一種神經(jīng)信號(hào)無(wú)線轉(zhuǎn)錄方法及裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)錄方法，以及一種結(jié)合神經(jīng)信號(hào)采集芯片、神經(jīng)信號(hào)刺激芯片、信號(hào)存儲(chǔ)器件以及它們之間的無(wú)線供電和信號(hào)通信的裝置。本發(fā)明通過(guò)采集芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、以及刺激芯片的依次協(xié)同工作，將由個(gè)體甲于某一時(shí)間點(diǎn)產(chǎn)生的連串完整的神經(jīng)信號(hào)采集、記錄并存儲(chǔ)或再處理，然后使相同的個(gè)體或不同的個(gè)體乙的神經(jīng)細(xì)胞或組織于相同或不同的時(shí)間重現(xiàn)這連串完整的或經(jīng)過(guò)處理的神經(jīng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)神經(jīng)信號(hào)的無(wú)線轉(zhuǎn)錄。本發(fā)明通過(guò)集成無(wú)線供電和通信技術(shù)，將信號(hào)采集芯片和刺激芯片以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備連接形成一整套的神經(jīng)信號(hào)信息化的解決方案，使得神經(jīng)信號(hào)的無(wú)線轉(zhuǎn)錄成為現(xiàn)實(shí)，提供了神經(jīng)科學(xué)的領(lǐng)域研究以及神經(jīng)疾病診斷治療中具有廣泛應(yīng)用的工具。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種神經(jīng)信號(hào)無(wú)線轉(zhuǎn)錄方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)錄方法，以及一種結(jié)合神經(jīng)信號(hào)采集芯片、神經(jīng)信號(hào)刺激芯片、信號(hào)存儲(chǔ)器件以及它們之間的無(wú)線信號(hào)通信的裝置。
技術(shù)背景
[0002]生物個(gè)體的神經(jīng)系統(tǒng)提供生物體的各個(gè)部位神經(jīng)信號(hào)以控制生物個(gè)體的活動(dòng)，同時(shí)神經(jīng)系統(tǒng)依賴(lài)感受細(xì)胞器來(lái)感知外在的實(shí)體環(huán)境以及內(nèi)在的活體環(huán)境，并以神經(jīng)信號(hào)的方式傳遞給其他神經(jīng)系統(tǒng)的細(xì)胞。由以往的神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的研究已知神經(jīng)系統(tǒng)如何產(chǎn)生神經(jīng)信號(hào)來(lái)運(yùn)載信息的方式。但由于神經(jīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，在神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域，通過(guò)神經(jīng)信號(hào)來(lái)解釋生物個(gè)體的行為模式的研究還處于初級(jí)階段。在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷治療方面，也缺乏易用有效解決方案在大規(guī)模信號(hào)傳遞的通路中診斷確切的病變。在世界范圍逐漸積累的研究表明，可以通過(guò)采集以電信號(hào)的方式傳播的神經(jīng)信號(hào)，并重新以電信號(hào)的方式施加于神經(jīng)細(xì)胞，可以達(dá)到重現(xiàn)神經(jīng)信號(hào)的作用。但由于以往技術(shù)的限制，對(duì)神經(jīng)信號(hào)的采集以及刺激無(wú)法達(dá)到神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)帶寬、信息量以及有效性的要求。傳統(tǒng)的神經(jīng)信號(hào)采集和刺激裝置都需要大型的體外設(shè)備儀器輔助植入電極進(jìn)行信號(hào)采集和提供神經(jīng)細(xì)胞刺激信號(hào)，這個(gè)方式極大的限制了研究方法，并很難提供長(zhǎng)時(shí)間的體內(nèi)的系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)和記錄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提出一種通過(guò)無(wú)線傳輸由信號(hào)采集芯片獲得的神經(jīng)信號(hào)并存儲(chǔ)于外部設(shè)備、或無(wú)線傳輸?shù)缴窠?jīng)刺激器上的方法及應(yīng)用裝置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)體外對(duì)神經(jīng)信號(hào)的處理、傳輸、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換以及重現(xiàn)于生物個(gè)體的神經(jīng)系統(tǒng)或生物組織的神經(jīng)細(xì)胞或組織樣本。通過(guò)大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的CMOS芯片，集成無(wú)線數(shù)據(jù)和供能技術(shù)，將超高密度多通道采集電路以及電流刺激電路應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)的研究、神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷治療，從而實(shí)現(xiàn)并滿足可重復(fù)性、便攜性、易用性、高密度、以及高效性的要求。本技術(shù)適用范圍包括但不僅限于生物體內(nèi)或體外的方式采集的神經(jīng)信號(hào)以無(wú)線的方式傳輸、存儲(chǔ)以及讀取調(diào)用。同時(shí)本技術(shù)利用神經(jīng)信號(hào)刺激芯片將無(wú)線傳輸?shù)男盘?hào)重新施加于生物體內(nèi)或體表的神經(jīng)細(xì)胞，以達(dá)到在同一生物體(或組織)的不同時(shí)間或者不同生物體(或組織)的同一時(shí)間或者不同生物體(或組織)的不同時(shí)間，重現(xiàn)神經(jīng)信號(hào)的目的。對(duì)于神經(jīng)科學(xué)的研究、神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷治療，提供有效的解決。
[0004]本發(fā)明提出一套基于無(wú)線技術(shù)的神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)錄的技術(shù)方案是:
一種神經(jīng)信號(hào)無(wú)線轉(zhuǎn)錄方法，包括以下步驟:
a、通過(guò)跟神經(jīng)細(xì)胞或組織接觸的電極，來(lái)采集電極周?chē)缮窠?jīng)細(xì)胞或組織產(chǎn)生的微電
信號(hào);
b、通過(guò)低噪放大電路來(lái)生成與電極上形成的微電信號(hào)成比例的一級(jí)放大信號(hào)；
C、通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 將一級(jí)放大信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；
d、將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)由無(wú)線通信傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收元件，同時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)接受元件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；
e、將d步驟中轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)或者儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；
f、將電信號(hào)借由連接的跟神經(jīng)細(xì)胞或組織接觸的電極刺激其附近的神經(jīng)細(xì)胞或組織，由此使神經(jīng)信號(hào)重現(xiàn)于該神經(jīng)細(xì)胞或組織。
[0005]作為優(yōu)選，由個(gè)體甲于某一時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始產(chǎn)生的連串完整的神經(jīng)信號(hào)記錄并存儲(chǔ)、或再處理后，使個(gè)體甲或不同的個(gè)體乙的神經(jīng)細(xì)胞或組織于相同或不同的時(shí)間重現(xiàn)這連串完整的或經(jīng)過(guò)處理的神經(jīng)信號(hào)。
[0006]作為優(yōu)選，步驟c中轉(zhuǎn)換成的部分?jǐn)?shù)字信號(hào)還通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后反饋，與步驟b中一級(jí)放大信號(hào)進(jìn)行比較，形成自校驗(yàn)的信號(hào)回路。
[0007]作為優(yōu)選，步驟c中轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)包括直流到500赫茲范圍的低頻信號(hào)及500赫茲到40000赫茲范圍的帶頻信號(hào)，所述反饋的部分?jǐn)?shù)字信號(hào)為低頻信號(hào)。
[0008]一種適用于上述神經(jīng)信號(hào)無(wú)線轉(zhuǎn)錄方法的神經(jīng)信號(hào)無(wú)線轉(zhuǎn)錄裝置，包括信號(hào)采集芯片、信號(hào)刺激芯片、以及帶有數(shù)據(jù)接受元件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，信號(hào)采集芯片、信號(hào)刺激芯片分別連接有跟神經(jīng)細(xì)胞或組織接觸的電極，信號(hào)采集芯片包括依次連接的獨(dú)立多采集通道電路、無(wú)線供電通信電路，單個(gè)采集通道依次包括微電信號(hào)采集低噪放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號(hào)處理電路，信號(hào)刺激芯片包括依次連接的無(wú)線供電通信電路、中央控制電路、以及獨(dú)立多通道刺激電路，各刺激通道均具有數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。
[0009]作為優(yōu)選，所述采集通道還設(shè)有反饋?zhàn)孕ｒ?yàn)的信號(hào)回路，在微電信號(hào)采集低噪放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路之間串接有比較器，數(shù)字信號(hào)處理電路到比較器之間設(shè)有反饋通道，反饋通道上設(shè)有數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。
[0010]作為優(yōu)選，所述數(shù)字信號(hào)處理電路包括獲取直流到500赫茲范圍低頻信號(hào)的低通濾波電路、獲取500赫茲到40000赫茲范圍帶頻信號(hào)的帶通濾波電路，低通濾波電路連接數(shù)模轉(zhuǎn)換電路后分別連接比較器和無(wú)線供電通信電路，帶通濾波電路直接連接無(wú)線供電通信電路。
[0011]作為優(yōu)選，所述刺激通道還包括寄存器和局部控制器，寄存器和局部控制器并聯(lián)設(shè)置在信號(hào)刺激芯片的中央控制電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路之間，寄存器保存的數(shù)據(jù)用于控制刺激通道的當(dāng)前刺激幅值，局部控制器將接收中央控制電路的時(shí)序信息，控制當(dāng)前刺激通道當(dāng)前的時(shí)間的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
[0012] 將集成多通道的微電信號(hào)采集低噪放大電路(Low-Noise-Amplifier)、比較器(Comparator)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(Analog to Digital Converter, ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(Digital to Analog Converter, DAC)、數(shù)字信號(hào)處理電路(Digital Signal Processing,DSP)、低通濾波電路(Low Pass Filter)、帶通濾波電路(Band Pass Filter)、中央控制電路、以及無(wú)線供電通信電路于一體的大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的CMOS信號(hào)采集芯片，連接跟神經(jīng)細(xì)胞或組織接觸的電極，來(lái)采集電極周?chē)缮窠?jīng)細(xì)胞或組織產(chǎn)生的微電信號(hào)，通過(guò)低噪放大電路來(lái)生成與電極上形成的微電信號(hào)成比例的一級(jí)放大信號(hào)，并經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路形成數(shù)字信號(hào)，其中通過(guò)低通濾波電路獲取從直流到500赫茲范圍低頻信號(hào)，通過(guò)帶通濾波電路獲取500赫茲到40000赫茲范圍內(nèi)帶頻信號(hào)，并同時(shí)使用數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將形成的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)然后負(fù)反饋到濾波器產(chǎn)生的模擬信號(hào)通過(guò)比較器進(jìn)行比較，從而形成自校驗(yàn)的信號(hào)回路，然后將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)輸入到反向無(wú)線供電通信電路，并經(jīng)由無(wú)線供電通信電路與數(shù)據(jù)接收元件通信傳輸，同時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)接受元件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。該數(shù)據(jù)接收元件同時(shí)使用無(wú)線通信頻道給該信號(hào)采集芯片無(wú)線提供能量和前向無(wú)線信號(hào)(信號(hào)包括但不僅限于對(duì)該集成電路芯片的控制指令、數(shù)據(jù)、配置設(shè)置等)，同時(shí)，該數(shù)據(jù)接受元件將接收到的神經(jīng)信號(hào)采集轉(zhuǎn)換過(guò)后的數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，或者與其他的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備通過(guò)無(wú)線或有線的方式交換其存儲(chǔ)的或?qū)崟r(shí)接受到的來(lái)自信號(hào)采集芯片的數(shù)字信號(hào)。
[0013]不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備可以另外與一個(gè)集成無(wú)線供電通信電路、數(shù)字信號(hào)處理電路(DSP)、中央控制電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(DAC)、以及獨(dú)立多通道刺激電路于一體的大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的CMOS信號(hào)刺激芯片通信，并同時(shí)采用無(wú)線供電的方式，由前向通信將控制指令、數(shù)據(jù)、配置設(shè)置等信息傳遞到該信號(hào)刺激芯片，并將此信號(hào)刺激芯片的多通道輸出的電信號(hào)借由連接的跟神經(jīng)細(xì)胞或組織接觸的電極刺激其附近的神經(jīng)細(xì)胞或組織，由此使神經(jīng)信號(hào)重現(xiàn)于該神經(jīng)細(xì)胞或組織。
[0014]通過(guò)信號(hào)采集芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、以及信號(hào)刺激芯片由以上所述的方式工作，將由個(gè)體甲于某一時(shí)間點(diǎn)產(chǎn)生的連串完整的神經(jīng)信號(hào)記錄并存儲(chǔ)、或再處理，然后使相同的個(gè)體或不同的個(gè)體乙的神經(jīng)細(xì)胞或組織于相同或不同的時(shí)間重現(xiàn)這連串完整的或經(jīng)過(guò)處理的神經(jīng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)神經(jīng)信號(hào)的無(wú)線轉(zhuǎn)錄。[0015]作為優(yōu)選，所述的信號(hào)采集芯片和信號(hào)刺激芯片采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductors)技術(shù)設(shè)計(jì)制造。
[0016]作為優(yōu)選，所述的信號(hào)采集芯片和信號(hào)刺激芯片采用倒裝片鍵合(Flip ChipBonding)技術(shù)與電極連接。
[0017]作為優(yōu)選,所述的無(wú)線供電通信電路采用電感藕合(Inductive Coupling)方式提供信號(hào)采集芯片和信號(hào)刺激芯片所需的電能。
[0018]作為優(yōu)選，所述的無(wú)線供電通信電路采用醫(yī)療植入通訊服務(wù)頻段(MedicalImplant Communication Service Band,MICS)來(lái)提供前向信息通訊，以提供信號(hào)采集芯片和信號(hào)刺激芯片控制指令、數(shù)據(jù)、配置設(shè)置等信息。
[0019]作為優(yōu)選,所述的無(wú)線供電通信電路采用載荷調(diào)制(Load Shift Keying, LSK,又或稱(chēng)為On-Off Keying, 00K)方式來(lái)將數(shù)字信息由信號(hào)采集芯片或信號(hào)刺激芯片反向傳送到與之無(wú)線電感耦合連接的數(shù)據(jù)接收元件。
[0020]作為優(yōu)選，所述的信號(hào)采集芯片可以切換無(wú)線通信調(diào)制模式，采用MICS或LSK或00K將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收元件，以適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求。
[0021]作為優(yōu)選，所述的信號(hào)刺激芯片可以切換無(wú)線通信調(diào)制模式，采用MICS或LSK或00K將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收元件，以適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求。
[0022]作為優(yōu)選，數(shù)據(jù)接受元件將接收到的由信號(hào)采集芯片采集的微電神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)，并可通過(guò)無(wú)線或有線的方式借由外部數(shù)字處理器件及軟件分析、顯示、修改、或處理以及再利用。
[0023]作為優(yōu)選，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件之間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件與信號(hào)采集芯片之間以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件與信號(hào)刺激芯片之間通過(guò)無(wú)線的方式交換數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以是由信號(hào)采集芯片實(shí)時(shí)得到或者是經(jīng)由數(shù)字處理之后存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。
[0024]作為優(yōu)選，信號(hào)采集芯片和信號(hào)刺激芯片分別具備獨(dú)立多通道采集和刺激的特點(diǎn)，各個(gè)通道可以獨(dú)立采集信號(hào)或提供刺激信號(hào)，并共享同一無(wú)線通信方式與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件交換數(shù)據(jù)。
[0025]作為優(yōu)選，信號(hào)采集芯片和信號(hào)刺激芯片的輸入輸出通道的個(gè)數(shù)以及其位于芯片的位置由具體應(yīng)用以及電極陣列的個(gè)數(shù)以及相對(duì)位置決定。
[0026]本發(fā)明通過(guò)集成無(wú)線供電和通信技術(shù)，將信號(hào)采集芯片和信號(hào)刺激芯片以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備連接形成一整套的神經(jīng)信號(hào)信息化的解決方案，并借由無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)可重復(fù)性高、便攜、易用、高密度以及高效性的目標(biāo)，使得神經(jīng)信號(hào)的無(wú)線轉(zhuǎn)錄成為現(xiàn)實(shí)，提供了神經(jīng)科學(xué)的領(lǐng)域研究以及神經(jīng)疾病診斷治療中具有廣泛應(yīng)用的工具。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1是本發(fā)明無(wú)線神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)錄的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明無(wú)線神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)錄的具體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明無(wú)線神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)錄中多通道信號(hào)采集部件的設(shè)計(jì)的示意圖；
圖4是本發(fā)明無(wú)線神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)錄中多通道信號(hào)刺激部件的設(shè)計(jì)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面通過(guò)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0029]實(shí)施例:一種神經(jīng)信號(hào)無(wú)線轉(zhuǎn)錄的實(shí)施方式如圖1所示。
[0030]神經(jīng)信號(hào)的無(wú)線轉(zhuǎn)錄如圖1的實(shí)施方式包括一下組成部分:
信號(hào)采集部件52，其中包括信號(hào)采集芯片11以及與之協(xié)同工作提供無(wú)線供電和提供局部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸功能的采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器14。信號(hào)采集芯片11與采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器14之間以無(wú)線通信和供電方式70相互協(xié)同工作連接，具體工作方式在圖2中示范。實(shí)際應(yīng)用中，可以有一個(gè)或著多個(gè)信號(hào)采集部件52的可獨(dú)立分別控制的實(shí)體以同時(shí)或者分別依特定次序工作于同一個(gè)體的不同位置或不同個(gè)體，每個(gè)實(shí)體以相同的信號(hào)采集部件52的方式構(gòu)成。采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器14與外部全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)處理器51以有線或者無(wú)線的方式連接通信31，交換采集到的神經(jīng)信號(hào)信息(同時(shí)也包括但不僅限于對(duì)信號(hào)采集部件52的控制指令、數(shù)據(jù)、配置設(shè)置等)。
[0031]信號(hào)刺激部件53，其中包括提供無(wú)線供電和局部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸功能的刺激數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器15以及與之協(xié)同工作的信號(hào)刺激芯片18。信號(hào)刺激芯片18與刺激數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器15之間以無(wú)線通信和供電方式71相互協(xié)同工作連接，具體工作方式在圖2中示范。實(shí)際應(yīng)用中，可以有一個(gè)或者多個(gè)信號(hào)刺激部件53的可獨(dú)立分別控制的實(shí)體以同時(shí)或者分別依特定次序工作于同一個(gè)體的不同位置或不同個(gè)體，每個(gè)實(shí)體以相同的信號(hào)刺激部件53的方式構(gòu)成。刺激數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器15與外部全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)處理器51可以以有線或者無(wú)線的方式連接通信31，交換刺激信號(hào)的信息(包括但不僅限于對(duì)信號(hào)刺激部件53的控制指令、數(shù)據(jù)、配置設(shè)置等)。同時(shí)，每個(gè)信號(hào)采集部件52可以分別以無(wú)線的方式30傳遞信息(包括但不僅限于對(duì)信號(hào)刺激部件53的控制指令、數(shù)據(jù)、配置設(shè)置等)給一個(gè)或者多個(gè)信號(hào)刺激部件53。每個(gè)信號(hào)刺激部件53可以每次可以接收任意一個(gè)信號(hào)采集部件52傳遞的信息或者是由外部全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)處理器51傳遞的信息。
[0032] 信號(hào)采集部件52，信號(hào)刺激部件53以及外部全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)處理器51協(xié)同工作的【具體實(shí)施方式】在圖2中加以說(shuō)明。
[0033]其中信號(hào)采集部件52包括CMOS集成電路設(shè)計(jì)的信號(hào)采集芯片11以倒裝芯片接合(Flip Chip Bonding)方式29與信號(hào)采集電極陣列21連接，信號(hào)采集電極陣列21的每個(gè)電極采集附近神經(jīng)細(xì)胞或相關(guān)組織10產(chǎn)生的神經(jīng)微電信號(hào)40，每個(gè)電極具備獨(dú)立的微電信號(hào)處理通道。微電信號(hào)由信號(hào)采集芯片11進(jìn)行放大并數(shù)字化處理，信號(hào)采集芯片11的具體結(jié)構(gòu)在圖3中加以說(shuō)明。在圖1中的所示的采集芯片實(shí)際包括信號(hào)采集芯片11以及與之通過(guò)倒裝芯片接合的信號(hào)采集電極陣列21。信號(hào)采集芯片11通過(guò)與之連接的天線12將數(shù)字化處理之后的信號(hào)傳遞給與之協(xié)同工作的采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器14，同時(shí)采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器14通過(guò)天線13以電感藕合(Inductive Coupling)的無(wú)線方式給信號(hào)采集芯片11提供電能。圖1中無(wú)線通信和供電方式70實(shí)際包括電感藕合匹配的天線12和成對(duì)的天線13。因此，該無(wú)線通道同時(shí)負(fù)責(zé)給信號(hào)采集芯片11提供電能，也負(fù)責(zé)在信號(hào)采集芯片11與采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器14之間交換數(shù)據(jù)信息。[0034]圖1中信號(hào)刺激部件53包括CMOS集成電路設(shè)計(jì)的信號(hào)刺激芯片18以倒裝芯片接合(Flip Chip Bonding)方式29與神經(jīng)信號(hào)刺激電極陣列22連接，神經(jīng)信號(hào)刺激電極陣列22的每個(gè)電極與信號(hào)刺激芯片18中獨(dú)立的刺激通道控制電路連接，可以獨(dú)立的在相同或不同的時(shí)間以相同或不同的強(qiáng)度刺激其附近的神經(jīng)細(xì)胞或相關(guān)組織20。信號(hào)刺激芯片18通過(guò)與之連接的天線17接收控制指令和刺激強(qiáng)度及時(shí)間的信息，并按指令在特定的刺激通道在特定的時(shí)間產(chǎn)生特定強(qiáng)度的刺激。使之獲得信號(hào)采集芯片獲得的相同或類(lèi)似的神經(jīng)微電信號(hào)41，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的多通道神經(jīng)信號(hào)的無(wú)線轉(zhuǎn)錄。圖1中無(wú)線通信和供電方式71實(shí)際包括電感藕合匹配的天線17和成對(duì)的天線16。通過(guò)這個(gè)無(wú)線通信和供電方式71，與信號(hào)刺激芯片18協(xié)同工作的刺激數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器15負(fù)責(zé)給信號(hào)刺激芯片18提供電能，也負(fù)責(zé)在刺激數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器15與信號(hào)刺激芯片18之間交換數(shù)據(jù)信息。
[0035]信號(hào)采集部件52中的采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器14以及信號(hào)刺激部件53中的刺激數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器15同時(shí)具備通過(guò)無(wú)線電感耦合的成對(duì)天線給相應(yīng)的信號(hào)采集芯片11和信號(hào)刺激芯片18提供數(shù)據(jù)和電能，同時(shí)，憑借傳統(tǒng)的通信技術(shù)，采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器14和刺激數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器15之間可以以有線或無(wú)線的方式30相互交換數(shù)據(jù)，從而實(shí)時(shí)的將信號(hào)采集芯片11采集到的神經(jīng)信號(hào)直接發(fā)送到信號(hào)刺激芯片18。為了達(dá)到在不同的時(shí)間重現(xiàn)神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)錄的目的，采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器14和刺激數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器15同樣也可以以傳統(tǒng)的有線或者無(wú)線的通信方式31與外部全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)處理器51通信，將信號(hào)采集部件52獲得的特定時(shí)間間隔內(nèi)的多通道神經(jīng)信號(hào)以數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)于外部全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)處理器51中，由其完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換處理、或過(guò)濾，然后將特定時(shí)間間隔內(nèi)的多通道神經(jīng)信號(hào)傳送到信號(hào)刺激部件53，由其產(chǎn)生相應(yīng)連串的多通道刺激信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)從采集到加工到重現(xiàn)的完整轉(zhuǎn)錄過(guò)程。
[0036]信號(hào)采集芯片11的結(jié)構(gòu)如圖3所示。電極接收的微電信號(hào)60首先通過(guò)低噪放大電路61將信號(hào)放大到理想的共模電位，同時(shí)保持與電極上形成的微電信號(hào)60成比例的一級(jí)放大信號(hào)62，以供后繼比較器63與反饋信號(hào)64進(jìn)行比較。比較器的結(jié)果進(jìn)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路65后，形成的數(shù)字信號(hào)將通過(guò)數(shù)字處理電路66，由其中的低通濾波處理電路提取從直流到500赫茲范圍的低頻信號(hào)，并由其中的帶通濾波處理電路提取500赫茲到40000赫茲范圍內(nèi)的帶頻信號(hào)。獲得低頻部分?jǐn)?shù)字信號(hào)將重新經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路67形成反饋信號(hào)64，由比較器63進(jìn)行比較，從而形成自校驗(yàn)的信號(hào)回路。由數(shù)字處理電路66獲得的數(shù)字信號(hào)輸入到反向無(wú)線供電通信電路68，經(jīng)由電感藕合匹配的天線12和成對(duì)的天線13，從而傳送到采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器14。同時(shí)無(wú)線供電通信電路68將借由電感藕合匹配的天線12和天線13獲得由采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器14無(wú)線傳輸?shù)碾娔?，從而提供整個(gè)信號(hào)采集芯片11的電能。另外，與無(wú)線供電通信電路68連接的中央控制電路69將負(fù)責(zé)控制無(wú)線供電通信電路68的工作模式以及獲取前向數(shù)據(jù)通道傳輸進(jìn)來(lái)的控制信號(hào)，以控制整個(gè)芯片的采集參數(shù)及運(yùn)作模式。圖3中虛線框內(nèi)所示為單個(gè)采集通道80的結(jié)構(gòu)。在單個(gè)信號(hào)采集芯片11中，根據(jù)信號(hào)采集的需求，可以有多個(gè)獨(dú)立的采集通道80分別獨(dú)立工作，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)由同一個(gè)無(wú)線供電通信電路68向采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器14傳送。
[0037]由于無(wú)線供電通信電路68同時(shí)負(fù)責(zé)提供電能和傳送數(shù)據(jù)，因此需要根據(jù)采集通道的數(shù)量和前向控制數(shù)據(jù)決定的帶寬要求，采用MICS或LSK或OOK之中的不同調(diào)制模式來(lái)與采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器14交換信息。
[0038] 信號(hào)刺激芯片18的結(jié)構(gòu)如圖4所示。與信號(hào)采集芯片11的無(wú)線供電和信號(hào)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)類(lèi)似，信號(hào)刺激芯片18也通過(guò)電感藕合匹配的天線16和天線17與信號(hào)刺激部件53中的刺激數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器15協(xié)同工作。無(wú)線供電通信電路81由與天線16電感藕合匹配的天線17獲得信號(hào)刺激芯片18工作所需的電能。同時(shí)，無(wú)線供電通信電路81將提取位于MICS頻段的或IMHz以內(nèi)頻段的曼徹斯特編碼(Manchester Encoded)的前向數(shù)據(jù),將解碼的數(shù)據(jù)和控制以及配置指令傳遞到中央邏輯控制單元82，即中央控制電路。中央邏輯控制單元82將從解碼獲得的前向數(shù)據(jù)中的每一個(gè)通道的幅值強(qiáng)度傳遞到各個(gè)通道的寄存器83，寄存器83保存的數(shù)據(jù)用于該刺激通道的當(dāng)前刺激幅值，同時(shí)每個(gè)刺激通道的局部控制器84將接收中央邏輯控制單元82的時(shí)序信息，用來(lái)控制當(dāng)前通道當(dāng)前的時(shí)間的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，同時(shí)，這種時(shí)序和幅值信息的分離可以使得刺激通道的刺激幅值得到重復(fù)使用，從而有效的降低對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的帶寬要求。每個(gè)通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路85根據(jù)局部控制器84的控制指令，在特定的時(shí)間被打開(kāi)開(kāi)始工作，同時(shí)按照寄存器83中存儲(chǔ)的幅值信息將產(chǎn)生相應(yīng)的刺激電信號(hào)，從而使的與該通道連接的電極刺激其周?chē)纳窠?jīng)細(xì)胞或相關(guān)組織。在生成刺激信號(hào)的過(guò)程中，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路85如果檢測(cè)到電信號(hào)超出工作范圍則需要向中央邏輯控制單元82發(fā)送警告信息，從而使外界數(shù)據(jù)發(fā)送單元獲得當(dāng)前刺激信號(hào)的反饋，從而避免產(chǎn)生過(guò)量的刺激信號(hào)。圖4中虛線框內(nèi)所示為單個(gè)刺激通道90的結(jié)構(gòu)。在單個(gè)信號(hào)刺激芯片18中，根據(jù)信號(hào)刺激的需求，可以有多個(gè)獨(dú)立的刺激通道90分別獨(dú)立工作，在每個(gè)不同的刺激電極產(chǎn)生獨(dú)立控制的刺激信號(hào)。
【權(quán)利要求】
1.一種神經(jīng)信號(hào)無(wú)線轉(zhuǎn)錄方法，其特征在于:包括以下步驟: a、通過(guò)跟神經(jīng)細(xì)胞或組織接觸的電極，來(lái)采集電極周?chē)缮窠?jīng)細(xì)胞或組織產(chǎn)生的微電信號(hào); b、通過(guò)低噪放大電路來(lái)生成與電極上形成的微電信號(hào)成比例的一級(jí)放大信號(hào)； C、通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將一級(jí)放大信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)； d、將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)由無(wú)線通信傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收元件，同時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)接受元件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； e、將d步驟中轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)或者儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)； f、將電信號(hào)借由連接的跟神經(jīng)細(xì)胞或組織接觸的電極刺激其附近的神經(jīng)細(xì)胞或組織，由此使神經(jīng)信號(hào)重現(xiàn)于該神經(jīng)細(xì)胞或組織。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的神經(jīng)信號(hào)無(wú)線轉(zhuǎn)錄方法，其特征在于:由個(gè)體甲于某一時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始產(chǎn)生的連串完整的神經(jīng)信號(hào)記錄并存儲(chǔ)、或再處理后，使個(gè)體甲或不同的個(gè)體乙的神經(jīng)細(xì)胞或組織于相同或不同的時(shí)間重現(xiàn)這連串完整的或經(jīng)過(guò)處理的神經(jīng)信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的神經(jīng)信號(hào)無(wú)線轉(zhuǎn)錄方法，其特征在于:步驟c中轉(zhuǎn)換成的部分?jǐn)?shù)字信號(hào)還通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后反饋，與步驟b中一級(jí)放大信號(hào)進(jìn)行比較，形成自校驗(yàn)的信號(hào)回路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的神經(jīng)信號(hào)無(wú)線轉(zhuǎn)錄方法，其特征在于:步驟c中轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)包括直流到500赫茲范圍的低頻信號(hào)及500赫茲到40000赫茲范圍的帶頻信號(hào)，所述反饋的部分?jǐn)?shù)字信號(hào)為低頻信號(hào)。
5.一種適用于權(quán)利要求1所述神經(jīng)信號(hào)無(wú)線轉(zhuǎn)錄方法的神經(jīng)信號(hào)無(wú)線轉(zhuǎn)錄裝置，其特征在于:包括信號(hào)采集芯片、信號(hào)刺激芯片、以及帶有數(shù)據(jù)接受元件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，信號(hào)采集芯片、信號(hào)刺激芯片分別連接有跟神經(jīng)細(xì)胞或組織接觸的電極，信號(hào)采集芯片包括依次連接的獨(dú)立多通道采集電路、無(wú)線供電通信電路，單個(gè)采集通道依次包括微電信號(hào)采集低噪放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號(hào)處理電路，信號(hào)刺激芯片包括依次連接的無(wú)線供電通信電路、中央控制電 路、以及獨(dú)立多通道刺激電路，各個(gè)刺激通道均具有數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的神經(jīng)信號(hào)無(wú)線轉(zhuǎn)錄裝置，其特征在于:所述采集通道還設(shè)有反饋?zhàn)孕ｒ?yàn)的信號(hào)回路，在微電信號(hào)采集低噪放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路之間串接有比較器，數(shù)字信號(hào)處理電路到比較器之間設(shè)有反饋通道，反饋通道上設(shè)有數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的神經(jīng)信號(hào)無(wú)線轉(zhuǎn)錄裝置，其特征在于:所述數(shù)字信號(hào)處理電路包括獲取直流到500赫茲范圍低頻信號(hào)的低通濾波電路、獲取500赫茲到40000赫茲范圍帶頻信號(hào)的帶通濾波電路，低通濾波電路連接數(shù)模轉(zhuǎn)換電路后分別連接比較器和無(wú)線供電通信電路，帶通濾波電路直接連接無(wú)線供電通信電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6或7所述的神經(jīng)信號(hào)無(wú)線轉(zhuǎn)錄裝置，其特征在于:所述刺激通道還包括寄存器和局部控制器，寄存器和局部控制器并聯(lián)設(shè)置在信號(hào)刺激芯片的中央控制電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路之間，寄存器保存的數(shù)據(jù)用于控制刺激通道的當(dāng)前刺激幅值，局部控制器將接收中央控制電路的時(shí)序信息，控制當(dāng)前刺激通道當(dāng)前的時(shí)間的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
【文檔編號(hào)】A61N1/36GK103908746SQ201310005346
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2013年1月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月8日
【發(fā)明者】白舜, 楊佳威 申請(qǐng)人:白舜, 楊佳威