激励输出通道与多个采集输入通道一一对应，多个激励输出通道的输出端分别与多个电极一一对应连接，各激励输出通道的输入端与外部刺激源连接，各个激励输出通道上串联有第二选通开关，所述第一选通开关、第二选通开关与控制模块连接，通过控制模块控制第一选通开关、第二选通开关的闭合或断开。

本发明的控制模块用于进行数据处理及输出控制。本发明的控制模块可以采用MCU，当然不仅仅限于MCU。本发明的第一选通开关、第二选通开关均可以采用多路选择开关MUX，当然，也可以采用继电器等等。

作为实施方式之一，针对几千到几万个神经电极的大阵列，m个采样单元层叠设置，每个采样单元连接n个电极，电极总数为m*n。单个的采样单元的电路如图2所示，假如设计神经电极单点采样频率为20K Hz，每个采样单元的n个电极采到神经电信号后进行滤波并放大，每个采样单元的第一选通开关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，这就是一个多通道采样单元的采样过程。本发明采用上述采样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。

作为实施方式之一，所述神经接口电路包括采样电容，所述采集输入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。

作为实施方式之一，所述神经接口电路还包括运算放大器，所述采集输入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；运算放大器的反向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转换模块连接。本发明的采样电路不仅仅限于上述实施例，所有满足本发明采样要求的采样电路均可以用于本发明。

进一步地，各个采集输入通道上还设有第一信号处理单元，每个采集输入通道的第一信号处理单元、选通开关串联。本实施例的第一信号处理单元位于选通开关前面。当然，也可以将第一信号处理单元放置到选通开关后面。

进一步地，所述第一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。

进一步地，各个激励输出通道上还设有第二信号处理单元，每个激励输出通道的第二信号处理单元与第二选通开关串联。

进一步地，所述第二信号处理单元包括增益缩放及滤波去噪处理电路。本发明的增益缩放及滤波去噪处理电路可以采用现有的刺激信号处理电路，在此不再赘述。

实施例三

相比实施例二中每个采样单元的各个采集输入通道上均串联有第一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第一信号处理单元，具体方案可以是：

每个采样单元还包括一个第一信号处理单元，该第一信号处理单元位于采集输入通道的输出端与采样电路之间，该第一信号处理单元与采样电路串联。本实施例的其他技术特征与实施例一相同。

实施例四

本实施例的各个采样单元的输出端与控制模块之间设有输出单元，输出单元的结构如图3所示，所述输出单元包括并串转换模块以及多个采样输出通道，多个采样输出通道的输入端与多个采样单元的输出端一一对应连接，多个采样输出通道的输出端与并串转换模块的输入端连接，所述并串转换模块的输出端与控制模块连接，各个采样输出通道上串联有第三选通开关，所述第三选通开关与控制模块连接，通过控制模块控制第三选通开关的闭合或断开。

本发明的第三选通开关可以采用多路选择开关MUX，当然，也可以采用继电器等等。

作为实施方式之一，多个采集输入通道的输出端与AD转换模块的多个输入端一一对应连接，所述AD转换模块的多个输出端与多个采样输出通道的输入端一一对应连接。

本发明针对几千到几万个神经电极的大阵列，可将电路分成m个采样单元为m个，每个采样单元包括n个电极，每个采样单元的采集输入通道为n个，电极总数＝m*n，采样时，m*n个电极采集神经电信号，控制每个采样单元的选通开关S1～Sn依次选通，通过采集输入通道进行采样，并将采样得到的信号通过AD转换得到最后的数字数据；m个采样单元同时工作，输出m个数据；通过控制各个采样输出通道的第三选通开关的通断状态，实现各个数据可选可切换输出，并通过并串转换模块将输出数据进行并串转换，这样既可以实现数据数输出速率降低，同时降低了整体功耗。

本发明的可支持神经电极信号输入和激励输出的双向信号传输的接口电路，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。在支持前端电极可采样放大输出的同时，当断开输出时，支持单点电极可选择接收外部刺激信号，外部刺激信号可通过增益缩放输入幅值合适的信号，同时对信号进行滤波去噪处理。

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 (3)

1.一种双向信号传输的神经接口电路，其特征在于，包括：

多个电极，所述电极用于采集神经信号，还用于接收激励信号；

多个采样单元，每个采样单元包括多个采集输入通道和多个激励输出通道，多个激励输出通道与多个采集输入通道一一对应，对应的采集输入通道和激励输出通道复用同一个所述电极，所述采集输入通道包括第一选通开关，所述第一选通开关与控制模块连接，所述控制模块用于控制第一选通开关的闭合或断开，以选择性导通该采集输入通道；所述激励输出通道包括第二选通开关，所述第二选通开关与控制模块连接，所述控制模块用于控制第二选通开关的闭合或断开，以选择性导通该激励输出通道；

各个采集输入通道上还设有第一信号处理单元，所述第一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；所述激励输出通道上还设有增益缩放及滤波去噪处理电路；

运算放大器，所述采集输入通道的输出端与所述运算放大器的同向输入端连接，运算放大器的反向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；

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；

输出单元，所述输出单元包括并串转换模块以及多个采样输出通道，多个采样输出通道的输入端与多个采样单元的输出端一一对应连接，多个采样输出通道的输出端与并串转换模块的输入端连接，所述并串转换模块的输出端与控制模块连接，各个采样输出通道上串联有第三选通开关，所述第三选通开关与控制模块连接，所述控制模块用于控制第三选通开关的闭合或断开；

m个采样单元层叠设置，每个采样单元连接n个电极，电极总数为，采样时，个电极采集神经电信号，控制每个采样单元的第一选通开关S1~Sn依次选通，通过采集输入通道进行采样，并将采样得到的信号通过AD转换得到最后的数字数据；m个采样单元同时工作，输出m个数据；通过控制各个采样输出通道的第三选通开关的通断状态，实现各个数据可选可切换输出，并通过并串转换模块将输出数据进行并串转换。

2.如权利要求1所述的神经接口电路，其特征在于，每个采集输入通道的第一信号处理单元、第一选通开关串联。

3.如权利要求1所述的神经接口电路，其特征在于，部分所述电极用于采集神经信号，部分所述电极用于接收激励信号。