CN201150714Y

CN201150714Y - 神经信号处理及传输系统

Info

Publication number: CN201150714Y
Application number: CNU2007200998649U
Authority: CN
Inventors: 李醒飞; 钟莹; 李洪宇; 王盼; 韩雪; 孙斐
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2017-10-10

Abstract

本实用新型涉及一种神经信号处理及传输系统，属于微电子技术领域。本发明提供了一种可以对采集到的神经信号进行模拟和数字双重处理的神经信号处理系统，系统包括：神经信号调理电路、信号数字化处理电路、神经刺激电路和信号传输电路；神经信号经由神经微电极阵列采集之后，在DSP主控制下依次经过神经信号调理电路、信号数字化处理电路和信号传输电路，传输至上位机；而神经刺激电路将信号数字化处理电路产生的数字信号转换为相应的模拟刺激信号并将其加在神经微电极阵列上对神经细胞进行刺激。本发明解决了在进行人体信号检测时遇到的信号微弱，工频和极化电压干扰强大等难题，并实现了神经信号的数字化处理及存储，有利于神经学研究和分析。

Description

神经信号处理及传输系统

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种神经信号处理及传输系统。

背景技术

在现代医学的研究与应用中，运用神经微电极进行电刺激的方法正被用于治疗小儿麻痹症、帕金森综合症、失明、耳聋和癫痫病等顽固性疾病。特别是随着近年来康复医学工程的迅速发展，人们开始尝试使用神经信号作为假肢装置的控制信息源。因此针对此种需求设计的神经信号处理与传输系统，不仅要能够获取真实的神经信号作为临床诊断的依据，还要具有高速的数据处理和传输能力。本发明正是有缘神经微电极的后续信号处理系统。在现有技术文献“周海峰、赵春宇、陈大越，一种神经信号调理电路的设计，电子技术应用，2005年第二期：24-26”中记载了一种神经信号调理电路，但是它的带通选频网络采用RC无源网络，它的缺点在于电阻在消耗噪声能量的同时也消耗了本来就很微弱的神经信号的能量，给所采集的神经信号质量带来影响。同时当前的神经信号处理系统只是单纯模拟信号的提取，这样并不利于信号的存储和分析，而且不能监测刺激下神经信号的变化，从而缺少实用价值。我们的设计使用了压控压源低通滤波器和压控压源高通滤波器组成的带通选频网络，并对调理之后的神经信号进行了模数转换，传输到DSP进行进一步的处理处理后，通过USB存储在PC内，便于进行进一步的分析和利用。

发明内容

本发明针对现有技术中神经信号处理系统只是单纯模拟信号处理，不利于信号的存储和分析的不足，提供了一种可以对采集到的神经信号进行模拟和数字双重处理且效果可调的神经信号处理，一种可以把采集到的神经信号传输到PC进行存储和分析的神经信号传输系统；本发明的另外一个目的还在于提供了一种对神经细胞进行刺激下的神经反应信号的采集和传输系统。同时，本发明还为有源神经微电极提供了电源供应，模式和探针选择信号。

神经信号处理及传输系统，包括：神经信号调理电路、信号数字化处理电路、神经刺激电路和信号传输电路。其中，神经信号经由神经微电极阵列采集之后，在DSP主控制下依次经过神经信号调理电路、信号数字化处理电路，信号传输电路，传输至上位机；而神经刺激电路将信号数字化处理电路产生的数字信号转换为相应的模拟刺激信号并将其加在神经微电极阵列上对神经细胞进行刺激。

上述神经信号调理电路包括：前置放大电路和中间级处理电路；上述前置放大电路依次包括输入缓冲、低通滤波和仪用放大三个部分；中级级处理电路依次包括带通选频网络、二级放大电路、50Hz陷波器和增益调节电路。

上述信号数字化处理电路包括：A/D转换和DSP数字处理，进一步消除误差并实现数字化。

上述神经刺激电路包括：D/A转换电路和V/I转换电路。

上述信号传输电路所用控制器通过用户界面和USB固件编程使得系统具有对有缘微电极模式控制和探针选择的作用。

如图1所示，神经信号经有源微电极提取后，经由神经信号调理电路进行一系列的除噪和放大，接着被转换为数字信号传输至DSP接受数字模式下的进一步处理，最后由DSP控制通过USB接口传输到PC机进行存储和显示。另外DSP还可提供神经刺激信号对神经细胞进行刺激，以提取刺激下的神经反应信号。

本发明相对于现有技术，有如下优点：

(1)在信号提取过程中，系统具有输入阻抗高，共模抑制比大，不同频率段相移相差小，高倍放大，结构简单，稳定可靠，增益可调等特点，解决了在进行人体信号检测时遇到的信号微弱，工频和极化电压干扰强大等难题。

(2)同时可以根据所建的神经信号数据库，模拟产生频率可调的神经刺激信号，提供给有源神经微电极，分别对不同区域进行电刺激，来采集神经在刺激下的神经信号，从而为神经性疾病诊断提供一定的依据，并能将采集到的神经信号数据通过USB口传送到上位机，实现在用户程序界面的数据显示。同时，有源微电极工作模式选择和探针的选择可以完全在用户界面上实现。

附图说明

图1神经信号采集及传输系统框图；

图2神经信号调理电路的系统原理框图；

图3前置放大电路原理图；

图4带通选频网络原理图；

图5刺激电流波形；

图6神经刺激电路结构示意图；

图7V/I转换电路原理图；

图8信号数字化处理电路框图；

图9DSP系统工作流程图；

图10DSP与USB连接示意图；

图11USB固件工作流程图；

图12用户程序界面。

具体实施方式

(1)神经信号调理电路

神经采集模式下，神经微电极将神经信号从人体提取出来，而神经信号调理电路则主要是对神经信号进行去噪、放大等处理。

图2所示是神经信号调理电路的系统原理框图。当系统选择神经采集模式时，由DSP数字控制电路发出信号采集的命令，各部分电路均开始工作。系统通过微电极提取到神经信号，通过信号线送入前置放大器进行初步放大，并在对各种干扰信号进行一定抑制后送入带通滤波器，以滤除神经信号频率范围以外的干扰信号。二级放大器再将滤波后的信号进一步放大，经50Hz陷波器滤除工频干扰后由增益调节放大到合适范围，最后经A/D变换后进行数据存储和运算，输出并记录。

前置放大电路结构如图3所示，其设计主要针对神经信号共模干扰强，输出阻抗高等特点，由三部分组成：输入缓冲、高频滤波和差动仪用放大器，具有很高的共模抑制比，并且输入阻抗理论上可为无穷大，有效的减小了信号源高内阻的影响。差动仪用放大器选用AD公司的AD8221，以进一步削弱共模干扰信号。

中间级放大电路由带通选频网络，二级放大电路，50Hz陷波器和增益调节电路组成。针对原选频网络消耗信号能量的缺点，本设计的选频网络改为由二阶低通和二阶高通滤波电路组成，如图4所示。其中通带的最大范围设定为0.05kHz～10kHz，这就要求低通滤波截止频率为10kHz，高通滤波截止频率为0.05kHz。二级放大网络和增益调节电路结构相似，选用电压串联负反馈结构，放大器选用AD公司的op27。50HZ陷波器选用经典的双T馅波网络。

(2)神经刺激电路

由生物电信号的电学特性可知，对神经细胞进行电刺激就是要产生0-100微安的电流。并且在进行电刺激的同时，还要确保电荷平衡，否则随着电荷的积累，将导致细胞击穿，造成生命危险。因此对刺激信号有如下的要求：

A、正负周期的面积相等，幅值不同。即在一个刺激周期内保持电荷守恒，且强度可调。

B、T和T′的比例可调。即频率可调

C、T可调

对刺激信号的波形要求如图5所示。

刺激过后再由采集电路对细胞反映状态进行采集，将采集到的信号与未刺激时的信号相比较，即可得出神经元细胞的工作情况。

图6所示是神经信号刺激电路的系统原理框图。当选择神经刺激模式时，由DSP数字控制电路发出刺激命令，神经刺激电路将DSP产生的数字信号经过D/A，V/I转换为刺激脉冲电流信号，通过屏蔽电缆送到32测点电极阵列某一测点进行采集或刺激。

本发明所用D/A转换芯片为AD669，其片选信号端与DSP的XF管脚相连。在刺激模式下，DSP置低XF端，是D/A转换芯片工作，从而产生刺激信号。

为了将产生的电压信号转换为合适的电流信号必须设计精确V/I转换电路。它不仅要求输出的电流与输入的电压具有线形关系，而且要求输出电流随负载电阻变化所引起的变化量不超过允许值，即转换器具有恒流性能。所设计的V/I转换电路如图7所示：

放大器两输入端的电压分别是e₁和e₂，由于流入负载的电流与流经R_s电流相同都为i₀，只要求出R_s两端的电压就可以求出电流。

i_{i 1} = \frac{e_{1} - e_{icm}}{R}

i_{i 2} = \frac{e_{2} - e_{icm}}{R}

根据以上两个式子，可以分别的求出R_s上下两端的电压：

e_{1} - e_{s} = {2 Ri}_{i 1} = 2 R (\frac{e_{1} - e_{icm}}{R}) = 2 (e_{1} - e_{icm})

e_s＝e₁-2(e₁-e_icm)＝2e_icm-e₁

e_{2} - e_{l} = {2 Ri}_{i 2} = 2 R (\frac{e_{2} - e_{icm}}{R}) = 2 (e_{2} - e_{icm})

e_l＝e₂-2(e₂-e_icm)＝2e_icm-e₂

则i₀可求：

i_{0} = \frac{e_{s} - e_{l}}{R_{s}} = \frac{e_{2} - e_{1}}{R_{s}}

可见，最后的输出电流只与放大器两输入端电压差和电阻R_s有关。电路中加入了一个放大器用作跟随器，提高了该电路的负载能力，负载对电流的影响很小，适合本套系统的设计要求。

系统通过改变DSP数据端口输出的数字信号，可产生不同幅值的波形，以满足对刺激信号强度的要求。该信号由DSP内部的定时器进行精准定时而产生，且频率可调。经D/A芯片AD669转换成三态电压信号，最后经过V/I转换电路转化为刺激脉冲电流信号。

(3)信号数字化处理电路

本发明的信号数字化处理电路部分框图如图8所示，以DSP为主控制器，实现对信号的采集、处理、传输和存储，并通过外围电路与DSP协同产生神经刺激信号。其最终目标是将其运用到临床诊断中，为医生诊断提供切实可靠的神经信号数据资料。本发明A/D转换芯片采用高速A/D芯片MAX1198，DSP芯片采用TI公司的TMS320VC5402。

本部分电路的连接方式如下所示：DSP通过EMIF数据口的低八位D[7:0]与A/D芯片数据端口和USB芯片的FIFO数据总线FD[7:0]相连，A/D芯片的输出使能管脚OE与DSP芯片的IO空间选择信号输出端/IS相连。这样，DSP从IO空间读取A/D转换后的数据时，/IS管脚变低，A/D芯片输出使能；而从DATA空间向USB数据总线输出处理后的数据时，/IS管脚变高，如此可以避免总线数据冲突，确保数据可靠和系统稳定。

本部分电路有两种工作模式：采集模式和刺激模式。采集模式下，神经信号经调理电路处理之后，再由A/D转换芯片转换为数字信号，传输至DSP内进行求平均的简单处理后输出到USB数据总线。刺激模式下，DSP向D/A转换芯片输出具有特定周期变化的方波信号。系统总的工作流程图如图9所示。

(4)信号传输电路

实时神经信号采集数据量庞大，为保证其数据处理质量，必须采用具有相当传输速率的接口方式。本项目中选用的USB接口芯片为Cypress公司的CY7C68013-56pvc，与外设之间采用Slave FIFO方式通讯。此种模式下，外部控制器可以相对待普通FIFO一样对FX2内的多个缓冲区进行读写。SlaveFIFO接口也可以灵活配置以适应不同的需要。

这部分的系统连接如图10所示，其中DSP的多通道缓冲串行口(McBSP)配置为GPIO来获取FIFO的空和满的状态信号；DSP中断端口INT0与USB芯片I/O管脚PD5相连，当用户界面选择为刺激模式时，PD5被USB固件置低，从而引起DSP中断，进入中断处理程序也就是刺激信号产生程序；由于DSP对USB芯片FIFO的读写都是数据空间的操作，于是选择DATA空间选择信号输出端/DS与USB芯片片选信号端相连，/MSTRB端与SLWR相连，如此片选和写信号自动产生，可降低开发难度。USB固件工作流程如图11所示。

同时，USB芯片还具有另外一个作用，就是数据与模式选择命令的传输。系统上位机界面如图12所示。当有选择按键按下时，用户程序调用Win32函数DeviceIoControl()向设备驱动程序发送IO控制码(IOCTL)，本发明利用的是IOCTR_EZUSB_VENDOR_OR_REQUEST通过控制端点EP0向USB芯片发送控制字，当USB芯片固件程序接受到控制字后，会自动对控制字进行辨别进入相应的处理程序。

以刺激模式选择为例，其VC程序为：

void CMyDlg::OnCllect()

{

HANDLE hDevice＝NULL； //句柄

VENDOR_REQUEST_IN myRequest；

BOOLEAN Result＝FALSE；

ULONG nBytes；

char buffer[10]；

myRequest.bRequest＝0xC1； //控制字，代表用户自定义请求

myRequest.wValue＝0x0000；

myRequest.wIndex＝0x0000；

myRequest.wLength＝0x0001；

myRequest.bData＝0x00；

myRequest.direction＝0x01；

Result＝DeviceIoControl(m_hDevice，

IOCTL_Ezusb_VENDOR_REQUEST，

&myRequest，

sizeof(VENDOR_REQUEST_IN)，

buffer，

1，

&nBytes，

NULL)；

if(Result)//发送成功

{

MessageBox(″采集模式！请选择探针！″)；

}

else

{

MessageBox(″连接不成功！请重新选择！″)；

CloseHandle(hDevice)；

}

USB固件应答：

BOOL DR_VendorCmnd(void)

{

switch(SETUPDAT[1])//芯片接收到控制字后，会将其存储到SERUPDAT[1]

{

case 0xC1： //刺激模式控制字，由用户定义

IOD＝IOD&0xDF；//刺激模式，PD5为低，引起DSP INT0中断

*EP0BUF＝0xC1；

EP0BCH＝0；

EP0BCL＝1；

EP0CS|＝bmHSNAK；

FIFORESET＝0x80；

SYNCDELAY；

FIFORESET＝0x06；

SYNCDELAY；

FIFORESET＝0x00；

SYNCDELAY；

break；

(余下省略)

}

同理，系统对探针的选择也是通过发送相应控制码，使USB芯片调用对应的处理程序来实现。本发明的处理程序所实现的动作为使I/O管脚PD[4:0]显示探针号码的二进制数。

Claims

1、神经信号处理及传输系统，包括：神经信号调理电路、信号数字化处理电路、神经刺激电路和信号传输电路；其特征是，神经信号经由神经微电极阵列采集之后，在DSP主控制下依次经过神经信号调理电路、信号数字化处理电路和信号传输电路，传输至上位机；而神经刺激电路将信号数字化处理电路产生的数字信号转换为相应的模拟刺激信号并将其加在神经微电极阵列上对神经细胞进行刺激。

2、根据权利要求1所述神经信号处理及传输系统，其特征在于，所述神经信号调理电路包括：前置放大电路和中间级处理电路；所述前置放大电路依次包括输入缓冲、低通滤波和仪用放大三个部分；中级级处理电路依次包括带通选频网络、二级放大电路、50Hz陷波器和增益调节电路。

3、根据权利要求1所述神经信号处理及传输系统，其特征在于，所述信号数字化处理电路包括：A/D转换和DSP数字处理，进一步消除误差并实现数字化。

4、根据权利要求1所述神经信号处理及传输系统，其特征在于，所述神经刺激电路包括：D/A转换电路和高性能V/I转换电路。

5、根据权利要求1所述神经信号处理及传输系统，其特征在于，所述信号传输电路所用控制器通过用户界面和USB固件编程使得系统具有对有缘微电极模式控制和探针选择的作用。