[發(fā)明專利]相關(guān)雙采樣腦電信號采集讀出電路及其讀出方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310144050.2
• 申請日: 2013-04-23
• 公開（公告）號: CN103297031B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李洪革;曹魏棟;沈慧
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: H03K19/0175
• 分類號: H03K19/0175
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實(shí)專利事務(wù)所11121
• 代理人: 周長琪

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于可植入式生物腦電信號處理電路集成化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及低信噪比下基于相關(guān)雙采樣（Correlated?Double?Sampling，簡稱CDS）生物腦電信號采集的讀出電路設(shè)計(jì)及其讀出方法。

發(fā)明背景

自從1924年德國精神病學(xué)家Hans教授首次發(fā)現(xiàn)并記錄到人腦有規(guī)則的電活動，腦電信號的研究和提取就一直得到生物醫(yī)學(xué)和臨床應(yīng)用方面的高度重視。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和微電子技術(shù)的發(fā)展，使得處理提取的腦電信號稱為可能，植入式腦-機(jī)交互研究也成為了新的科學(xué)熱點(diǎn)，即將IC通過植入式多通道微電極陣列(MEA)與神經(jīng)系統(tǒng)直接相連，能與一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的神經(jīng)元直接交互的技術(shù)。植入式腦-機(jī)交互的一個(gè)重要分支就是細(xì)胞外腦神經(jīng)信號的記錄（Neural?Recording），通過利用外科手術(shù)將多通道微電極陣列選擇性地植入到特定的神經(jīng)組織區(qū)域，并采集神經(jīng)元群的神經(jīng)信號（如動作電位、局部場電位）；這些采集到的原始神經(jīng)信號經(jīng)過處理與數(shù)據(jù)分析后，將傳輸至外部用于進(jìn)一步的神經(jīng)科學(xué)研究或者神經(jīng)修復(fù)技術(shù)中。

在腦電信號提取系統(tǒng)中，由微電極陣列所探測到的胞外腦電信號比較微弱，包含有用信息的腦電信號即spike幅值大約為50-500μV，并且伴有一定的電極直流失調(diào)和系統(tǒng)噪聲，在進(jìn)行處理的過程中必須減少各種干擾的影響，所以作為第一級信號處理電路的前置生物放大器的性能尤為重要，且直接會影響到整個(gè)腦電信號提取系統(tǒng)的表現(xiàn)。對于要求將整個(gè)腦電信號提取電路系統(tǒng)集成于植入式腦-機(jī)接口芯片上，前置生物放大器設(shè)計(jì)必須考慮到以下要求：1、具有足夠低的噪聲，以獲得更高的系統(tǒng)信噪比；2、降低功耗，以增加系統(tǒng)續(xù)航能力；3、減小芯片面積；4、抑制直流失調(diào)，防止放大器輸入飽和；5、具有更高的共模抑制比和電源電壓抑制比。隨著腦神經(jīng)信號采集系統(tǒng)的通道數(shù)增加，所需要的無線傳輸帶寬變得越來越大，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到如何更加高效率地利用有限的無線傳輸帶寬，措施之一就是通過信號檢測的控制，只是輸出有用的腦電信號即spike段，而非整個(gè)腦電信號。這個(gè)工作可以由緩沖級輸出電路來完成。在考慮到抑制各種噪聲源的同時(shí)，更好地輸出高信噪比的放大信號，并使得設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，達(dá)到更低的功率消耗和占用更小的芯片面積成為了緩沖級輸出電路的必要設(shè)計(jì)要求。

對于現(xiàn)有技術(shù)的生物腦電信號讀出電路，一般都是放大輸出整個(gè)腦電信號，而輸出的生物腦電信號都需要經(jīng)過后期處理以及A/D轉(zhuǎn)化，因此大量的冗余信息使得系統(tǒng)的后期處理以及無線發(fā)射數(shù)據(jù)量增加，對于有限的無線傳輸帶寬，不僅利用率低，也影響到信號采集通道數(shù)的增加，同時(shí)緩沖級輸出電路本身可能具有較低的噪聲，但是并不能抑制電路本身和輸入信號帶來的噪聲，使得輸出信號質(zhì)量差。現(xiàn)有的生物腦電信號讀出電路雖然能夠完成對生物腦電信號的采集，但由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗太大，都很難實(shí)現(xiàn)更多通道的植入式芯片集成使用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有腦電信號讀出電路的不足，如何進(jìn)一步抑制電路本身噪聲源、提高植入式腦電信號處理電路的可集成化程度和腦電信號的高效率傳輸?shù)葐栴}，提出了相關(guān)雙采樣腦電信號采集讀出電路及其讀出方法。本發(fā)明設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，輸出有用的腦電信號，可以提高無線傳輸帶寬的利用率，具有更好的消除噪聲功能，輸出的高信噪比信號可直接用于接下來的ADC轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明提供的相關(guān)雙采樣腦電信號讀出電路主要包括：抑制直流電壓偏移的低噪聲前置生物信號放大器和基于相關(guān)雙采樣技術(shù)的緩沖級輸出器。通過微電極陣列得到的原始腦電信號，由前置生物信號放大器放大后，再通過緩沖級輸出器輸出。