用于脑机接口的系统技术方案

本发明专利技术提供一种两步法方案来提供BCI系统。在第一步骤中，本发明专利技术提供低功率植入平台以用于放大并过滤胞外记录、执行模数转换(ADC)并实时检测动作电位，该植入平台连接至远程装置，该远程装置能够执行特征提取和锋电位分类的处理器密集型任务，由此为每个神经元生成多个预定模版以用于第二处理步骤。在第二步骤中，该低功率植入平台放大并过滤胞外记录、执行ADC并且检测动作电位，动作电位可在片上被匹配至由外部接收器在第一步骤中生成的预定模版。此两步法方案利用离线处理和在线处理二者的优势，提供了执行单个神经元活动的多个记录的有效并且安全的方法，以用于研究或监测应用或者用于远程装置的控制。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
神经系统学可以记录由神经元生成的胞外动作电位或锋电位，从而理解信息是如何通过神经元系统呈现和传输的。直到最近，这些实验通常涉及在数小时的短周期内采样少量神经元(例如，少于15)，但随着延久电极阵列的改进，记录数月内来自大量神经元(例如，多于15)的锋电位已成为可能。这些技术激发了脑机接口(BCI)的发展，其直接与神经元系统通信以用于治疗效果或者大脑运行的研究学习。BCI可实现动物或病患大脑与任意外部计算机、数据处理系统或相连接的任意电子装置之间的通信。其中一个示例是使用来自瘫痪病人大脑皮层的神经信号来操作比如机器人假肢的辅助装置的脑机界面(BMI)。为了获得精确的结果，脑机接口或者用于记录单个神经元活动的任意其他系统应借助于胞外记录来检测动作电位，并且识别哪些动作电位对应于哪些神经元。基于每个神经元生成具有模式化(stereotyped)波形的动作电位这一原理，根据动作电位的形状，对动作电位进行分类。数据被转发给外部计算机，在外部计算机中基于若干独立神经元的动作处理信息或命令。已提出了具有植入大脑的锋电位分类模块的BCI，锋电位分类模块用于根据模式化的波形的形状对动作电位分类，但这涉及复杂的难以在片上实施的运算，因此当处理来自许多记录电极的数据时，其会消耗过多的功率，这可能导致过热并且还可能会限制植入装置的小型化程度。因此，这对于接受神经元监测的对象的健康而言是异常危险的。为了解决这一问题，设计者们已尝试尽可能地从植入模块中移除处理、将植入模块限于感测技术并且在外部装置中执行所有的信号处理。虽然这简化了植入装置，但给植入装置和外部处理电路之间的通信开销增加了很大负担。所监测的信号必须全部被传输给外部处理电路，这消耗大量带宽，其中很多带宽是通过传输比如背景噪声和不包含动作电位的信号周期而浪费的。这又延迟了对于治疗应用而言可能很关键的锋电位检测和分类进程。
技术实现思路
本专利技术的实施例采取混合方案，其中一些处理功能在外部装置中执行，但一些是在植入装置中以本地方式执行。这减少了通信开销，因为锋电位检测进程和模版匹配进程是在植入装置中以本地方式执行的，并且只需要将比较的结果或者先前未检测到的动作电位传输给外部装置。因此，相较于传统系统，本专利技术提高了速度而并没有使植入装置复杂化。根据本专利技术的一方面，提供了根据权利要求1的用于脑机接口的系统。根据本专利技术的一方面，提供了根据权利要求28的植入装置。根据本专利技术的一方面，提供了根据权利要求29的远程装置。可选的特征在从属权利要求中列出。本专利技术的实施例提供了两步法方案来提供无线BCI系统。在第一步骤中，低功率植入平台放大并过滤胞外记录，执行模数转换(ADC)并实时检测动作电位。处理器以无线方式连接至能够执行特征提取和锋电位分类的处理器密集型任务的外部接收器，由此为每个神经元生成多个预定模版以用于第二处理步骤。在第二步骤中，低功率植入平台放大并过滤胞外记录，执行ADC并且检测动作电位，动作电位可在片上被匹配至由外部接收器在第一步骤中生成的预定模版。此两步法方案利用了离线处理和在线处理二者的优势，提供了有效并且安全的、用于执行单个神经元活动的多个无线记录的方法。各实施例可用于执行多个单胞记录(single-cell recording)，用于研究或监测应用，或者用于控制任意外部电子装置。附图说明将参照以下附图以示例方式描述本专利技术。图1是本专利技术的实施例的无线脑机接口的示意图；图2是本专利技术的实施例的无线脑机接口的放大示意图；图3是图1中锋电位检测模块的示意图；图4是示出了滤波器阶数对锋电位检测性能的影响的图表；图5是示出了低通截止频率对锋电位检测性能的影响的图表；图6是示出了高通截止频率对锋电位检测性能的影响的图表；图7a是示出了ADC采样率对锋电位检测性能的影响的图表；图7b是示出了ADC采样率对模版构建性能的影响的图表；图8a是示出了ADC分辨率对锋电位检测性能的影响的图表；图8b是示出了ADC分辨率对模版构建性能的影响的图表；图9是示出了根据三种小波系数的动作电位的分布的图表；图10a是示出了变温相似变量(temperature-analogous variable)对动作电位的群集大小的影响的图表；图10b是图9a所示动作电位的群集的波迹；图10c是由图9a所示动作电位的群集生成的多个锋电位模版的波迹；图11是示出了各种各样的距离度量(distance metric)所需的性能和相对处理器时间的图表；图12是示出了波峰对准(peak-alignment)误差对模版匹配性能的影响的图表；图13是示出了窗口尺寸对模版匹配性能的影响的图表。具体实施方式图1示出了根据本专利技术的实施例的一种用于无线脑机接口(BCI)的系统1。BCI包括锋电位检测模块10、模版构建模块20和模版匹配模块30。模版构建模块20以无线方式与锋电位检测模块10和模版匹配模块30通信。锋电位检测模块10可与模版匹配模块30通信。锋电位检测模块10和模版匹配模块30通过有线连接直接通信，并且可在单片上实施。锋电位检测模块10和模版匹配模块30设置在装置100中，装置100植入大脑中或大脑附近并且联接至用于记录大脑中至少一个神经元处或附近的信号的一个或多个电极。模版构建模块20设置在远程装置200中，远程装置200与植入装置100无线连接。远程装置200可相对于患者在外部使用，或者可植入在与大脑分离的位置处。模版构建模块20通过无线连接以无线方式与锋电位检测模块10和模版构建模块30通信。模版匹配模块30可以以无线方式传输模版匹配进程的结果。可替换地，系统可通过模版构建模块20和锋电位检测10以及模版匹配模块30之间的电缆通信实现。此实施例不提供无线通信的优势，但仍提供用于在线片上锋电位检测和分类的有效方法。仍可通过减少通过电缆连接的数据传输率来降低植入装置100的功耗。在有线的实施例中，远程装置200可植入身体的其它部分。远程装置200可在不需要时断电，从而进一步降低功耗。因此，本实施例提供了一种双部件系统，其包括用于检测锋电位并将其与模版相匹配的低功率植入平台100，低功率植入平台100以无线方式与外部接收器200连接，外部接收器200可执行处理器密集型模版构建。锋电位检测模块10检测由大脑中神经元生成的动作电位，动作电位是通过使用本领域已知的一个或多个电极或者微触压感技术记录的。一个或多个电极中的每个电极记录单个位置，或者可记录多个位置。对于每个记录位置，锋电位检测模块10可检测由靠近该记录位置的多个神经元生成的多个动作电位。锋电位的形状是由检测到的动作电位的波迹形成的形状。模版构建模块20生成锋电位模版，锋电位模版对应于由具体神经元生成的动作电位的模式化形状。模版构建模块20基于锋电位检测模块10检测到的一个或多个动作电位、为每个模式化锋电位形状生成锋电位模版，以使得可基于将检测到的动作电位与生成的锋电位模版进行匹配而识别未来具有相同或类似形状的动作电位。模版构建模块20可基于检测到的由单个神经元生成的多个动作电位的平均值生成锋电位膜板。模版构建模块20可基于由多个相异的神经元生成的多个相异的动作电位生成多个相异的锋电位模版。模版构建模块20存储所生成的锋电位模版，并且在需要时将模版提供给本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于脑机接口的系统，包括：锋电位检测模块，被设置为检测由一个或多个神经元生成的至少一个动作电位；模版匹配模块，被设置为将检测到的所述至少一个动作电位与一个或多个预定锋电位模版进行比较；以及模版构建模块，被配置为生成所述一个或多个预定锋电位模版，并且被设置为远离所述锋电位检测模块和所述模版匹配模块。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.30 GB 1401613.31.一种用于脑机接口的系统，包括：锋电位检测模块，被设置为检测由一个或多个神经元生成的至少一个动作电位；模版匹配模块，被设置为将检测到的所述至少一个动作电位与一个或多个预定锋电位模版进行比较；以及模版构建模块，被配置为生成所述一个或多个预定锋电位模版，并且被设置为远离所述锋电位检测模块和所述模版匹配模块。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述锋电位检测模块和所述模版匹配模块被设置在植入装置中，所述植入装置被配置为传输检测到的所述至少一个动作电位并且接收所述一个或多个预定锋电位模版；并且所述模版构建模块被设置在远程装置中，所述远程装置被配置为接收被传输的所述至少一个动作电位并且传输所述一个或多个预定锋电位模版。3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中所述模版构建模块被设置为与所述锋电位检测模块和所述模版匹配模块无线通信。4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述锋电位检测模块包括：信号滤波单元，被配置为过滤一个或多个胞外记录；模数转换单元，被配置为转换所述一个或多个胞外记录；以及锋电位检测单元，被配置为检测所述一个或多个胞外记录内的所述至少一个动作电位。5.根据权利要求4所述的系统，其中所述信号滤波单元被配置为使用椭圆滤波器、巴特沃斯滤波器和贝塞尔滤波器中的一种滤波器过滤所述一个或多个胞外记录。6.根据权利要求4或权利要求5所述的系统，其中所述信号滤波单元被配置为使用2阶滤波器过滤所述一个或多个胞外记录。7.根据权利要求4-6中任一项所述的系统，其中所述信号滤波单元的高通滤波器截止频率被选为使得所述锋电位检测单元的性能值最大化。8.根据权利要求7所述的系统，其中所述信号滤波单元的高通滤波器截止频率为约300Hz。9.根据权利要求4-8中任一项所述的系统，其中所述信号滤波单元的低通滤波器截止频率被选为使得所述锋电位检测单元的性能值最大化。10.根据权利要求9所述的系统，其中所述信号滤波单元的低通滤波器截止频率为约3kHz。11.根据权利要求4-10中任一项所述的系统，其中所述模数转换单元的采样率被最小化，使得所述锋电位检测单元的性能保持在90％以上。12.根据权利要求11所述的系统，其中所述模数转换单元的采样率被减小至约7kHz。13.根据权利要求4-12中任一项所述的系统，其中所述模数转换单元的分辨率被最小化，使得所述锋电位检测单元的性能保持在90％以上。14.根据权利要求13所述的系...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·杰克逊，T·康斯坦迪努，A·埃夫特哈里，R·Q·基罗加，J·N·阿乌马达，
申请(专利权)人：莱斯特大学，泰恩河畔纽卡斯尔大学，皇家创新公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB