一种微型可植入神经信号记录系统技术方案

本发明专利技术公开了一种微型可植入神经信号记录系统，该系统主要由微电极、采集前端、控制器、无线数据传输链路、USB接口和上位机组成。本系统采用生物电信号专用采集芯片ADS1299采集电生理信号，经过内置的放大器和A/D转换后通过蓝牙无线发送到上位机进行显示和进一步分析处理。本发明专利技术针对植入式的神经信号记录，通过无线数据传输链路与远程信号接收端进行通讯，减少了植入手术带来的感染风险；并且使用集成度高的元器件，大大缩小了系统的体积，降低了植入手术的难度。本发明专利技术采用无线数据传输的方式将采集到的神经信号传输到体外，在面向植入式的应用时，解决了因有线连接带来的手术感染风险。

【技术实现步骤摘要】
一种微型可植入神经信号记录系统
本专利技术属于神经科学和生物医学电子
，具体涉及一种微型可植入神经信号记录系统。
技术介绍
生物医学电子是一种无需使用传统药物即可治疗疾病的有效的替代方法。这些设备与神经元相连，以记录和控制其电生理活动。通过记录这些电信号并确定其潜在的机理模式，可能在治疗癫痫、帕金森氏病和抑郁症等多种神经系统疾病中发挥重要作用。在现有的神经信号采集系统中，往往是通过有线连接的方式将采集到的信号传输到体外，这将给生物体带来较大的感染风险；并且，对于可植入的神经信号采集系统而言，对尺寸有着严格的要求，尺寸过大将不利于植入生物体内。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种微型可植入神经信号记录系统，是一种可实现长期、精确进行神经信号记录的系统。本专利技术包括体内检测端和体外接收端。体内检测端包括微电极、采集前端模块、控制器、第一无线模块和供电电路。体外接收端包括第二无线模块和上位机。第二无线模块与上位机通信。上位机用于对神经信号进行数据处理和显示。采集前端模块包含内置模数转换器、增益放大器和串行传输接口。一个或多个微电极采集的模拟信号输入到采集前端模块内置的放大器中进行放大，再经过模数转换为数字信号。转换后的数字信号经发送到控制器。控制器通过第一无线模块和第二无线模块向上位机发送采集到的数据。供电电路为采集前端模块、控制器和第一无线模块供电。作为优选，所述的微电极与采集前端模块之间设置有初级滤波电路。所述的初级滤波电路采用一阶RC低通滤波器。初级滤波电路通过调节电阻和电容值来更改截止频率。作为优选，所述控制器与采集前端模块通过SPI接口通信协议通信。作为优选，所述的第一无线模块和第二无线模块均采用HC-05蓝牙模块。该模块为主从一体的蓝牙串口模块，其最大特点为当发送端和接收端蓝牙设备配对连接成功后，可以忽视蓝牙内部的通信协议，直接将蓝牙当作串口用。作为优选，所述控制器与第一无线模块通过I2C总线通信，实现数据的传输。作为优选，所述供电电路采用聚合物锂电池作为供电电源。该聚合物锂电池的额定电压为3.7V；供电电路通过型号为TPS73233的电压转换器将聚合物锂电池的电压转化为3.3V输出，通过型号为HX4002的低噪音电荷泵将聚合物锂电池的电压转化为5V输出。供电电路为控制器提供3.3V的工作电压，为采集前端模块提供5V的供电电压和3.3V基准电压，为第一无线模块提供3.3V工作电压。作为优选，所述控制器采用型号为STM32F103C8的微控制器。这款微控制器集成了以72MHz频率运行的高性能ARMCortex-M332位RISC内核，具有64KB的闪存和高达20KB的SRAM，可以和多种总线配置,同时还具有多个串行外设接口(SPI)，便于多功能的实现和系统的扩展，不仅尺寸小，而且功耗低。特别需要指出的是,这款微控制器和所述采集前端模块的接口配置完全吻合，可降低电路设计的难度。作为优选,所述采集前端模块中的模数转换芯片的型号为ADS1299。该芯片是一个低噪声、低功耗、多通道同步采样的具有24位高精度AD转换芯片，是一款采集脑电、肌电等微弱神经信号的专用芯片，其最低转换精度可达μV级别。更为重要的是，ADS1299的数据采样率可配置为250SPS(每秒采样点数)至16KSPS,可保证能够采集到更为完整的生理电信号。另外，ADS1299内部集成可编程增益放大器(PGA)，完成微弱信号的放大，根据特定需求可将增益幅度配置为1，2，4，6，8，12或24，这样就不用在电路中设计额外的信号放大电路，可简化电路设计，缩小系统尺寸。此外，ADS1299集成了输入多路复用器(MUX)，与内部生成的信号独立相连，可完成芯片内部测试，温度和电极断开监测。作为优选，本专利技术还包括对电源产生的噪声进行抑制的电路。本专利技术具有的有益效果是：1、本专利技术采用无线数据传输的方式将采集到的神经信号传输到体外，在面向植入式的应用时，解决了因有线连接带来的手术感染风险；同时，离开了有线连接的束缚，生物体在实验中能够自由移动，因此记录到的神经信号更具有现实指导意义。2、本专利技术电路结构简单，集成度高，具有多通道、体积小、低成本等一系列特点，尺寸在2cm*2cm下，便于实验中的植入。3、本专利技术采集前端模块采用ADS1299芯片，可实现高分辨率、高采样率的神经信号采样，并且每通道5mW的超低功耗，可实现在生物体的长期植入。附图说明图1为本专利技术的系统框图。图2为本专利技术中采集前端模块的电路原理图。图3为本专利技术数据传输过程的流程图。图4为本专利技术中参数初始化的流程图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步说明。如图1所示，一种基于ADS1299的可植入神经信号记录系统，包括体内检测端和体外接收端。体外接收端包括第二无线模块6、USB接口7和上位机8。第二无线模块6与上位机8通过USB接口7连接。体内检测端包括微电极1、初级滤波电路、采集前端模块2、控制器3、第一无线模块4和供电电路5。一个或多个微电极1的输出接口经初级滤波电路连接至采集前端模块2。控制器3与采集前端模块2通过SPI协议连接，控制采集前端模块2的任意一个采集通道开始工作。微电极1采集的模拟信号输入到采集前端模块2内置的放大器中进行放大，再经过A/D转换为数字信号。转换后的数字信号经由控制器3通过第一无线模块4发送到体外接收端中的第二无线模块6中。供电电路5为采集前端模块2、控制器3和第一无线模块4供电。体外接收端通过USB接口7传送给上位机8进行显示和进一步分析、处理。所述微电极1为植入试验对象体内的记录电极，可同步记录8通道的神经信号。微电极1由镍铬合金丝、银丝等金属材质制作而成。微电极1在植入前需要在0.9％的生理盐水中测试其阻抗，若阻抗大小在100～1000kΩ，方可用于植入试验对象体内用于记录神经信号。如图2所示，采集前端模块2包括模数转换芯片U1。模数转换芯片U1的型号为ADS1299。模数转换芯片U1的15引脚接电阻R60及电容C66的一端。模数转换芯片U1的16引脚接电阻R61和电容C67的一端。电容C66及电容C67的另一端均接地。电阻R60和电阻R61的另一端与微电极1的两个接线端分别连接。模数转换芯片U1的35、36引脚分别通过10kΩ电阻接高电平DVDD，36、37引脚分别通过10kΩ电阻接地。微电极1采集到的神经信号经过初级滤波后，进入模数转换芯片U1内置的多路复用器(MUX)，接下来信号进入PGA(可编程增益放大器)，该PGA为差分输入/输出的可编程增益放大器，共有1，2，4，6，8，12和24七个增益可选。本专利技术采用24倍放大倍数，神经信号经过PGA放大后进入高分辨率A/D转换器中转换成数字信号输出。ADS1299的所有通道都具有24位的∑-ΔADC，可将采样率设置为250SPS-16KSPS之间，通过配置寄存器，本实施例中设置为1KHz。通过配置寄存器，设置参考电压为4.5V，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型可植入神经信号记录系统，包括体内检测端和体外接收端；其特征在于：体内检测端包括微电极、采集前端模块、控制器、第一无线模块和供电电路；体外接收端包括第二无线模块和上位机；第二无线模块与上位机通信；上位机用于对神经信号进行数据处理和显示；采集前端模块包含内置模数转换器、增益放大器和串行传输接口；一个或多个微电极采集的模拟信号输入到采集前端模块内置的放大器中进行放大，再经过模数转换为数字信号；转换后的数字信号经发送到控制器；控制器通过第一无线模块和第二无线模块向上位机发送采集到的数据；供电电路为采集前端模块、控制器和第一无线模块供电。/n

【技术特征摘要】
1.一种微型可植入神经信号记录系统，包括体内检测端和体外接收端；其特征在于：体内检测端包括微电极、采集前端模块、控制器、第一无线模块和供电电路；体外接收端包括第二无线模块和上位机；第二无线模块与上位机通信；上位机用于对神经信号进行数据处理和显示；采集前端模块包含内置模数转换器、增益放大器和串行传输接口；一个或多个微电极采集的模拟信号输入到采集前端模块内置的放大器中进行放大，再经过模数转换为数字信号；转换后的数字信号经发送到控制器；控制器通过第一无线模块和第二无线模块向上位机发送采集到的数据；供电电路为采集前端模块、控制器和第一无线模块供电。


2.根据权利要求1所述的一种微型可植入神经信号记录系统，其特征在于：所述的微电极与采集前端模块之间设置有初级滤波电路；所述的初级滤波电路采用一阶RC低通滤波器；初级滤波电路通过调节电阻和电容值来更改截止频率。


3.根据权利要求1所述的一种微型可植入神经信号记录系统，其特征在于：所述控制器与采集前端模块通过SPI接口通信协议通信。


4.根据权利要求1所述的一种微...

【专利技术属性】
技术研发人员：程瑜华，易叶根，王高峰，李文钧，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学温州研究院有限公司，杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33