CN115054263A - 一种隔离式多通道电标测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隔离式多通道电标测系统，包括细胞主机，用于记录细胞电标测信号；组织器官主机，用于记录组织器官的电标测信号；额外通道主机，用于记录ECG、压力等常见生理信号；PC，所述PC运行的记录软件用于控制细胞主机、组织器官主机和额外通道主机执行采集任务。本发明通过电源隔离，并在SPI中使用电磁隔离实现了模拟电路和数字隔离电路隔离，还设置了高压放电模块、ESD有效的保护了系统本身，通过分压电路扩大了信号采集量程，通过通用连接器实现了多种电极连接，通过设置细胞主机和组织器官主机，针对不同实验需求进行了优化，同时通过设置额外通道主机，专门进行各种附加信号采集，更加适应各种需求。

Description

一种隔离式多通道电标测系统
技术领域
本发明涉及电生理和生物医学工程技术领域，尤其涉及一种隔离式多通道电标测系统。
背景技术
电标测是一种研究电生理学的强大工具，可以进行神经科学和心脏科学的研究。电标测技术同时记录电活动的时间信息和空间信息，可以从细胞、组织、器官各个层面进行研究。与此同时，电标测技术还可以记录分析在体和离体的信号。因此在保证实验安全性的前提下，良好的电信号采集和调控是至关重要的。
电标测系统由市电供电，且电标测系统具有电刺激功能，需要通过电气隔离保证设备使用安全性。电刺激可以有效地调控电信号，是开展研究不可缺少的手段。神经研究和心脏研究虽然都是对电信号的采集，但两者信号的幅值不同、带宽不同，心脏研究通常还需要同时记录ECG和压力等信号。因此要求系统可以调节采集量程、带宽，并且还有记录额外通道信号的能力。
市面上的多数设备通常仅能够满足神经采集研究的要求，无法适应心电幅值较大的信号采集。除此之外没有预留额外通道以同步记录心脏实验时的额外信息。并且市面上设备常常仅做了电源隔离，由于产品中有电刺激功能，需要对电刺激也进行隔离，避免刺激器与实验动物之间由于地电平不同而引起附加刺激，保护实验动物安全。因此，需要提出一种隔离式多通道电标测系统来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种隔离式多通道电标测系统。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种隔离式多通道电标测系统，包括
细胞主机，用于记录细胞电标测信号；
组织器官主机，用于记录组织器官的电标测信号；
额外通道主机，用于记录ECG、压力等常见生理信号；
PC，所述PC运行的记录软件用于控制细胞主机、组织器官主机和额外通道主机执行采集任务，读取并存储采集数据。
所述细胞主机与组织器官主机电性连接，组织器官主机为细胞主机供电，且细胞主机与组织器官主机通过SPI转LVDS进行数据通信；所述额外通道主机和组织器官主机电性连接，进行设备连接识别，且组织器官主机与额外通道主机由时钟信号同步采集信号；所述组织器官主机和额外通道主机分别通过USB线连接至PC。
优选地，所述组织器官主机和额外通道主机分别由独立的12VDC电源供电。
优选地，所述细胞主机包括电极连接器、加热模块和模数转换芯片RHS2116，所述电极连接器电性连接电极，用于细胞电标测信号采集，所述加热模块电性连接温控设备，用于保证细胞在记录过程中环境温度稳定，所述模数转换芯片RHS2116用于将电信号转换为数字信号并输出恒流电刺激。
优选地，所述组织器官主机包括通用连接器、调理电路、模数转换芯片RHS2116、电源隔离模块、FPGA核心板和通讯模块，所述通用连接器电性连接电极，用于组织器官电标测信号采集，所述调理电路包含高压放电模块、ESD防静电和量程切换电路，用于组织器官电信号模数转换前的处理，量程切换电路通过电阻分压实现。所述模数转换芯片RHS2116用于进行组织器官电信号模数转换并输出恒流电刺激，所述电源隔离模块用于隔离12VDC电源，所述FPGA核心板用于处理组织器官主机和细胞主机的数据，将数据缓存至DDR中，所述通讯模块用于连接USB并与PC通信。
优选地，所述额外通道主机包括外部的前置放大盒和内部的采集卡、电源隔离模块、通讯模块，所述前置放大盒用于放大信号，所述采集卡用于采集放大后的电信号，所述电源隔离模块用于用于隔离12VDC电源，所述通讯模块用于连接USB并与PC通信。
本发明具有以下有益效果：
1、通过电源隔离保护了设备使用安全性，通过在SPI中使用电磁隔离实现了模拟电路和数字隔离电路隔离，在调理电路中还设置了高压放电模块、ESD有效的保护了系统本身。
2、通过分压电路扩大了信号采集量程，通过通用电极连接器实现了多种电极连接，通过设置细胞主机和组织器官主机，针对不同实验需求进行了优化。
3.现有设备通常仅能采集电极信号，但ECG、血压等信号在心脏研究中是非常有价值的信息，本系统通过设置额外通道主机，专门进行各种附加信号采集，更加适应各种需求。
4.通过内置加热模块，在长时间的细胞记录过程中能够维持细胞活性，方便开展长时间实验研究。
附图说明
图1为本发明提出的一种隔离式多通道电标测系统的系统框图结构示意图；
图2为本发明提出的细胞主机的系统结构示意图；
图3为本发明提出的组织器官主机的系统结构示意图；
图4为本发明提出的额外通道主机的系统结构示意图。
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。
参照图1-4，一种隔离式多通道电标测系统，包括细胞主机，用于记录细胞电标测信号；
组织器官主机，用于记录组织器官的电标测信号；
额外通道主机，用于记录ECG、压力等常见生理信号；
PC，PC运行的记录软件用于控制细胞主机、组织器官主机和额外通道主机执行采集任务，读取并存储采集数据。
细胞主机与组织器官主机电性连接，组织器官主机为细胞主机供电，且细胞主机与组织器官主机通过SPI转LVDS进行数据通信，并在SPI中使用电磁隔离，实现模拟电路和数字电路隔离；额外通道主机和组织器官主机电性连接，进行设备连接识别，且组织器官主机与额外通道主机由时钟信号同步采集信号；组织器官主机和额外通道主机分别通过USB线连接至PC。
组织器官主机和额外通道主机分别由独立的12VDC电源供电。
细胞主机包括电极连接器、加热模块和模数转换芯片RHS2116，电极连接器电性连接电极，用于细胞电标测信号采集，加热模块电性连接温控设备，用于保证细胞在记录过程中环境温度稳定，模数转换芯片RHS2116用于将细胞电信号转换为数字信号并输出恒流电刺激。
细胞主机可以同时记录64个通道的电信号，每个通道采样率可达30kHz，量程为±5mV，具有刺激输出功能，可以输出10nA至2.55mA的恒流电刺激，带有刺激伪迹消隐功能。
对于细胞主机来说，信号由电极连接器连接的电极采集，通过模数转换芯片RHS2116转换成数字信号，通过SPI转LVDS，经过电磁隔离后传递给组织器官主机内的FPGA核心板。同时RHS2116具有电流刺激输出功能，可以通过电极点直接刺激细胞。
组织器官主机包括通用连接器、调理电路、模数转换芯片RHS2116、电源隔离模块、FPGA核心板和通讯模块，通用连接器电性连接笔式电极、微电极阵列、柔性电极等，用于组织器官电标测信号采集，调理电路包含高压放电模块、ESD防静电和量程切换电路，用于组织器官电信号模数转换前的处理，量程切换电路通过电阻分压实现，模数转换芯片RHS2116用于进行组织器官电信号模数转换并输出恒流电刺激，电源隔离模块用于隔离12VDC电源，保护设备使用安全性，FPGA核心板用于处理组织器官主机和细胞主机的数据，将数据缓存至DDR中，通讯模块用于连接USB并与PC通信。
组织器官主机可以采集128个通道的电信号，量程5mV,50mV两档可切换，每个通道采样率最高30kHz。可以输出10nA至2.55mA的恒流电刺激，带有刺激伪迹消隐功能。
对于组织器官主机来说，通用连接器连接的电极采集电标测信号，信号在进入模数转换芯片RHS2116前先由调理电路处理，量程切换电路通过电阻分压的原理实现，将不同大小的信号缩放至±5mV的范围，从而实现量程切换，信号经过调理电路后，由RHS2116进行信号模数转换，通过SPI经过电磁隔离传递给FPGA核心板，FPGA核心板负责处理组织器官主机和细胞主机的数据，将数据缓存至DDR中，并通过USB与PC通信。
额外通道主机包括外部的前置放大盒和内部的采集卡、电源隔离模块、通讯模块，前置放大盒用于放大信号，采集卡用于采集放大后的电信号，电源隔离模块用于隔离12VDC电源，保护设备使用安全性，通讯模块用于连接USB并与PC通信。
额外通道主机可以采集16个通道的电信号，量程100mV～10V多档可调，每个通道采样率最高30kHz,可以接收外部时钟信号进行同步采集。
市面上常见设备通常仅做了电源隔离，仍存在风险，本系统通过电源隔离保护设备使用安全性，通过在SPI中使用电磁隔离实现了模拟电路和数字隔离电路隔离。在调理电路中还设置了高压放电模块、ESD有效的保护了系统本身。
市面上设备通常只能进行神经研究，心脏信号幅值较大，超出了市面设备的采集量程。并且由于能连接的电极种类有限，无法进行组织器官层面的研究。本系统通过分压电路扩大了信号采集量程，通过通用电极连接器实现了多种电极连接。通过设置细胞主机和组织器官主机，针对不同实验需求进行了优化。
现有设备通常仅能采集电极信号，但ECG、血压等信号在心脏研究中是非常有价值的信息，本系统通过设置额外通道主机，专门进行各种附加信号采集，更加适应各种需求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种隔离式多通道电标测系统，其特征在于，包括：
细胞主机，用于记录细胞电标测信号；
组织器官主机，用于记录组织器官的电标测信号；
额外通道主机，用于记录ECG、压力生理信号；
PC，所述PC运行的记录软件用于控制细胞主机、组织器官主机和额外通道主机执行采集任务，读取并存储采集数据。
所述细胞主机与组织器官主机电性连接，组织器官主机为细胞主机供电，且细胞主机与组织器官主机通过SPI转LVDS进行数据通信；所述额外通道主机和组织器官主机电性连接，进行设备连接识别，且组织器官主机与额外通道主机由时钟信号同步采集信号；所述组织器官主机和额外通道主机分别通过USB线连接至PC。
2.根据权利要求1所述的一种隔离式多通道电标测系统，其特征在于，所述组织器官主机和额外通道主机分别由独立的12V DC电源供电。
3.根据权利要求1所述的一种隔离式多通道电标测系统，其特征在于，所述细胞主机包括电极连接器、加热模块和模数转换芯片RHS2116，所述电极连接器电性连接电极，用于细胞电标测信号采集，所述加热模块电性连接温控设备，用于保证细胞在记录过程中环境温度稳定，所述模数转换芯片RHS2116用于将细胞电信号转换为数字信号并输出恒流电刺激。
4.根据权利要求1所述的一种隔离式多通道电标测系统，其特征在于，所述组织器官主机包括通用连接器、调理电路、模数转换芯片RHS2116、电源隔离模块、FPGA核心板和通讯模块，所述通用连接器电性连接电极，用于组织器官电标测信号采集，所述调理电路包含高压放电模块、ESD防静电和量程切换电路，用于组织器官电信号模数转换前的处理，量程切换电路通过电阻分压实现，所述模数转换芯片RHS2116用于进行组织器官电信号模数转换并输出恒流电刺激，所述电源隔离模块用于隔离12V DC电源，所述FPGA核心板用于处理组织器官主机和细胞主机的数据，将数据缓存至DDR中，所述通讯模块用于连接USB并与PC通信。
5.根据权利要求1所述的一种隔离式多通道电标测系统，其特征在于，所述额外通道主机包括外部的前置放大盒和内部的采集卡、电源隔离模块、通讯模块，所述前置放大盒用于放大信号，所述采集卡用于采集放大后的电信号，所述电源隔离模块用于隔离12V DC电源，所述通讯模块用于连接USB并与PC通信。
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