專利名稱：應(yīng)用于植入式神經(jīng)信號(hào)記錄的高速低功耗信號(hào)傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人體神經(jīng)信號(hào)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用于植入式神經(jīng)信號(hào)記錄的 高速低功耗信號(hào)傳輸方法。
背景技術(shù)：
實(shí)時(shí)的記錄人的神經(jīng)元的活動(dòng)對(duì)于科學(xué)研究和臨床醫(yī)療都具有重大的意義。目 前在學(xué)術(shù)界已經(jīng)設(shè)計(jì)了很多種神經(jīng)信號(hào)記錄微電極，將這些電極植入到體內(nèi)以提取神經(jīng)信 號(hào)，提取到的神經(jīng)信號(hào)通過(guò)金屬線與外部設(shè)備直接相連來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中， 通過(guò)金屬線將植入體內(nèi)的電極與外部設(shè)備直接相連的傳輸方式容易導(dǎo)致感染。另外，這種 方式一般會(huì)將被檢測(cè)體麻醉，這樣就很難記錄處于非麻醉狀態(tài)下自由活動(dòng)的人的神經(jīng)信 號(hào)，也無(wú)法長(zhǎng)期記錄。另外一種方法是將神經(jīng)記錄微電極和一些信號(hào)處理電路模塊集成在一起一同植 入到體內(nèi)，信號(hào)通過(guò)射頻傳輸方式發(fā)送到外部設(shè)備。采用射頻傳輸可以解決金屬線傳輸?shù)?問(wèn)題，但射頻傳輸?shù)膫鬏斔俾实?，功耗很高，并且容易受到其他射頻信號(hào)的干擾。人體具有導(dǎo)體和電解質(zhì)的特性，盡管其電學(xué)特性與信號(hào)頻率有很大關(guān)系，而且在 不同的位置電學(xué)特性也有很大差異。但基本上從1到150MHZ的頻率范圍內(nèi)，人體的電導(dǎo)率 (δ )在0. lS/m到lS/m的范圍內(nèi)，介電常數(shù)(ε》在50到200的范圍內(nèi)。因而可以用分布 式RC模型來(lái)對(duì)人體進(jìn)行建模，將人體分為手臂，軀干三個(gè)部分，每個(gè)部分由若干單元集總 而成，每個(gè)單元可以等效成電容和電阻的串并連構(gòu)成。電阻和電容可以由R = L/ δ Α，C = 、ε//L粗略估算。其中L是單元模塊的長(zhǎng)度，A是單元模塊的橫截面積。建模思路與數(shù) 字電路里分析傳輸線延時(shí)的思路相似。如圖1所示[1]，將人體分為三個(gè)部分，每個(gè)部分由若干單元組成，每個(gè)單元等效成 電阻和電容的串并連。這些單元組合在一起就是人體總的電路模型，如圖2所示。將人體自身作為與外部設(shè)備直接連接的接口，這樣就不需要從體內(nèi)引出金屬線與 外部設(shè)備相連，解決了金屬線傳輸遇到的問(wèn)題。對(duì)于體信道來(lái)說(shuō)，可以傳輸?shù)男盘?hào)范圍為 IOkHz IlJ IOOMHz0這樣寬的體信道帶寬范圍可以確保數(shù)據(jù)的高速發(fā)送和接收。解決了射頻 傳輸?shù)膫鬏斔俣鹊偷膯?wèn)題。采用體信道傳輸，不需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，直接通過(guò)發(fā)射機(jī) 發(fā)射信號(hào)到人體，接收機(jī)接受信號(hào)。也不需要編解碼器等模塊，與射頻傳輸系統(tǒng)相比大大簡(jiǎn) 化，因而可以實(shí)現(xiàn)高傳輸速率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)功耗傳輸。參考文獻(xiàn)Namjun Cho, Jerald Yoo, Seong-Jun Song, Jeabin Lee, Seonghyun Jeon, and Hoi-Jun, "The Human Body Characteristics as a Signal TransmissionMedium for Intrabody Communication,，，IEEE Trans. Microw. Theory Tech. ,Vol. 55, NO. 5,May 2007.

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種應(yīng)用于植入式神經(jīng)信號(hào)記錄的高速低 功耗信號(hào)傳輸方法，以實(shí)現(xiàn)高傳輸速率和低功耗的信號(hào)傳輸。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于植入式神經(jīng)信號(hào)記錄的高速低功耗信號(hào)傳輸方法，該方法通過(guò)體信道傳輸方式將采集到的神經(jīng)信號(hào)傳輸?shù)襟w外。上述方案中，所述體信道是利用人體自身具有導(dǎo)體和電解質(zhì)的特性，將人體自身 作為傳輸媒介，通過(guò)收發(fā)機(jī)將體內(nèi)的植入器件與體外的設(shè)備相連。上述方案中，該方法將神經(jīng)信號(hào)記錄微電極、神經(jīng)信號(hào)預(yù)處理電路和發(fā)射機(jī)集成 在一起，全部植入到人體內(nèi)。上述方案中，所述神經(jīng)信號(hào)記錄微電極是將多個(gè)神經(jīng)信號(hào)探頭集成在一個(gè)電極 上，同時(shí)對(duì)神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行采集，設(shè)定其中一個(gè)探頭的電位為參考電位，體外的參考電位與這
點(diǎn)一致。上述方案中，所述神經(jīng)信號(hào)預(yù)處理電路包括前端放大器、抗混疊模擬濾波器和模 數(shù)轉(zhuǎn)換器。上述方案中，所述前端放大器用于抑制神經(jīng)信號(hào)頻帶范圍以外的噪聲，至少包括 儀表放大器、直流耦合運(yùn)算放大器和交流耦合運(yùn)算放大器。上述方案中，所述模擬濾波器采用高階的貝塞爾濾波器，用于無(wú)失真的對(duì)信號(hào)進(jìn) 行濾波。上述方案中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于實(shí)時(shí)處理多通道的神經(jīng)信號(hào)，每路通道設(shè)計(jì)一 個(gè)逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，單獨(dú)處理該通道的神經(jīng)信號(hào)。上述方案中，所述發(fā)射機(jī)不對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，直接將數(shù)字信號(hào)發(fā)送出人體。上述方案中，該方法進(jìn)一步包括體外的接收機(jī)直接與體外的電極相連，通過(guò)電極 與皮膚相連，外部設(shè)備通過(guò)接收機(jī)接收體內(nèi)傳遞出來(lái)的神經(jīng)信號(hào)。(三)有益效果本發(fā)明提供的這種應(yīng)用于植入式神經(jīng)信號(hào)記錄的高速低功耗信號(hào)傳輸方法，將人 體自身作為與外部設(shè)備直接連接的接口，不需要從體內(nèi)引出金屬線與外部設(shè)備相連，解決 了金屬線傳輸遇到的問(wèn)題。對(duì)于體信道來(lái)說(shuō)，可以傳輸?shù)男盘?hào)范圍為IOkHz到100MHz。這 樣寬的體信道帶寬范圍可以確保數(shù)據(jù)的高速發(fā)送和接收，解決了射頻傳輸?shù)膫鬏斔俣鹊偷?問(wèn)題；采用體信道傳輸，不需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，直接通過(guò)發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)到人體，接 收機(jī)接受信號(hào)；也不需要編解碼器等模塊，與射頻傳輸系統(tǒng)相比大大簡(jiǎn)化，因而可以實(shí)現(xiàn)高 傳輸速率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)功耗傳輸。


圖1是人體的簡(jiǎn)化模型示意圖；圖2是人體的電路模型示意圖；圖3是本發(fā)明提供的神經(jīng)信號(hào)記錄微系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。在神經(jīng)信號(hào)記錄領(lǐng)域，采用金屬線傳輸信號(hào)容易引起感染且無(wú)法長(zhǎng)期記錄非麻醉狀態(tài)下的動(dòng)物或人的神經(jīng)信號(hào)。采用射頻傳輸方式的數(shù)據(jù)傳輸速率低，功耗大，且容易受到干擾。 本發(fā)明在解決了金屬線傳輸方式遇到的問(wèn)題的同時(shí)，也解決了射頻傳輸方式遇到的難點(diǎn)問(wèn)題。本發(fā)明利用人體具有導(dǎo)體和電解質(zhì)的特性，將人體自身作為信號(hào)傳輸媒介，將植 入到體內(nèi)的神經(jīng)信號(hào)記錄微電極，神經(jīng)信號(hào)預(yù)處理電路，通過(guò)發(fā)射機(jī)采用體信道傳輸方式 與外部設(shè)備相連。如圖3所示，神經(jīng)信號(hào)記錄微電極，前端預(yù)處理電路和發(fā)射機(jī)一同被植入 到體內(nèi)，神經(jīng)信號(hào)記錄微電極提取神經(jīng)元細(xì)胞的電學(xué)信號(hào)，通過(guò)預(yù)處理芯片的處理后，由發(fā) 射機(jī)通過(guò)電極將信號(hào)發(fā)射到人體，利用人體自身具有導(dǎo)體和電解質(zhì)的特性，通過(guò)體信道傳 輸?shù)姆绞綄㈩A(yù)處理芯片輸出的神經(jīng)信號(hào)傳輸?shù)襟w外。在體外，利用電極探測(cè)體內(nèi)發(fā)送端電 極發(fā)出的信號(hào)，由接收機(jī)接收信號(hào)，傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備。本發(fā)明是利用人體自身作為傳輸媒介，將神經(jīng)信號(hào)記錄微電極采集到的神經(jīng)信號(hào) 傳輸?shù)襟w外。將多個(gè)神經(jīng)信號(hào)采集探頭集成在一個(gè)微電極上，同時(shí)采集多個(gè)點(diǎn)的信號(hào)，為了 便于說(shuō)明，這里假設(shè)有a、b、c、d四個(gè)探頭，對(duì)應(yīng)四路神經(jīng)信號(hào)。將其中一個(gè)點(diǎn)設(shè)定為參考 電位，如設(shè)定a點(diǎn)的電位為參考電位，預(yù)處理芯片和發(fā)射機(jī)都以這個(gè)點(diǎn)的電位為參考電位。 經(jīng)過(guò)預(yù)處理芯片處理過(guò)的信號(hào)通過(guò)發(fā)射機(jī)與皮膚附近的發(fā)送端電極相接，將信號(hào)傳遞到人 體。利用人體自身作為傳輸通道，信號(hào)傳輸?shù)饺梭w外部。在人體外部有接收端微電極探測(cè) 從體內(nèi)傳輸?shù)饺梭w的信號(hào)。再通過(guò)接收機(jī)與外部設(shè)備相連。這樣就實(shí)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(hào)傳輸?shù)襟w外。神經(jīng)信號(hào)頻率較低，且神經(jīng)信號(hào)記錄微電極，神經(jīng)元周圍的環(huán)境都很容易引入噪 聲，因此微電極采集到的神經(jīng)信號(hào)首先由預(yù)處理電路將神經(jīng)信號(hào)帶外的噪聲進(jìn)行抑制。預(yù) 處理電路包括前端放大器，抗混疊模擬濾波器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器。前端放大器抑制低頻噪聲，微 電極引入的直流漂移和神經(jīng)信號(hào)頻帶范圍以外的信號(hào)?？刹捎脙x表放大器，直流耦合運(yùn)算 放大器，交流耦合運(yùn)算放大器。經(jīng)過(guò)一個(gè)抗混疊模擬濾波器，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將神經(jīng)信號(hào) 從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。為了無(wú)失真的專遞神經(jīng)信號(hào)，抗混疊濾波器選用貝塞爾型濾波器， 模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近型(SAR ADC)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)應(yīng)設(shè)計(jì)為高于8-bit。神經(jīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理電路后由發(fā)射機(jī)將信號(hào)傳遞到人體。發(fā)射機(jī)采用直接的數(shù)字 發(fā)射機(jī)，不需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。發(fā)射機(jī)由時(shí)鐘發(fā)生器，偽隨機(jī)碼生成器，二選一選擇器和 驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成。二選一選擇器可以使發(fā)射機(jī)在正常工作模式和測(cè)試模式之間切換。發(fā)射機(jī)發(fā) 射的信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器與電極相連，然后發(fā)射給人體。在體外由電極探測(cè)信號(hào)，再傳輸給接收 機(jī)。外部的接收機(jī)也是直接的數(shù)字接收機(jī)，不需要解調(diào)器。主要包括模擬前端電路將接受 到的脈沖信號(hào)恢復(fù)成碼元信號(hào)，時(shí)鐘恢復(fù)電路提取出時(shí)鐘信號(hào)。在將神經(jīng)記錄微電極，預(yù)處理電路和發(fā)射機(jī)植入體內(nèi)前，先對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn) 行測(cè)試，這時(shí)發(fā)射機(jī)工作在測(cè)試模式下，完成測(cè)試后再將芯片植入體內(nèi)，通過(guò)發(fā)射機(jī)的二選 一選擇器使發(fā)射機(jī)工作在正常工作模式下。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種應(yīng)用于植入式神經(jīng)信號(hào)記錄的高速低功耗信號(hào)傳輸方法，其特征在于，該方法通過(guò)體信道傳輸方式將采集到的神經(jīng)信號(hào)傳輸?shù)襟w外。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于植入式神經(jīng)信號(hào)記錄的高速低功耗信號(hào)傳輸方法，其 特征在于，所述體信道是利用人體自身具有導(dǎo)體和電解質(zhì)的特性，將人體自身作為傳輸媒 介，通過(guò)收發(fā)機(jī)將體內(nèi)的植入器件與體外的設(shè)備相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于植入式神經(jīng)信號(hào)記錄的高速低功耗信號(hào)傳輸方法，其 特征在于，該方法將神經(jīng)信號(hào)記錄微電極、神經(jīng)信號(hào)預(yù)處理電路和發(fā)射機(jī)集成在一起，全部 植入到人體內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的應(yīng)用于植入式神經(jīng)信號(hào)記錄的高速低功耗信號(hào)傳輸方法，其 特征在于，所述神經(jīng)信號(hào)記錄微電極是將多個(gè)神經(jīng)信號(hào)探頭集成在一個(gè)電極上，同時(shí)對(duì)神 經(jīng)信號(hào)進(jìn)行采集，設(shè)定其中一個(gè)探頭的電位為參考電位，體外的參考電位與這點(diǎn)一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的應(yīng)用于植入式神經(jīng)信號(hào)記錄的高速低功耗信號(hào)傳輸方法，其 特征在于，所述神經(jīng)信號(hào)預(yù)處理電路包括前端放大器、抗混疊模擬濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)用于植入式神經(jīng)信號(hào)記錄的高速低功耗信號(hào)傳輸方法，其 特征在于，所述前端放大器用于抑制神經(jīng)信號(hào)頻帶范圍以外的噪聲，至少包括儀表放大器、 直流耦合運(yùn)算放大器和交流耦合運(yùn)算放大器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)用于植入式神經(jīng)信號(hào)記錄的高速低功耗信號(hào)傳輸方法，其 特征在于，所述模擬濾波器采用高階的貝塞爾濾波器，用于無(wú)失真的對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)用于植入式神經(jīng)信號(hào)記錄的高速低功耗信號(hào)傳輸方法，其 特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于實(shí)時(shí)處理多通道的神經(jīng)信號(hào)，每路通道設(shè)計(jì)一個(gè)逐次逼近 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，單獨(dú)處理該通道的神經(jīng)信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的應(yīng)用于植入式神經(jīng)信號(hào)記錄的高速低功耗信號(hào)傳輸方法，其 特征在于，所述發(fā)射機(jī)不對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，直接將數(shù)字信號(hào)發(fā)送出人體。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的應(yīng)用于植入式神經(jīng)信號(hào)記錄的高速低功耗信號(hào)傳輸方法， 其特征在于，該方法進(jìn)一步包括體外的接收機(jī)直接與體外的電極相連，通過(guò)電極與皮膚相連，外部設(shè)備通過(guò)接收機(jī)接 收體內(nèi)傳遞出來(lái)的神經(jīng)信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于植入式神經(jīng)信號(hào)記錄的高速低功耗信號(hào)傳輸方法。在植入式神經(jīng)信號(hào)記錄微系統(tǒng)中，神經(jīng)信號(hào)記錄微電極，神經(jīng)信號(hào)預(yù)處理電路和發(fā)射機(jī)集成在一起，并植入到人的體內(nèi)。神經(jīng)信號(hào)記錄微電極提取神經(jīng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理電路的處理，由發(fā)射機(jī)通過(guò)微電極將信號(hào)傳遞到人體，利用人體自身作為信號(hào)傳輸媒介，通過(guò)這種體信道傳輸?shù)姆绞綄⑸窠?jīng)信號(hào)傳輸?shù)襟w外。在外界通過(guò)微電極探測(cè)信號(hào)，然后通過(guò)接收機(jī)將信號(hào)傳遞給外部設(shè)備。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)高傳輸速率的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)低功耗的信號(hào)傳輸。
文檔編號(hào)G08C17/02GK101833851SQ20101016249
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者張旭, 陳弘達(dá), 陳進(jìn) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所