脑脊接口系统、控制方法及芯片与流程

本技术属于神经接口集成电路，涉及一种脑脊接口系统、控制方法及芯片。

背景技术：

1、脑脊接口系统用于脑电信号的采集与神经电刺激，在神经科学研究和临床神经调控中具有重要应用。现有脑脊接口系统通常采用分立器件或板级芯片组合实现，其中采集端与刺激端分别独立设计。

2、在采集电路方面，传统方案缺乏对刺激伪迹的主动硬件保护机制，当电刺激模块输出大电流时，采集前端容易因过压而损坏，且刺激信号容易通过采集电极耦合至相邻通道产生串扰。

3、在电刺激模块方面，现有产品通常采用一颗刺激芯片作为电流源，并配合多颗开关芯片实现多电极切换。例如，实现64个电极的任意刺激功能，若每颗开关芯片仅连通4个电极，则需要16颗开关芯片配合一颗刺激芯片，导致pcb板级面积过大、系统成本较高。

4、此外，在多通道高速数据传输过程中，主控设备接收采集数据时容易产生时序偏移，影响数据完整性。因此，需要一种高集成度、具备硬件保护机制且数据传输可靠的脑脊接口系统。

技术实现思路

1、本技术提供一种脑脊接口系统、控制方法及芯片，用于解决现有脑脊接口系统集成度低、采集前端缺乏刺激伪迹保护、数据传输时序易偏移的技术问题。

2、第一方面，本技术提供一种脑脊接口系统，包括：采集模块，被配置为通过多通道采集电极接收脑电信号，所述采集模块设置有多个工作状态，所述多个工作状态至少包括采集状态和刺激保护状态，所述采集模块根据接收到的输入信号在所述多个工作状态间切换，在所述采集状态下所述采集模块对脑电信号进行接收与调理，在所述刺激保护状态下所述采集模块中断脑电信号采集通路以避让电刺激信号；电刺激模块，被配置为通过多通道刺激电极输出电刺激信号，并在输出电刺激信号时向所述采集模块发送指示信号，以使所述采集模块切换至所述刺激保护状态；以及计算控制模块，分别与所述采集模块和所述电刺激模块通信连接，被配置为向所述采集模块发送控制指令以切换其工作状态，接收来自所述采集模块的脑电信号，并根据所述脑电信号向所述电刺激模块发送控制指令以控制电刺激信号的输出。

3、在第一方面的一种实现方式中，所述采集模块包括采集前端、模数转换器和采集控制逻辑模块；所述采集控制逻辑模块包含状态机和数字逻辑控制电路，所述状态机配置有所述多个工作状态，所述状态机根据所述输入信号在所述多个工作状态间切换，所述数字逻辑控制电路根据所述状态机的当前状态输出控制信号，以控制所述采集模块执行对应的工作状态。

4、在第一方面的一种实现方式中，所述多个工作状态还括阻抗检测状态和重置状态；在所述阻抗检测状态下所述采集模块对所述采集电极进行阻抗检测；所述状态机被配置为：在接收到复位信号后进入所述重置状态进行初始化，在初始化完成后进入所述采集状态以执行脑电信号采集，在接收到检验控制信号时切换至所述阻抗检测状态以执行电极阻抗检测，在接收到刺激控制信号时切换至所述刺激保护状态以中断脑电信号采集通路并避让电刺激信号。

5、在第一方面的一种实现方式中，所述采集前端包含针对每个采集通道设置的放大器、低通滤波器以及第一开关组和第二开关组；所述第一开关组设置于所述放大器的输入端与采集电极之间，所述放大器的输出端经所述低通滤波器连接至所述第二开关组，所述第二开关组设置于相邻采集通道的所述放大器的输入端之间；在所述采集状态下，所述第一开关组闭合且所述第二开关组断开，使脑电信号经采集电极、所述第一开关组、所述放大器和所述低通滤波器后输出至所述模数转换器；在所述刺激保护状态下，所述第一开关组断开且所述第二开关组闭合，以阻断电刺激信号经采集电极传入所述放大器，并通过所述第二开关组将相邻采集通道的所述放大器的输入端短接，以阻断采集前端通道间的串扰。

6、在第一方面的一种实现方式中，所述电刺激模块包含多个电流源和由h桥驱动器与开关阵列集成的开关矩阵；其中，每个所述电流源的输出端分别连接至所述开关矩阵的对应输入端，所述开关矩阵的多个输出端分别连接至各刺激电极；所述开关矩阵被配置为根据控制信号选择性地将任一电流源的输出端与任一刺激电极连通，以使所述多个电流源选择性地连接至所述多通道刺激电极中的任一电极，实现任意电极的电流刺激输出。

7、在第一方面的一种实现方式中，所述计算控制模块与所述采集模块之间通过spi接口通信连接；所述spi接口被配置为：接收来自所述计算控制模块的数据，对接收的数据进行编码以获取写入地址和写入数据，并将所述写入数据存储至对应地址的寄存器阵列中；以及响应于所述计算控制模块的读取指令，从所述寄存器阵列中读取目标数据并通过miso引脚输出至所述计算控制模块。

8、在第一方面的一种实现方式中，所述spi接口包括主设备时钟线、主出从入数据线、主入从出数据线以及返回时钟线；所述返回时钟线被配置为由所述采集模块向所述计算控制模块发送返回时钟，所述返回时钟与所述主入从出数据线上传输的模数转换器输出数据同步，所述计算控制模块根据所述返回时钟采样所述主入从出数据线上的数据，以确保数据接收的时序完整性。

9、在第一方面的一种实现方式中，还包括lvds接口，连接于所述计算控制模块与所述电刺激模块之间，被配置为将所述计算控制模块发出的电刺激控制指令以低压差分信号形式传输至所述电刺激模块，实现所述计算控制模块与所述电刺激模块之间的长距离、高速数据传输。

10、第二方面，本技术提供一种脑脊接口系统的控制方法，包括：通过多通道采集电极接收脑电信号，并对所述脑电信号进行接收与调理；获取并分析所述脑电信号，当根据所述脑电信号判定需要输出电刺激时，发出电刺激输出指令；响应于所述电刺激输出指令，通过多通道刺激电极输出电刺激信号，同时产生一切换指示信号；响应于所述切换指示信号，由所述采集状态切换至刺激保护状态，在所述刺激保护状态下中断所述多通道采集电极的信号采集通路，以避让所述电刺激信号；当所述电刺激信号停止输出时，由所述刺激保护状态切换回所述采集状态，恢复通过所述多通道采集电极接收脑电信号。

11、第三方面，本技术提供一种芯片，包括：所述的脑脊接口系统。

12、如上所述，本技术所述的脑脊接口系统、控制方法及芯片，具有以下有益效果：

13、1、本技术中采集模块在采集状态和刺激保护状态之间可切换，当电刺激模块输出电刺激信号时主动向采集模块发送指示信号，使采集模块及时切换至刺激保护状态以中断采集通路，在不影响正常脑电信号采集精度的前提下，有效避免了电刺激伪迹对采集前端的损坏，实现了采集与刺激之间的快速协同保护；同时，计算控制模块根据接收到的脑电信号向电刺激模块发送控制指令以调控电刺激输出，构成了采集—分析—刺激的闭环控制；采集模块、电刺激模块与计算控制模块之间的信号交互与状态协同配合，整体上实现了脑脊接口系统的高集成度、高安全性和精确闭环调控，所以本技术可以解决现有脑脊接口系统集成度低、采集前端缺乏刺激伪迹保护、数据传输时序易偏移的技术问题。

14、2、本技术通过采集模块具备的阻抗检测状态，可在采集或重置状态下随时触发对采集电极的阻抗检测，有效提高了系统故障检测的及时性和响应速度；通过lvds接口实现计算控制链路与电刺激模块之间的长距离低噪声高速数据传输，克服了长距离传输中的信号衰减和噪声干扰问题；通过采集控制逻辑模块中的状态机和数字逻辑控制电路，实现了对采集模块各工作状态的精确时序控制与快速切换；通过在采集前端设置第一和第二开关组，在采集状态下连通信号通路保证脑电信号有效传输，在刺激保护状态下断开第一开关组阻断大电流刺激信号传入采集前端，并通过闭合第二开关组短接相邻通道输入端以阻断通道间串扰，双重保护进一步提升了采集前端的安全性和信号质量。

15、3、本技术通过将h桥驱动器与开关阵列一体化集成构成开关矩阵，使多个电流源可选择性地连接至任意刺激电极，打破了传统电流源与电极之间一对一或固定分组的限制，与现有采用分立刺激芯片和开关芯片的pcb板级方案相比可节省约50%的电路面积，大幅降低了制造成本和芯片面积；通过spi接口配合寄存器阵列实现采集数据和控制参数的串行读写，以及返回时钟的配置，确保了计算控制链路与采集模块之间数据传输的时序完整性和可靠性。