CN103908746A - 一种神经信号无线转录方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种神经信号转录方法，以及一种结合神经信号采集芯片、神经信号刺激芯片、信号存储器件以及它们之间的无线供电和信号通信的装置。本发明通过采集芯片、数据存储设备、以及刺激芯片的依次协同工作，将由个体甲于某一时间点产生的连串完整的神经信号采集、记录并存储或再处理，然后使相同的个体或不同的个体乙的神经细胞或组织于相同或不同的时间重现这连串完整的或经过处理的神经信号，从而实现神经信号的无线转录。本发明通过集成无线供电和通信技术，将信号采集芯片和刺激芯片以及数据存储设备连接形成一整套的神经信号信息化的解决方案，使得神经信号的无线转录成为现实，提供了神经科学的领域研究以及神经疾病诊断治疗中具有广泛应用的工具。

Description

一种神经信号无线转录方法及装置

技术领域

本发明涉及一种神经信号转录方法，以及一种结合神经信号采集芯片、神经信号刺激芯片、信号存储器件以及它们之间的无线信号通信的装置。

技术背景

生物个体的神经***提供生物体的各个部位神经信号以控制生物个体的活动，同时神经***依赖感受细胞器来感知外在的实体环境以及内在的活体环境，并以神经信号的方式传递给其他神经***的细胞。由以往的神经科学领域的研究已知神经***如何产生神经信号来运载信息的方式。但由于神经***的复杂性，在神经科学研究领域，通过神经信号来解释生物个体的行为模式的研究还处于初级阶段。在神经***疾病的诊断治疗方面，也缺乏易用有效解决方案在大规模信号传递的通路中诊断确切的病变。在世界范围逐渐积累的研究表明，可以通过采集以电信号的方式传播的神经信号，并重新以电信号的方式施加于神经细胞，可以达到重现神经信号的作用。但由于以往技术的限制，对神经信号的采集以及刺激无法达到神经***对信号带宽、信息量以及有效性的要求。传统的神经信号采集和刺激装置都需要大型的体外设备仪器辅助植入电极进行信号采集和提供神经细胞刺激信号，这个方式极大的限制了研究方法，并很难提供长时间的体内的***性监测和记录。

发明内容

本发明的目的在于提出一种通过无线传输由信号采集芯片获得的神经信号并存储于外部设备、或无线传输到神经刺激器上的方法及应用装置，进而实现体外对神经信号的处理、传输、存储、转换以及重现于生物个体的神经***或生物组织的神经细胞或组织样本。通过大规模集成电路设计的CMOS芯片，集成无线数据和供能技术，将超高密度多通道采集电路以及电流刺激电路应用于神经***的研究、神经***疾病的诊断治疗，从而实现并满足可重复性、便携性、易用性、高密度、以及高效性的要求。本技术适用范围包括但不仅限于生物体内或体外的方式采集的神经信号以无线的方式传输、存储以及读取调用。同时本技术利用神经信号刺激芯片将无线传输的信号重新施加于生物体内或体表的神经细胞，以达到在同一生物体（或组织）的不同时间或者不同生物体（或组织）的同一时间或者不同生物体（或组织）的不同时间，重现神经信号的目的。对于神经科学的研究、神经***疾病的诊断治疗，提供有效的解决。

本发明提出一套基于无线技术的神经信号转录的技术方案是：

一种神经信号无线转录方法，包括以下步骤：

a、通过跟神经细胞或组织接触的电极，来采集电极周围由神经细胞或组织产生的微电信号；

b、通过低噪放大电路来生成与电极上形成的微电信号成比例的一级放大信号；

c、通过模数转换电路将一级放大信号转换成数字信号；

d、将转换得到的数字信号由无线通信传输到数据接收元件，同时存储到数据接受元件的数据存储器；

e、将d步骤中转换得到的数字信号或者储存于数据存储器的数字信号转换成电信号；

f、将电信号借由连接的跟神经细胞或组织接触的电极刺激其附近的神经细胞或组织，由此使神经信号重现于该神经细胞或组织。

作为优选，由个体甲于某一时间点开始产生的连串完整的神经信号记录并存储、或再处理后，使个体甲或不同的个体乙的神经细胞或组织于相同或不同的时间重现这连串完整的或经过处理的神经信号。

作为优选，步骤c中转换成的部分数字信号还通过数模转换为模拟信号后反馈，与步骤b中一级放大信号进行比较，形成自校验的信号回路。

作为优选，步骤c中转换成的数字信号包括直流到500赫兹范围的低频信号及500赫兹到40000赫兹范围的带频信号，所述反馈的部分数字信号为低频信号。

一种适用于上述神经信号无线转录方法的神经信号无线转录装置，包括信号采集芯片、信号刺激芯片、以及带有数据接受元件的数据存储器，信号采集芯片、信号刺激芯片分别连接有跟神经细胞或组织接触的电极，信号采集芯片包括依次连接的独立多采集通道电路、无线供电通信电路，单个采集通道依次包括微电信号采集低噪放大电路、模数转换电路、数字信号处理电路，信号刺激芯片包括依次连接的无线供电通信电路、中央控制电路、以及独立多通道刺激电路，各刺激通道均具有数模转换电路。

作为优选，所述采集通道还设有反馈自校验的信号回路，在微电信号采集低噪放大电路和模数转换电路之间串接有比较器，数字信号处理电路到比较器之间设有反馈通道，反馈通道上设有数模转换电路。

作为优选，所述数字信号处理电路包括获取直流到500赫兹范围低频信号的低通滤波电路、获取500赫兹到40000赫兹范围带频信号的带通滤波电路，低通滤波电路连接数模转换电路后分别连接比较器和无线供电通信电路，带通滤波电路直接连接无线供电通信电路。

作为优选，所述刺激通道还包括寄存器和局部控制器，寄存器和局部控制器并联设置在信号刺激芯片的中央控制电路和数模转换电路之间，寄存器保存的数据用于控制刺激通道的当前刺激幅值，局部控制器将接收中央控制电路的时序信息，控制当前刺激通道当前的时间的开关状态。

将集成多通道的微电信号采集低噪放大电路（Low-Noise-Amplifier）、比较器（Comparator）、模数转换电路（Analog to Digital Converter，ADC）、数模转换电路（Digital to Analog Converter，DAC）、数字信号处理电路（Digital Signal Processing，DSP）、低通滤波电路（Low Pass Filter）、带通滤波电路（Band Pass Filter）、中央控制电路、以及无线供电通信电路于一体的大规模集成电路设计的CMOS信号采集芯片，连接跟神经细胞或组织接触的电极，来采集电极周围由神经细胞或组织产生的微电信号，通过低噪放大电路来生成与电极上形成的微电信号成比例的一级放大信号，并经过模数转换电路形成数字信号，其中通过低通滤波电路获取从直流到500赫兹范围低频信号，通过带通滤波电路获取500赫兹到40000赫兹范围内带频信号，并同时使用数模转换电路将形成的数字信号转换成模拟信号然后负反馈到滤波器产生的模拟信号通过比较器进行比较，从而形成自校验的信号回路，然后将转换得到的数字信号输入到反向无线供电通信电路，并经由无线供电通信电路与数据接收元件通信传输，同时存储到数据接受元件的数据存储器。该数据接收元件同时使用无线通信频道给该信号采集芯片无线提供能量和前向无线信号（信号包括但不仅限于对该集成电路芯片的控制指令、数据、配置设置等），同时，该数据接受元件将接收到的神经信号采集转换过后的数字信号存储于数据存储设备，或者与其他的数据存储设备通过无线或有线的方式交换其存储的或实时接受到的来自信号采集芯片的数字信号。

不同的数据存储设备可以另外与一个集成无线供电通信电路、数字信号处理电路（DSP）、中央控制电路、数模转换电路（DAC）、以及独立多通道刺激电路于一体的大规模集成电路设计的CMOS信号刺激芯片通信，并同时采用无线供电的方式，由前向通信将控制指令、数据、配置设置等信息传递到该信号刺激芯片，并将此信号刺激芯片的多通道输出的电信号借由连接的跟神经细胞或组织接触的电极刺激其附近的神经细胞或组织，由此使神经信号重现于该神经细胞或组织。

通过信号采集芯片、数据存储设备、以及信号刺激芯片由以上所述的方式工作，将由个体甲于某一时间点产生的连串完整的神经信号记录并存储、或再处理，然后使相同的个体或不同的个体乙的神经细胞或组织于相同或不同的时间重现这连串完整的或经过处理的神经信号，从而实现神经信号的无线转录。

作为优选，所述的信号采集芯片和信号刺激芯片采用互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductors）技术设计制造。

作为优选，所述的信号采集芯片和信号刺激芯片采用倒装片键合（Flip Chip Bonding）技术与电极连接。

作为优选，所述的无线供电通信电路采用电感藕合（Inductive Coupling）方式提供信号采集芯片和信号刺激芯片所需的电能。

作为优选，所述的无线供电通信电路采用医疗植入通讯服务频段（Medical Implant Communication Service Band，MICS）来提供前向信息通讯，以提供信号采集芯片和信号刺激芯片控制指令、数据、配置设置等信息。

作为优选，所述的无线供电通信电路采用载荷调制（Load Shift Keying，LSK，又或称为On-Off Keying，OOK）方式来将数字信息由信号采集芯片或信号刺激芯片反向传送到与之无线电感耦合连接的数据接收元件。

作为优选，所述的信号采集芯片可以切换无线通信调制模式，采用MICS或LSK或OOK将数据传输到数据接收元件，以适应不同的数据传输带宽要求。

作为优选，所述的信号刺激芯片可以切换无线通信调制模式，采用MICS或LSK或OOK将数据传输到数据接收元件，以适应不同的数据传输带宽要求。

作为优选，数据接受元件将接收到的由信号采集芯片采集的微电神经信号转换成的数字信号存储，并可通过无线或有线的方式借由外部数字处理器件及软件分析、显示、修改、或处理以及再利用。

作为优选，数据存储元件之间、数据存储元件与信号采集芯片之间以及数据存储元件与信号刺激芯片之间通过无线的方式交换数据，该数据可以是由信号采集芯片实时得到或者是经由数字处理之后存储的数据。

作为优选，信号采集芯片和信号刺激芯片分别具备独立多通道采集和刺激的特点，各个通道可以独立采集信号或提供刺激信号，并共享同一无线通信方式与数据存储元件交换数据。

作为优选，信号采集芯片和信号刺激芯片的输入输出通道的个数以及其位于芯片的位置由具体应用以及电极阵列的个数以及相对位置决定。

本发明通过集成无线供电和通信技术，将信号采集芯片和信号刺激芯片以及数据存储设备连接形成一整套的神经信号信息化的解决方案，并借由无线技术实现可重复性高、便携、易用、高密度以及高效性的目标，使得神经信号的无线转录成为现实，提供了神经科学的领域研究以及神经疾病诊断治疗中具有广泛应用的工具。

附图说明

图1是本发明无线神经信号转录的***结构示意图；

图2是本发明无线神经信号转录的具体结构示意图；

图3是本发明无线神经信号转录中多通道信号采集部件的设计的示意图；

图4是本发明无线神经信号转录中多通道信号刺激部件的设计的示意图。

具体实施方式

下面通过结合附图对本发明进一步说明。

实施例：一种神经信号无线转录的实施方式如图1所示。

神经信号的无线转录如图1的实施方式包括一下组成部分：

信号采集部件52，其中包括信号采集芯片11以及与之协同工作提供无线供电和提供局部数据存储传输功能的采集数据存储器14。信号采集芯片11与采集数据存储器14之间以无线通信和供电方式70相互协同工作连接，具体工作方式在图2中示范。实际应用中，可以有一个或着多个信号采集部件52的可独立分别控制的实体以同时或者分别依特定次序工作于同一个体的不同位置或不同个体，每个实体以相同的信号采集部件52的方式构成。采集数据存储器14与外部全局数据存储处理器51以有线或者无线的方式连接通信31，交换采集到的神经信号信息（同时也包括但不仅限于对信号采集部件52的控制指令、数据、配置设置等）。

信号刺激部件53，其中包括提供无线供电和局部数据存储传输功能的刺激数据存储器15以及与之协同工作的信号刺激芯片18。信号刺激芯片18与刺激数据存储器15之间以无线通信和供电方式71相互协同工作连接，具体工作方式在图2中示范。实际应用中，可以有一个或者多个信号刺激部件53的可独立分别控制的实体以同时或者分别依特定次序工作于同一个体的不同位置或不同个体，每个实体以相同的信号刺激部件53的方式构成。刺激数据存储器15与外部全局数据存储处理器51可以以有线或者无线的方式连接通信31，交换刺激信号的信息（包括但不仅限于对信号刺激部件53的控制指令、数据、配置设置等）。同时，每个信号采集部件52可以分别以无线的方式30传递信息（包括但不仅限于对信号刺激部件53的控制指令、数据、配置设置等）给一个或者多个信号刺激部件53。每个信号刺激部件53可以每次可以接收任意一个信号采集部件52传递的信息或者是由外部全局数据存储处理器51传递的信息。

信号采集部件52，信号刺激部件53以及外部全局数据存储处理器51协同工作的具体实施方式在图2中加以说明。

其中信号采集部件52包括CMOS集成电路设计的信号采集芯片11以倒装芯片接合（Flip Chip Bonding）方式29与信号采集电极阵列21连接，信号采集电极阵列21的每个电极采集附近神经细胞或相关组织10产生的神经微电信号40，每个电极具备独立的微电信号处理通道。微电信号由信号采集芯片11进行放大并数字化处理，信号采集芯片11的具体结构在图3中加以说明。在图1中的所示的采集芯片实际包括信号采集芯片11以及与之通过倒装芯片接合的信号采集电极阵列21。信号采集芯片11通过与之连接的天线12将数字化处理之后的信号传递给与之协同工作的采集数据存储器14，同时采集数据存储器14通过天线13以电感藕合（Inductive Coupling）的无线方式给信号采集芯片11提供电能。图1中无线通信和供电方式70实际包括电感藕合匹配的天线12和成对的天线13。因此，该无线通道同时负责给信号采集芯片11提供电能，也负责在信号采集芯片11与采集数据存储器14之间交换数据信息。

图1中信号刺激部件53包括CMOS集成电路设计的信号刺激芯片18以倒装芯片接合（Flip Chip Bonding）方式29与神经信号刺激电极阵列22连接，神经信号刺激电极阵列22的每个电极与信号刺激芯片18中独立的刺激通道控制电路连接，可以独立的在相同或不同的时间以相同或不同的强度刺激其附近的神经细胞或相关组织20。信号刺激芯片18通过与之连接的天线17接收控制指令和刺激强度及时间的信息，并按指令在特定的刺激通道在特定的时间产生特定强度的刺激。使之获得信号采集芯片获得的相同或类似的神经微电信号41，从而实现大规模的多通道神经信号的无线转录。图1中无线通信和供电方式71实际包括电感藕合匹配的天线17和成对的天线16。通过这个无线通信和供电方式71，与信号刺激芯片18协同工作的刺激数据存储器15负责给信号刺激芯片18提供电能，也负责在刺激数据存储器15与信号刺激芯片18之间交换数据信息。

信号采集部件52中的采集数据存储器14以及信号刺激部件53中的刺激数据存储器15同时具备通过无线电感耦合的成对天线给相应的信号采集芯片11和信号刺激芯片18提供数据和电能，同时，凭借传统的通信技术，采集数据存储器14和刺激数据存储器15之间可以以有线或无线的方式30相互交换数据，从而实时的将信号采集芯片11采集到的神经信号直接发送到信号刺激芯片18。为了达到在不同的时间重现神经信号转录的目的，采集数据存储器14和刺激数据存储器15同样也可以以传统的有线或者无线的通信方式31与外部全局数据存储处理器51通信，将信号采集部件52获得的特定时间间隔内的多通道神经信号以数字信号存储于外部全局数据存储处理器51中，由其完成数据存储、转换处理、或过滤，然后将特定时间间隔内的多通道神经信号传送到信号刺激部件53，由其产生相应连串的多通道刺激信号，从而实现从采集到加工到重现的完整转录过程。

信号采集芯片11的结构如图3所示。电极接收的微电信号60首先通过低噪放大电路61将信号放大到理想的共模电位，同时保持与电极上形成的微电信号60成比例的一级放大信号62，以供后继比较器63与反馈信号64进行比较。比较器的结果进过模数转换电路65后，形成的数字信号将通过数字处理电路66，由其中的低通滤波处理电路提取从直流到500赫兹范围的低频信号，并由其中的带通滤波处理电路提取500赫兹到40000赫兹范围内的带频信号。获得低频部分数字信号将重新经过数模转换电路67形成反馈信号64，由比较器63进行比较，从而形成自校验的信号回路。由数字处理电路66获得的数字信号输入到反向无线供电通信电路68，经由电感藕合匹配的天线12和成对的天线13，从而传送到采集数据存储器14。同时无线供电通信电路68将借由电感藕合匹配的天线12和天线13获得由采集数据存储器14无线传输的电能，从而提供整个信号采集芯片11的电能。另外，与无线供电通信电路68连接的中央控制电路69将负责控制无线供电通信电路68的工作模式以及获取前向数据通道传输进来的控制信号，以控制整个芯片的采集参数及运作模式。图3中虚线框内所示为单个采集通道80的结构。在单个信号采集芯片11中，根据信号采集的需求，可以有多个独立的采集通道80分别独立工作，并将采集到的数据经由同一个无线供电通信电路68向采集数据存储器14传送。

由于无线供电通信电路68同时负责提供电能和传送数据，因此需要根据采集通道的数量和前向控制数据决定的带宽要求，采用MICS或LSK或OOK之中的不同调制模式来与采集数据存储器14交换信息。

信号刺激芯片18的结构如图4所示。与信号采集芯片11的无线供电和信号传输的结构类似，信号刺激芯片18也通过电感藕合匹配的天线16和天线17与信号刺激部件53中的刺激数据存储器15协同工作。无线供电通信电路81由与天线16电感藕合匹配的天线17获得信号刺激芯片18工作所需的电能。同时，无线供电通信电路81将提取位于MICS频段的或1MHz以内频段的曼彻斯特编码（Manchester Encoded）的前向数据，将解码的数据和控制以及配置指令传递到中央逻辑控制单元82，即中央控制电路。中央逻辑控制单元82将从解码获得的前向数据中的每一个通道的幅值强度传递到各个通道的寄存器83，寄存器83保存的数据用于该刺激通道的当前刺激幅值，同时每个刺激通道的局部控制器84将接收中央逻辑控制单元82的时序信息，用来控制当前通道当前的时间的开关状态，同时，这种时序和幅值信息的分离可以使得刺激通道的刺激幅值得到重复使用，从而有效的降低对传输数据的带宽要求。每个通道的数模转换电路85根据局部控制器84的控制指令，在特定的时间被打开开始工作，同时按照寄存器83中存储的幅值信息将产生相应的刺激电信号，从而使的与该通道连接的电极刺激其周围的神经细胞或相关组织。在生成刺激信号的过程中，数模转换电路85如果检测到电信号超出工作范围则需要向中央逻辑控制单元82发送警告信息，从而使外界数据发送单元获得当前刺激信号的反馈，从而避免产生过量的刺激信号。图4中虚线框内所示为单个刺激通道90的结构。在单个信号刺激芯片18中，根据信号刺激的需求，可以有多个独立的刺激通道90分别独立工作，在每个不同的刺激电极产生独立控制的刺激信号。

Claims (8)

1.一种神经信号无线转录方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、通过跟神经细胞或组织接触的电极，来采集电极周围由神经细胞或组织产生的微电信号；

b、通过低噪放大电路来生成与电极上形成的微电信号成比例的一级放大信号；

c、通过模数转换电路将一级放大信号转换成数字信号；

d、将转换得到的数字信号由无线通信传输到数据接收元件，同时存储到数据接受元件的数据存储器；

e、将d步骤中转换得到的数字信号或者储存于数据存储器的数字信号转换成电信号；

f、将电信号借由连接的跟神经细胞或组织接触的电极刺激其附近的神经细胞或组织，由此使神经信号重现于该神经细胞或组织。

2.根据权利要求1所述的神经信号无线转录方法，其特征在于：由个体甲于某一时间点开始产生的连串完整的神经信号记录并存储、或再处理后，使个体甲或不同的个体乙的神经细胞或组织于相同或不同的时间重现这连串完整的或经过处理的神经信号。

3.根据权利要求1或2所述的神经信号无线转录方法，其特征在于：步骤c中转换成的部分数字信号还通过数模转换为模拟信号后反馈，与步骤b中一级放大信号进行比较，形成自校验的信号回路。

4.根据权利要求3所述的神经信号无线转录方法，其特征在于：步骤c中转换成的数字信号包括直流到500赫兹范围的低频信号及500赫兹到40000赫兹范围的带频信号，所述反馈的部分数字信号为低频信号。

5.一种适用于权利要求1所述神经信号无线转录方法的神经信号无线转录装置，其特征在于：包括信号采集芯片、信号刺激芯片、以及带有数据接受元件的数据存储器，信号采集芯片、信号刺激芯片分别连接有跟神经细胞或组织接触的电极，信号采集芯片包括依次连接的独立多通道采集电路、无线供电通信电路，单个采集通道依次包括微电信号采集低噪放大电路、模数转换电路、数字信号处理电路，信号刺激芯片包括依次连接的无线供电通信电路、中央控制电路、以及独立多通道刺激电路，各个刺激通道均具有数模转换电路。

6.根据权利要求5所述的神经信号无线转录装置，其特征在于：所述采集通道还设有反馈自校验的信号回路，在微电信号采集低噪放大电路和模数转换电路之间串接有比较器，数字信号处理电路到比较器之间设有反馈通道，反馈通道上设有数模转换电路。

7.根据权利要求6所述的神经信号无线转录装置，其特征在于：所述数字信号处理电路包括获取直流到500赫兹范围低频信号的低通滤波电路、获取500赫兹到40000赫兹范围带频信号的带通滤波电路，低通滤波电路连接数模转换电路后分别连接比较器和无线供电通信电路，带通滤波电路直接连接无线供电通信电路。

8.根据权利要求5或6或7所述的神经信号无线转录装置，其特征在于：所述刺激通道还包括寄存器和局部控制器，寄存器和局部控制器并联设置在信号刺激芯片的中央控制电路和数模转换电路之间，寄存器保存的数据用于控制刺激通道的当前刺激幅值，局部控制器将接收中央控制电路的时序信息，控制当前刺激通道当前的时间的开关状态。