一种多通道视神经电信号采集装置的制作方法

1.本发明涉及一种多通道视神经电信号采集装置，属于脑机接口器件技术领域。


背景技术：

2.随着科学技术的不断发展，人们对动物视神经的研究越来越多，在研究过程中遇到的问题也越来越多，例如，啮齿类动物视神经电信号较为微弱，对通道信号采样速率、滤波效果以及采样精度都有更高的要求，因此神经束需要采集的通道数的增加，高效滤波、高速采样以及模数转换器的低损耗设计难度也进而提高，这样限制了采集通道数的进一步增加、采集精度和采集信号信噪比的进一步提高。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种多通道视神经电信号采集装置，能够实现结构简单、采样频率范围在10～30khz之间、采样精度16位且信噪比较高的目的。
4.本发明提供了一种多通道视神经电信号采集装置，所述装置包括依次连接的电极组、前置放大单元、带通滤波单元、二次放大单元、模数转换单元、数字滤波单元和fpga单元；
5.所述电极组用于感应视神经束上的神经电信号；
6.所述前置放大单元用于对所述神经电信号进行放大处理，得到第一放大电信号；
7.所述带通滤波单元用于滤除所述第一放大电信号的信号带宽外的干扰噪声，得到第一滤波电信号；
8.所述二次放大单元用于对所述第一滤波电信号进行放大处理，得到第二放大电信号；
9.所述模数转换单元用于将所述第二放大电信号转换为数字电信号；
10.所述数字滤波单元用于滤除所述数字电信号中的工频信号，得到第二滤波电信号；
11.所述fpga单元用于向所述模数转换单元提供时钟信号，并对所述第二滤波电信号进行采样，得到采样信号。
12.可选的，所述电极组包括视神经套管和设置在所述视神经套管内壁上的多个感应电极；所述视神经套管套设在所述视神经束上，所述感应电极用于感应所述视神经束上的神经电信号。
13.可选的，所述前置放大单元包括多个第一放大器，所述第一放大器与所述感应电极一一对应设置，所述第一放大器用于将与其对应的感应电极感应到的神经电信号进行放大处理。
14.可选的，所述带通滤波单元包括多个带通滤波器，所述带通滤波器与所述第一放大器一一对应设置，所述带通滤波器用于将与其对应的第一放大器放大后的第一放大电信号进行滤波处理；
15.所述带通滤波器由低通滤波器和高通滤波器组成。
16.可选的，所述二次放大单元包括多个第二放大器，所述第二放大器与所述带通滤波器一一对应设置，所述第二放大器用于将与其对应的带通滤波器滤波后的第一滤波电信号进行放大处理。
17.可选的，所述模数转换单元包括adc芯片、转换电路、第一电容、第二电容、反馈电阻、第三电容和rc滤波器；
18.所述转换电路连接在所述第二放大器与所述adc芯片之间，用于将所述第二放大器的输出信号转换为差分信号后输入adc芯片中；
19.所述adc芯片用于将所述差分信号转换为数字电信号；
20.所述第一电容的电容量大于所述第二电容；所述第一电容和第二电容设置在所述adc芯片的电源引脚上，用于滤除电源纹波；
21.所述反馈电阻设置在所述adc芯片的输出端，所述第三电容并联在所述反馈电阻上；
22.所述rc滤波器设置在所述转换电路的输出端与所述adc芯片的输入端之间，用于滤除所述第二放大器产生的高频噪声。
23.可选的，所述转换电路为电阻网络电压负反馈单端转差分电路。
24.可选的，所述adc芯片利用低压差线性稳压器进行供电。
25.可选的，所述数字滤波单元为50hz陷波器。
26.可选的，所述装置还包括存储单元，所述存储单元与所述fpga单元连接，用于存储所述采样信号。
27.可选的，所述装置还包括显示单元，所述显示单元与所述fpga单元连接，用于显示所述采样信号。
28.本发明能产生的有益效果包括：
29.本发明提供的多通道视神经电信号采集装置，通过一组多只感应电极采集视神经电信号，对采集到的电信号通过前置放大、带通滤波、二次放大、模数转换、数字滤波、fpga采集。输出信号可在示波器上显示并在电脑上存储，从而实现多通道视神经电信号的采集和存储，采集和存储的信号可进一步用于深度学习，从而获取视觉变化刺激与视神经电信号变化的关联关系。该装置结构简单、实现容易、采样频率范围在10～30khz之间、采样精度16位且信噪比较高。
附图说明
30.图1为本发明实施例提供的多通道视神经电信号采集装置示意图。
31.部件和附图标记列表：
32.11、视神经套管；12、视神经束；13、电极组；14、前置放大单元；15、带通滤波单元；16、二次放大单元；17、模数转换单元；18、数字滤波单元；19、fpga单元；20、显示单元；21、存储单元。
具体实施方式
33.下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
34.本发明实施例提供了一种多通道视神经电信号采集装置，如图1所示，所述装置包括依次连接的电极组13、前置放大单元14、带通滤波单元15、二次放大单元16、模数转换单元17、数字滤波单元18和fpga单元19。
35.电极组13包括视神经套管11和设置在视神经套管11内壁上的多个感应电极；视神经套管11套设在视神经束12上，感应电极用于感应视神经束12上的神经电信号。
36.感应电极用于感应视神经细胞电活动产生的微弱神经电信号。由于啮齿类动物视神经以视神经束12的形态存在，电极组13以视神经束12套管的形式通过手术方式植入。本发明实施例对于感应电极的数量不做限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行设定。示例的，n个感应电极分布在视神经套管11的管壁上。电极组13由n个感应电极构成，n≥6。
37.前置放大单元14用于对神经电信号进行放大处理，得到第一放大电信号。
38.具体的，前置放大单元14包括多个第一放大器，第一放大器与感应电极一一对应设置，第一放大器用于将与其对应的感应电极感应到的神经电信号进行放大处理。第一放大器可以为差动放大器，采用差动放大器可以获得较小的噪声输入、较大的输入阻抗和良好的共模抑制比。
39.带通滤波单元15用于滤除第一放大电信号的信号带宽外的干扰噪声，得到第一滤波电信号。
40.具体的，带通滤波单元15可以包括多个带通滤波器，带通滤波器与第一放大器一一对应设置，带通滤波器用于将与其对应的第一放大器放大后的第一放大电信号进行滤波处理；带通滤波器由低通滤波器和高通滤波器组成。低通滤波器可以采用二阶低通巴特沃兹型低通有源滤波电路，效果优于传统无源滤波器。带通滤波单元15可以有效滤除信号带宽外的干扰噪声，提高采集到的神经信号的精度。
41.二次放大单元16用于对第一滤波电信号进行放大处理，得到第二放大电信号。
42.具体的，二次放大单元16包括多个第二放大器，第二放大器与带通滤波器一一对应设置，第二放大器用于将与其对应的带通滤波器滤波后的第一滤波电信号进行放大处理。其中，第二放大器可以采用低噪声的精密运放，在滤除低频直流噪声和高频带外噪声后，对神经信号进行一次放大。
43.模数转换单元17用于将第二放大电信号转换为数字电信号。
44.具体的，模数转换单元17包括adc芯片、转换电路、第一电容、第二电容、反馈电阻、第三电容和rc滤波器；转换电路连接在第二放大器与adc芯片之间，用于将第二放大器的输出信号转换为差分信号后输入adc芯片中；adc芯片用于将差分信号转换为数字电信号；第一电容的电容量大于第二电容；第一电容和第二电容设置在adc芯片的电源引脚上，用于滤除电源纹波；反馈电阻设置在adc芯片的输出端，第三电容并联在反馈电阻上；rc滤波器设置在转换电路的输出端与adc芯片的输入端之间，用于滤除第二放大器产生的高频噪声。
45.选用的自研adc芯片，其采样频率可以高达30khz，达到信号带宽的8倍以上，可以完整的恢复信号。由于所用的adc为差分输入，而采集放大后的信号为单端电压，所以在二次放大信号输出与adc输入之间增加一个转换电路，该转换电路可以为电阻网络电压负反馈单端转差分电路。在adc芯片电源引脚上设置第一电容和第二电容，通过放置一大一小电容可以滤除电源纹波，在反馈电阻上并联一个小电容(即第三电容)可以降低脉冲响应中的高频振铃。在转换电路输出到adc芯片输入之间增加rc滤波器，起到限流和滤除运放产生的
高频噪声。采用低压差线性稳压器的方式给adc芯片供电以降低电源抖动。
46.数字滤波单元18用于滤除数字电信号中的工频信号，得到第二滤波电信号。
47.具体的，在信号检测放大时引入的电源噪声，由于工频50hz的频率点信号属于低频信号，在采样频率之内，采样后并不会造成混叠，因而可用数字滤波的方法，在得到adc量化数据后，使用50hz陷波器滤除工频信号。
48.fpga单元19用于向模数转换单元17提供时钟信号，并对第二滤波电信号进行采样，得到采样信号。
49.具体的，调用fpga内部的晶振产生的50mhz的时钟，通过分频器产生320khz的采样时钟及内部同步时钟，此时钟直接输出供给adc芯片使用。将采样到的信号存入fpga自带的ram，还可以使用串口将数据保存至电脑存储器中。
50.通过采集、放大、处理得到的视神经信号，可进一步用于深度学习，以获取视觉变化刺激与视神经电信号变化的关联关系。
51.进一步的，所述装置还可以包括存储单元21，存储单元21与fpga单元19连接，用于存储采样信号。在实际应用中，存储单元21可以是电脑存储器。
52.所述装置还可以包括显示单元20，显示单元20与fpga单元19连接，用于显示采样信号。其中，显示单元20可以是示波器。
53.本发明通过一组多只感应电极采集视神经电信号，对采集到的电信号通过前置放大、带通滤波、二次放大、模数转换、数字滤波、fpga采集。输出信号可在示波器上显示并在电脑上存储，从而实现多通道视神经电信号的采集和存储，采集和存储的信号可进一步用于深度学习，从而获取视觉变化刺激与视神经电信号变化的关联关系。该装置结构简单、实现容易、采样频率范围在10～30khz之间、采样精度16位且信噪比较高。
54.以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。