一种16通道神经记录仪的制作方法

1.本发明涉及神经记录仪技术领域，具体涉及一种16通道神经记录仪。


背景技术：

2.神经界面植入物可以进行有创采集以及监测大脑活动。这在生物医学研究中是一种有效的治疗方法，旨在了解神经回路，并在临床实践中为神经疾病提供治疗方法。神经接口植入物的功能包括：1)模拟神经信号放大和数字化，2)原始采集信号的可选局部特征提取，以及3)到外部设备的数据传输。
3.无线神经接口解决方案已在使用cots(商用现货)芯片的文献中公开。然而，庞大的体积和高功耗对有创场景并不友好。此外，2.4ghz频段的无线解决方案很容易受到其他设备的干扰，如蓝牙或wi-fi。集成模拟前端和射频电路的soc解决方案被开发用于神经接口，以使系统小型化，并降低功耗。有的提出了一种与433mhz ook发射机集成的设计，有的提出了一种uwb解决方案。这些工程的高数据率发射机集成对实验环境提出了很高的要求，因为它非常敏感，这限制了工作波长为约1米。医疗机构区域网络(mban)频段的工作频率为2.36-2.4ghz，干扰较小。它适用于在更大的实验空间中进行稳定的神经记录。


技术实现要素：

4.本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
5.本发明提出了一种单芯片解决方案，为无线神经信号记录仪以及基于芯片的完整的系统设计。该芯片集成了一个用于神经信号记录的可变采样率的16通道模拟前端(afe)和一个2.36-2.4ghz频段的的发射机。为了减少芯片资源和功耗，设计了一种恒包络极性发射机。调制方案采用一般形式的连续相位调制，支持两种不同的调制阶数和四种不同的速度模式。在接收机设计中，提出了包括频偏校准、帧同步和符号解调在内的解调算法，并在基于fpga的软件无线电(sdr)中实现。对该系统进行了台架试验和体内试验。
6.根据本发明的第一个方面，提供了一种16通道神经记录仪，包括：集成模拟前端和极性发射机的芯片，以及作为转发器的软件定义的接收机。
7.进一步地，所述模拟前端为16通道模拟前端，用于采集神经信号，可配置采样率为1ks/s至24ks/s。
8.进一步地，所述模拟前端的差分输入信号被转换成电流，输出电流被送入两个29级环形振荡器以转换为相位域，环形振荡器的输出频率反映原始信号的粗略分辨率，相位提供精细分辨率。
9.进一步地，所述模拟前端进一步包括：
10.相位解码器，用于量化所述模拟前端的最终输出。
11.进一步地，所述芯片进一步包括读出模块、dma、sram，所述读出模块用于组织来自所述模拟前端的数据，以及在dma控制下将数据存储在sram中。
12.进一步地，所述芯片进一步包括数据缓冲器、通道编码器，所述dma将数据传输到
数据缓冲器，通道编码器用于根据寄存器文件配置参数进行打包和信道编码。
13.进一步地，所述芯片进一步包括调制器和频率成形滤波器，所述调制器接收通道编码器的输出，调制后输入所述频率成形滤波器，所述频率成形滤波器的输出被送入极性发射机。
14.进一步地，所述接收机基于fpga，包括两两连接的射频前端、fpag、arm处理器；所述fpga包括解调器，所述arm处理器包括缓冲器、射频控制器。
15.进一步地，所述软件定义的接收机采用以下算法：载波频偏校准、帧同步和符号解调。
16.进一步地，所述arm处理器通过axi4流端口从fpga接收解调后的符号，符号被缓冲并通过以太网连接发送到外部计算机，神经信号被解码并显示在所述计算机上。
17.本发明提出了一种16通道神经记录仪，具有以下优势：afe的输入参考噪声为2.87μvrms，发射机的能量效率为2.8nj/bit。芯片在最大负荷下，消耗总功率为5.47mw。神经信号至少可以在-95dbm的rssi(接收信号强度指示器)处被正确解码，工作距离是8米。在大鼠身上进行了体内试验，显示出良好的系统的可用性。
附图说明
18.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
19.附图1示出了本发明的一种16通道神经记录仪的架构示意图。
20.附图2示出了数字基带的典型帧结构示意图。
21.附图3示出了选择光谱升余弦作为频率成形函数示意图。
22.附图4示出了本发明的接收机算法框图。
23.附图5示出了通过相位差的正弦和余弦值说明解调的概念示意图。
24.附图6示出了本发明的芯片结构示意图。
25.附图7示出了fpga结构的资源使用示意图。
26.附图8示出了本发明与现有技术的比较情况示意图。
具体实施方式
27.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
28.本发明提出了一种微型神经接口系统。本发明研制了一种单片神经记录soc，采用40nm cmos工艺，面积为3mm
×
3mm。它整合了16通道模拟前端(afe)和低功率恒包络极性发射机。调制方案采用一般形式的连续相位调制。接收机算法包括频率偏移校准，帧同步和符号解调，提出并在软件定义的无线电平台上实现。模拟结果表明，在971.4kbps的高数据速率模式下，误码率为10-4
时所需信噪比为19db。设计了一个用于信道解码的图形用户界面以及实时显示。
29.一、一种16通道神经记录仪
30.如图1所示，为本发明的一种16通道神经记录仪的架构示意图。包括一个集成了模拟前端和极性发射机的芯片，以及作为转发器的软件定义的接收机。
31.无线记录仪芯片由一个16通道模拟前端(afe)组成，用于采集神经信号。afe的可配置采样率为1ks/s至24ks/s，满足不同类型的感兴趣信号。afe的结构如图1所示。差分输入信号被转换成电流。输出电流被送入两个29级环形振荡器(ro)以转换为相位域。环形振荡器的输出频率fi反映了原始信号的粗略分辨率，相位φi提供了额外的精细分辨率。相位解码器用于量化afe的最终输出。读出模块用于组织来自afe的数据，以及在dma控制下将数据存储在sram中。dma将数据传输到数据缓冲器，用于根据寄存器文件配置参数进行打包和信道编码。调制器和频率成形滤波器的输出被送入极性发射机。解调采用基于fpga的接收机。设计了一个图形用户界面，用于通道解码和结果的实时显示。
32.二、发射机的数字基带
33.a.数据打包和信道编码
34.发射机以帧的方式工作，允许更好地同步接收端和高层协议的可能性。原始数据需要组织起来，成为根据图2所示的典型帧结构的信息包。前导码首先被发送，用于进行同步，然后是包括调制信息的phy报头，例如数据速率，无线信道选择，以及该帧正文的字节长度l。帧正文包括样本。第一部分是可用信道信息位。在该字段中，如果第m位为1，则表示启用了第m个通道，并且该帧中的通道数等于字段中1的数量。每个通道的样本放在一起，样本数n可以从l和m计算得出。
35.此外，为了避免不理想因素带来的误差，例如噪声、干扰和/或衰落等因素，采用bch编码器进行前向纠错，并采用循环冗余校验(crc)进行错误检测。为了扩展灵活性，可以配置信道编码中的封装行为和参数。
36.b.调制方案：cpm
37.本发明的记录soc工作频率低于2.4ghz，每个频带之间间隔1兆赫，符号速率为600千赫。使用极性发射机。此外，为了减少设计资源和面积资源，以及对无线电前端功率放大器线性度的要求，丢弃了调幅(am)路径。它使发射机具有恒定的包络，这些调制方法适用于并广泛应用于低功耗通信系统，如蓝牙低功耗(ble)和全球移动通信系统(gsm)。
38.为了使基带更便于测试和使用，本发明选择恒包络调制方案的一般形式，即连续相位调制(cpm)。在cpm中，符号的唯一调制位置是信号相位，或者以另一种形式是信号频率。因此，时间t时cpm的基带信号只是相位φ(t，h，a)的函数，如下所示：
[0039][0040]
式中，es和t是常数，并相应地表示符号的平均能量和符号持续时间。a＝{ai}是信息符号，其值为{
±
1，
±
3，
…±
(m-1)}，给定一个调制顺序(m)。h是调制指数，φ(t，h，a)是相位函数调制信息a，如下所示：
[0041][0042]
其中q(t)和g(t)是相位和频率整形脉冲函数，q(t)有一个约束，t≤0时，q(t)≡0，而t≥lt时q(t)≡1/2，其中，l是q(t)的长度。
[0043]
在cpm中，l、h、m和成形函数的形状是它的频谱和调制性能的关键参数。为了最大限度地提高发射机的数据速率，以支持不同类型的信号采集场景，可以设置m为2或4，h相应地设置为1/2和1/4，从而实现从121.4kpbs到971.4kbps的可变数据速率。它更好地支持不同的采样率和环境。在这些设置下，相变在一个符号周期内为
±
π/2或
±
π/4-3π/4。解调操作对于m＝4来说更难，解决方案将在第三节介绍。对于l和整形函数形状，为了在优化方面提供灵活性，可在本发明的记录芯片中，限制为l≤2。在测试和实验中，如图3所示，选择光谱升余弦作为频率成形函数，l设置为2。箭头显示了解调时的决定位置，阴影区域是附加符号的相位贡献。
[0044]
三、软件定义的接收机
[0045]
a.算法
[0046]
为了与发射机配对，本发明提出一系列接收机算法，包括载波频偏校准、帧同步和符号解调。它们将把射频前端的i/q样本转换成相应的符号。图4显示了所提出算法的框图，将在下文中讨论。
[0047]
1)解调：如第二节所述，cpm调制信号的每个符号的相位根据符号本身和调制指数会发生变化，如果每个符号周期之间的差分相位经计算得出，该值可用于解调过程。然而，如果我们直接转换每个i/q样本为相位，成本是巨大的。实际上，这可以通过使用图4中所示的“符号相位差分”的延迟乘法来实现。如果两个附加符号时间的相位是φ2和φ1，结果将是：
[0048][0049]
这表明微分相位的正弦和余弦可以很容易地计算出来。
[0050]
如图5所示，m＝2时的两个符号可以使用正弦值确定，而m＝4时的四个符号可结合正弦和余弦值确定。
[0051]
即使在本例中，成形函数长度设置为2，这意味着微分相位取决于当前符号和两个附加符号，但如果我们在一个符号的中间位置做出决定，如图3所示，将消除影响。计算表明，这种重叠对正弦和余弦值带来的最大偏差仅为0.26％，很小可以忽略。为了验证所提出的解调算法，在没有bch编码的情况下，对m＝2和m＝4两种情况下的误码率-信噪比曲线进行了仿真。误码率为10-4
的信噪比分别为11.9db和18.6db。
[0052]
2)帧同步：使用前导字段用于帧同步。与解调算法类似，正弦值的相关性可以通过延迟线和加法器轻松计算。相关结果的峰值意味着一帧的开始。为了使用整个符号的能量，已经进行了符号长度移动平均。另一个移动平均模块用于计算平均振幅以动态设置阈值，因为来自射频前端的信号振幅随时间变化。
[0053]
3)载波频率偏移校准：发射机和接收机之间的载波频率偏移将导致接收到的i/q样本出现连续相位漂移。本发明提出了一种简单而有效的方法来标定该偏移量。如果在空载波期间存在相位漂移，则延迟乘法的相位不是零。结果，如图4所示，可以通过在每帧之前的空载波的短持续时间内消除该值来校准载波频率偏移。
[0054]
b.实施和系统集成
[0055]
选择基于fpga的sdr进行实现，因为它的灵活扩展性能。它包括一个带有可配置射频前端(ad9361)的射频板，用于将无线电信号捕获到i/q样本中，以及带有zynq soc
(xc7z020)的fpga板，用于执行计算。计算机用于控制工作流程并提供实时观察。
[0056]
结构如图1所示。arm处理器将通过axi4流端口从fpga接收解调后的符号。符号将被缓冲并通过以太网连接发送到计算机。神经信号将被解码并显示在计算机上。
[0057]
四、实验结果
[0058]
本发明提出的无线神经信号记录soc包括数字基带，采用40nm cmos工艺制作。芯片如图6所示。整个soc占用了3mm
×
3mm的硅面积，包括前端、射频电路、可编程内核和数字基带。数字基带本身占0.172mm2，模拟时消耗98.2μw。如图6所示，设计了一个集成了所提出的无线soc和电极连接器的微型电路板。记录板可以固定在受试动物的头骨上。连接器用于连接不同类型的电极，这些电极被植入大脑感兴趣的区域。板的尺寸为15mm
×
20mm。测试结果表明，该afe的输入参考噪声为2.87μvrms，带宽为250hz-2khz，芯片总功耗为5.47mw，发射机总功耗为2.75mw，在输出功率为-5dbm，采样率为24ks/s的情况下，能量效率为2.8nj/bit。
[0059]
本发明对提出的接收机算法进行了建模、仿真，并使用simulink软件及其对zynq硬件的支持来实现。为了与射频前端和电路板的其他部分进行接口，fpga结构有几个固定的资源成本。图7显示了rx设计本身的资源利用率，以及包括其他接口电路在内的完整实现。可以看出，所提出的接收机设计仅使用大约10％的fpga。实验结果表明，使用本发明的软件定义的接收机，在低rssi(接收信号强度指示器，-95dbm)的情况下，高数据速率模式下的神经信号可以被正确解码，至少可达到8m的工作距离，适用于大型实验空间。
[0060]
本发明在大鼠身上进行了体内试验。将与微型板连接的16通道电极芯片插入大鼠右侧stn区域(ap-3.8mm，ml-2.5mm，dv-8.2mm)。录制参数设置为每个通道1ks/s。#1、5、6、10、15、16通道的采集信号如图6所示。图8给出了一个对比表。
[0061]
五、结论
[0062]
本文提出了一种微型神经接口系统，包括40nm cmos工艺制作的无线神经记录soc和基于sdr的接收器。soc集成了一个16通道afe和一个低功耗极性发射机。提出并实现了一系列接收算法。实验结果表明，afe的输入参考噪声为2.87μvrms，发射机的能量效率为2.8nj/bit。该芯片在最大工作负载下总功耗为5.47mw。传输的信号至少可以被正确解码-95dbm rssi，工作距离为8m。在大鼠身上进行了体内试验，表明所提出的系统具有良好的可用性。。
[0063]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。