專利名稱：基于體信道傳輸技術的植入式神經(jīng)信號記錄系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電子技術領域，特別是指一種基于體信道傳輸技術的植入式神經(jīng)信號記錄系統(tǒng)。
背景技術：
實時的記錄人的神經(jīng)元的活動對于科學研究和臨床醫(yī)療都具有重大的意義。目前在學術界已經(jīng)設計了很多種神經(jīng)信號記錄微電極，將這些電極植入到體內(nèi)以提取神經(jīng)信號，提取到的神經(jīng)信號通過金屬線與外部設備直接相連來實現(xiàn)信號的傳輸。在醫(yī)學應用中，通過金屬線將植入體內(nèi)的電極與外部設備直接相連的傳輸方式容易導致感染。另外，這種方式一般會將被檢測體麻酔，這樣就很難記錄處于非麻醉狀態(tài)下自由活動的人的神經(jīng)信號，也無法長期記錄。
另外ー種方法是將神經(jīng)記錄微電極和信號處理電路模塊集成在一起一同植入到體內(nèi)，信號通過射頻傳輸方式發(fā)送到外部設備。采用射頻傳輸可以解決金屬線傳輸?shù)膯栴}，但傳輸功耗高，體內(nèi)電路產(chǎn)生過大熱量易造成組織損傷，同時易受到其他射頻信號的干擾。利用人體本身具有的導體和電解質(zhì)的特性，采用體信道傳輸?shù)姆绞讲粌H可以解決金屬線傳輸?shù)膯栴}，而且可以實現(xiàn)低功耗的傳輸，減少發(fā)熱量對組織造成的損傷，同時延長植入系統(tǒng)電池的使用時間，并不易受周圍環(huán)境的干擾，從而使人在自由活動下的長期神經(jīng)信號的記錄成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種基于體信道傳輸技術的植入式神經(jīng)信號記錄系統(tǒng)，其是利用體信道作為信號傳輸媒介，不需要通過金屬連線將體內(nèi)的植入器件與體外的設備相連，可以避免有線連接造成的傷ロ感染；和采用Blue tooth等無線數(shù)據(jù)通信技術相比，基于體信道傳輸?shù)闹踩胂到y(tǒng)功耗更低，發(fā)熱量較小，對植入體組織有利，同時能延長植入系統(tǒng)電池的使用壽命。本發(fā)明提供一種基于體信道傳輸?shù)闹踩胧缴窠?jīng)信號記錄系統(tǒng)，包括ー神經(jīng)信號記錄微電極；ー神經(jīng)信號預處理電路，該神經(jīng)信號預處理電路的輸入端與神經(jīng)信號記錄微電極連接，完成體內(nèi)神經(jīng)信號的采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；一體內(nèi)發(fā)射機，該體內(nèi)發(fā)射機的輸入端與神經(jīng)信號預處理電路的輸出端連接；一第一信號傳輸接觸電極，該第一信號傳輸接觸電極與體內(nèi)發(fā)射機的輸出端連接；—第二信號傳輸接觸電極；一體外接收機，該體外接收機的輸入端與第二信號傳輸接觸電極連接；ー計算機，該計算機的輸入端與體外接收機的輸出端連接，接收并處理體外接收機的輸入信號。


為進ー步說明本發(fā)明的技術內(nèi)容，以下結合實施例及附圖詳細說明如后，其中圖I是細胞或組織的簡化等效電路圖；圖2是神經(jīng)信號記錄系統(tǒng)簡圖；圖3是神經(jīng)信號預處理電路結構圖；圖4是發(fā)射機電路結構圖；圖5是體外接受機電路結構圖。
具體實施例方式人體具有導體和電解質(zhì)的特性，H. Kanai提出了細胞或組織的簡化等效電路，如圖I所示。其中，Cm為細胞膜電容，Ri是細胞內(nèi)電阻，Re是細胞外電阻?？梢岳萌梭w的導電性將人體作為波導傳輸植入式神經(jīng)信號記錄系統(tǒng)所記錄的電信號。請參閱圖2-圖5所示，本發(fā)明提供一種基于體信道傳輸?shù)闹踩胧缴窠?jīng)信號記錄系統(tǒng)(圖2中)，包括ー神經(jīng)信號記錄微電極10，該神經(jīng)信號記錄微電極10采用Utah平板式微電極陣列，該電極具有優(yōu)異的生物相容性，可長期植入并保持穩(wěn)定。該神經(jīng)信號記錄微電極10上有多個記錄點，可以同時采集多個點的電信號。為了便于說明，這里假設有a、b、C、d四個記錄點，對應四路神經(jīng)信號(參閱圖2)。將其中ー個點設定為參考電位，如設定a點的電位為參考電位，神經(jīng)信號預處理電路11和體內(nèi)發(fā)射機12都以這個點的電位為參考電位。ー神經(jīng)信號預處理電路11 (參閱圖3)，該神經(jīng)信號預處理電路11的輸入端與神經(jīng)信號記錄微電極10連接，完成體內(nèi)神經(jīng)信號的采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，其中神經(jīng)信號預處理電路11包括多路模擬前端信號調(diào)理電路111，一模擬多路選擇器112，該模擬多路選擇器112接收多路模擬前端信號調(diào)理電路111的輸入信號，ー模數(shù)轉(zhuǎn)換器113，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器113的輸入端與模擬多路選擇器112的輸出端連接。該神經(jīng)信號預處理電路11中多路模擬前端信號調(diào)理電路111的數(shù)量為4-32路,姆一路模擬前端信號調(diào)理電路111包括一電容稱合放大器1111和與之連接的濾波器1112，該神經(jīng)信號預處理電路11中的電容耦合放大器1111通過電容耦合方式將神經(jīng)信號進行放大，可以濾除電極-電解液界面所引入的直流漂移。該電容耦合放大器1111是全差分結構，且低頻截止點可調(diào)，具有低噪聲、低功耗的優(yōu)點。該神經(jīng)信號預處理電路11中的濾波器1112是全差分結構，且?guī)捒烧{(diào)的四階貝塞爾濾波器，該濾波器1112結構為四級的全差分結構開關電容濾波器的級聯(lián)。通過濾波器1112將高于
O.5倍的模數(shù)轉(zhuǎn)換器113的采樣頻率，即高于fs/2的帶外信號和噪聲有效抑制，以保證信號中沒有高于fs/2的頻率成份，避免欠采樣所造成的混疊現(xiàn)象，提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器113的信噪比。通過對該神經(jīng)信號預處理電路11中模擬多路選擇器112的控制，可以實現(xiàn)神經(jīng)信號記錄通道數(shù)的改變，以實現(xiàn)單通道神經(jīng)信號記錄，或者多路神經(jīng)信號記錄的時分復用。該神經(jīng)信號預處理電路11中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器113是全差分結構，具有實時處理多通道神經(jīng)信號功能的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有中等速度、中等精度、功耗低和面積小的綜合優(yōu)勢，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器113的位數(shù)設計為高于8位，能滿足輸入信號動態(tài)范圍和噪聲的要求。一體內(nèi)發(fā)射機12 (參閱圖4)，該體內(nèi)發(fā)射機12的輸入端與神經(jīng)信號預處理電路11的輸出端連接，該體內(nèi)發(fā)射機12包括一編碼器121，ー調(diào)制電路122，采用頻移鍵控調(diào)制的方式，該調(diào)制電路122的輸入端與編碼器121的輸出端連接，一驅(qū)動器123，該驅(qū)動器123的輸入端與調(diào)制電路122的輸出端連接；—第一信號傳輸接觸電極13,該第一信號傳輸接觸電極13與體內(nèi)發(fā)射機12的輸出端連接，將體內(nèi)發(fā)射機12的電信號通過皮膚耦合傳輸?shù)饺梭w。—第二信號傳輸接觸電極15，通過皮膚接觸探測耦合到人體的電信號；—體外接收機16 (參閱圖5),該體外接收機16的輸入端與第二信號傳輸接觸電極15連接，該體外接收機16包括一解調(diào)電路161，采用頻移鍵控解調(diào)的方式，一譯碼器162，該譯碼器162的輸入端與解調(diào)電路161的輸出端連接，一數(shù)字處理模塊163，該數(shù)字處理模 塊163的輸入端與譯碼器162的輸出端連接。一計算機17，該計算機17的輸入端與體外接收機16的輸出端連接，接收并處理體外接收機16的輸入信號。在計算機17上開發(fā)相應的用戶接ロ界面，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示與數(shù)據(jù)的儲存和進一歩的處理?；隗w信道傳輸?shù)闹踩胧缴窠?jīng)信號記錄系統(tǒng)工作過程如下典型的神經(jīng)信號幅度為50μ V_5mV，頻率為lHz-lOkHz，基于神經(jīng)信號頻率和幅度的動態(tài)范圍大，而且神經(jīng)信號記錄微電極10與神經(jīng)元周圍的環(huán)境都很容易引入噪聲，因此神經(jīng)信號記錄微電極10采集到的神經(jīng)信號首先應由神經(jīng)信號預處理電路11將神經(jīng)信號進行放大和帶外噪聲抑制。經(jīng)過神經(jīng)信號預處理電路11處理過的信號傳輸?shù)襟w內(nèi)發(fā)射機12。在體內(nèi)發(fā)射機12的發(fā)射端，電信號通過第一信號傳輸接觸電極13以電流耦合的方式加載到皮膚，而身體被作為波導傳輸所記錄到的電信號。在體外，第二信號傳輸接觸電極15探測從體內(nèi)傳輸?shù)饺梭w皮膚的信號，體外接收機16將第二信號傳輸接觸電極15探測的電信號進行解調(diào)與相應的數(shù)字處理后傳輸給外部計算機17進行顯示、存儲及后續(xù)數(shù)據(jù)處理。這樣就實現(xiàn)了利用人體自身作為傳輸媒介將采集到的神經(jīng)信號由體內(nèi)傳輸?shù)襟w外?；隗w信道傳輸?shù)闹踩胧缴窠?jīng)信號記錄系統(tǒng)的植入過程如下首先建立一個基于體信道傳輸?shù)哪Ｐ?，選擇與人體皮膚組織具有類似導電性和電解質(zhì)特性的生物材料建立體信道傳輸?shù)哪Ｐ?。采用這個體信道傳輸模型，先對體內(nèi)發(fā)射機12、第一信號傳輸接觸電極13、第二信號傳輸接觸電極15和體外接收機15進行測試，評估皮膚組織能接受的發(fā)熱量與植入系統(tǒng)的功率，以確定合適的傳輸距離。確定合適的傳輸距離后，進行整個系統(tǒng)的體外調(diào)試。整個系統(tǒng)的體外調(diào)試完成后再將包括神經(jīng)記錄微電極10，神經(jīng)信號預處理電路11，體內(nèi)發(fā)射機12，第一信號傳輸接觸電極13以及供電電池的系統(tǒng)植入體內(nèi)。將第二信號傳輸接觸電極15以前面實驗中測試得到的合適的與體外皮膚接觸，然后連接上體外接收電極16以及計算機17。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發(fā)明所揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變換或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
1.一種基于體信道傳輸?shù)闹踩胧缴窠?jīng)信號記錄系統(tǒng)，包括ー神經(jīng)信號記錄微電極；ー神經(jīng)信號預處理電路，該神經(jīng)信號預處理電路的輸入端與神經(jīng)信號記錄微電極連接，完成體內(nèi)神經(jīng)信號的采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；一體內(nèi)發(fā)射機，該體內(nèi)發(fā)射機的輸入端與神經(jīng)信號預處理電路的輸出端連接；一第一信號傳輸接觸電極，該第一信號傳輸接觸電極與體內(nèi)發(fā)射機的輸出端連接；一第二信號傳輸接觸電極；一體外接收機，該體外接收機的輸入端與第二信號傳輸接觸電極連接；ー計算機，該計算機的輸入端與體外接收機的輸出端連接，接收并處理體外接收機的輸入信號。
2.如權利要求I所述的基于體信道傳輸?shù)闹踩胧缴窠?jīng)信號記錄系統(tǒng)，其中神經(jīng)信號預處理電路包括多路模擬前端信號調(diào)理電路，一模擬多路選擇器，該模擬多路選擇器接收多路模擬前端信號調(diào)理電路的輸入信號，ー模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端與模擬多路選擇器的輸出端連接。
3.如權利要求2所述的基于體信道傳輸?shù)闹踩胧缴窠?jīng)信號記錄系統(tǒng)，其中多路模擬前端信號調(diào)理電路的數(shù)量為4-32路。
4.如權利要求2所述的基于體信道傳輸?shù)闹踩胧缴窠?jīng)信號記錄系統(tǒng)，其中每一路模擬前端信號調(diào)理電路包括一電容耦合放大器和與之連接的濾波器。
5.如權利要求I所述的基于體信道傳輸?shù)闹踩胧缴窠?jīng)信號記錄系統(tǒng)，其中該體內(nèi)發(fā)射機包括ー編碼器，ー調(diào)制電路，該調(diào)制電路的輸入端與編碼器的輸出端連接，ー驅(qū)動器，該驅(qū)動器的輸入端與調(diào)制電路的輸出端連接。
6.如權利要求I所述的基于體信道傳輸?shù)闹踩胧缴窠?jīng)信號記錄系統(tǒng)，其中體外接收機包括一解調(diào)電路，一譯碼器，該譯碼器的輸入端與解調(diào)電路的輸出端連接，一數(shù)字處理模塊，該數(shù)字處理模塊的輸入端與譯碼器的輸出端連接。
7.如權利要求2所述的基于體信道傳輸?shù)闹踩胧缴窠?jīng)信號記錄系統(tǒng)，其中神經(jīng)信號預處理電路中的電容耦合放大器是全差分結構，且低頻截止點可調(diào)。
8.如權利要求2所述的基于體信道傳輸?shù)闹踩胧缴窠?jīng)信號記錄系統(tǒng)，其中神經(jīng)信號預處理電路中的濾波器是全差分結構，且?guī)挒榭烧{(diào)的四階貝塞爾濾波器。
9.如權利要求2所述的基于體信道傳輸?shù)闹踩胧缴窠?jīng)信號記錄系統(tǒng)，其中神經(jīng)信號預處理電路中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是全差分結構，具有實時處理多通道神經(jīng)信號功能的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
全文摘要
一種基于體信道傳輸?shù)闹踩胧缴窠?jīng)信號記錄系統(tǒng)，包括一神經(jīng)信號記錄微電極；一神經(jīng)信號預處理電路，其輸入端與神經(jīng)信號記錄微電極連接，完成體內(nèi)神經(jīng)信號的采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；一體內(nèi)發(fā)射機，其輸入端與神經(jīng)信號預處理電路的輸出端連接；一第一信號傳輸接觸電極，其與體內(nèi)發(fā)射機的輸出端連接；一第二信號傳輸接觸電極；一體外接收機，其輸入端與第二信號傳輸接觸電極連接；一計算機，該計算機的輸入端與體外接收機的輸出端連接，接收并處理體外接收機的輸入信號。本發(fā)明是利用體信道作為信號傳輸媒介，不需要通過金屬連線將體內(nèi)的植入器件與體外的設備相連，可以避免有線連接造成的傷口感染；本發(fā)明具有發(fā)熱量較小，對植入體組織有利，同時能延長植入系統(tǒng)電池的使用壽命。
文檔編號G08C17/06GK102824169SQ20121030914
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月27日 優(yōu)先權日2012年8月27日
發(fā)明者張旭, 桂赟, 陳弘達 申請人:中國科學院半導體研究所