专利名称：脑电信号放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种脑电信号放大装置，尤其涉及一种针对临床癫痫病人脑电ECoG信号，具备多通道并行采集、放大功能的放大装置。
背景技术：
癫痫，俗称羊癫疯，是一种神经系统疾病，通常是脑病变造成的脑细胞突然异常的过度放电所引发的脑功能失调。统计资料显示，我国癫痫患病率为O. 7%，据此估算我国现有癫痫患者约900万人，且以每年27万的速率增长。癫痫是严重危害人类健康的脑部常见病，它是一种慢性脑部疾患，其发作具有突然性、暂时性和反复性三大特点，以脑部神经元过度放电引起突然反复和短暂的中枢神经系统功能失常为特征。
治愈癫痫是世界性难题，而采集癫痫发作时的脑电信号则是探究治愈方法的必经之路。Neuroscan公司早在1992年成功推出SynAmps脑电信号放大器,至今已经广泛使用于世界众多研究机构，成为电生理信息放大装置领域的绝对权威。2000年该公司推出了SynAmps 2，其继续采用集成可编程软件，使数据的采集具有最大灵活性，保证进行高质量的数据采集。脑电ECoG信号包含大量的生理信息，对探索治愈癫痫具有重要意义。本装置主要针对ECoG信号，内置集成采集、放大功能，16个采集通道并行采集，可对采集数据进行空间数学运算，提供多样生理含义；针对癫痫脑电ECoG信号的生理特点，经过特定放大模块作用，完整提取癫痫生理信息，为探索治愈方法提供一种积极尝试。
发明内容
本发明旨在针对现有癫痫脑电信号研究领域的不足，提供一种基于癫痫脑电ECoG信号的放大器。为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案来实现的
脑电信号放大器，由炎化效应在线检测网络、接口模块、交/直流放大模块、并行采集模块、主控芯片模块、隔离电源模块、高速USB2. O传输模块、癫痫信息提取/显示模块组成。所述的炎化效应实时在线检测网络旨在通过检测电极一皮肤接触面的阻抗值，判断电极周边脑组织的炎化程度，指导调整电极的植入深度，以确保ECoG信号采集的真实、准确性。其包括正弦信号发生端、反应电压信号采集端、带通滤波器；在电极一皮肤接触面施加40nA的30Hz正弦交流电流，采集接触面的反应电压信号，经28Hz至30Hz的IIR带通滤波器，检测其幅值U，计算公式R=U/I得到接触阻抗值，从而实现在线实时炎化效应检测。所述的炎化效应实时在线检测网络在主控芯片模块的控制指令下，内置DA模块将设定数字信号转换成ImV的20Hz正弦交流电压信号，对炎化效应实时在线检测网络进行标准，有效的抑制零点漂移和温度漂移对系统的影响，保证ECoG信号采集的准确性。所述的接口模块包括模拟开关K1、K2，保护电阻R1、R2;在主控芯片模块发送的控制命令下，癫痫脑电信号采集/放大通道与反应性电刺激通道交替切换，由模拟开关切换的方式实现。当ECoG放大器癫痫脑电信号放大器工作时，K2断开，刺激电流回路不通；当要进行电刺激时，Kl断开，放大通路断开；刺激完成后，在规定时间间隔内快速闭合K1，切断K2，保障放大器不饱和。所述的交/直流放大模块包括Headstage阻抗变换级、差分放大级、缓冲级、交流放大级；Headstage传输的采集ECoG信号经第一级差分放大后,模块中的缓冲级和交流放大级对信号中的交流、直流成分分别进行放大提取，同时检测癫痫脑电宽带生理信号。采用双极性仪表放大器AD620实现差分放大，输出端连接至缓冲级的输入端，其输出的宽带生理信号由模拟开关芯片TS12A12511所控，保证放大的ECoG信号包含了完整的宽带生理信号；放大信号接缓冲级后，隔除直流分量之后再进入交流放大级，所述的交流放大级采用低功耗运算放大器TLC2272实现交流放大；直流、交流放大信号的输出由模拟开关芯片TS12A12511所控，根据主控芯片模块中的微处理器标志端口命令进行控制，所述的微处理器型号为Atmega32。所述的并行采集模块包括16个独立AD转换器，型号为ADS1298 ;能够对16路ECoG·脑电信号实时并行同步控制、采集，实现信号导联间的同步性，完成高速同步采集，进而可以实现对ECoG信号的空间数学运算处理。所述的主控芯片模块包括ATMEGA系列的微处理器芯片Atmega32、Atmega48、Atmega64 ；Atmega32向并行采集模块发送控制命令,根据标志位判断是否进入外部中断，进行数据读取。其中，Atmega32与Atmega48、Atmega64之间的数字传输经过隔离光I禹,供电电源部分采用医用隔离电源。隔离电源模块由光耦A2611N、A2631N及医用隔离电源DC/DC-5S5组成，隔离电压满足大于5kv,漏电流小于O. 05mA的设备安全隔离要求。所述的高速USB2. O传输模块包括USB2. O接口芯片CY7C68013 ；USB2. O接口芯片CY7C68013同步接收上升沿触发的8bit数字信号，与采集的脑电信号同步组包，传输到上位机。CY7C68013与主控芯片模块的连接方式采用Slave FIFOs方式，异步读写模式。所述的癫痫信息提取/显示模块包括上位机软件算法实现Butterworth滤波，使通频带内具有最平滑频率响应曲线，设置一阶高通、二阶低通两种滤波器对所采集脑电数据进行滤波，实现多频带、多种滤波器，加速进行16导ECoG信号处理能力，完成显示癫痫脑电ECoG信号的放大功能。本发明的有益效果是本发明旨在针对癫痫脑电ECoG信号，实现多通道并行采集、放大功能，有效剔除、抑制高频干扰成分，能够完整提取、显示低频癫痫脑电生理信息。
图I为本发明脑电信号放大器的原理框 图2为接口模块原理 图3为交/直流放大模块的原理框 图4为交/直流放大模块中第一级差分放大部分电路原理 图5为交/直流放大模块中第二级交流放大部分电路原理 图6为并行采集模块芯片ADS1298接口双电源配置 图7为ADS1298与主控芯片模块芯片Atmega32接口配置示意 图8为主控芯片模块原理框图；图9为主控芯片与传输芯片CY7C68013的外围接口示意 图10为主控芯片与传输芯片CY7C68013连接异步模式写操作接口引脚示意 图11为主控芯片与传输芯片CY7C68013连接异步模式读操作接口引脚示意 图12为USB2. O传输芯片CY7C68013的固件程序设计框架 图13为本发明基于ECoG信息交/直流瞬时放大仿真测试效果示意 图14为本发明实际采集、放大癫痫脑电ECoG信号效果示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
如图I所示，本发明脑电信号放大器包括炎化效应在线检测网络、接口模块、交/直流放大模块、并行采集模块、主控芯片模块、隔离电源模块、高速USB2. O传输模块、癫痫信息提取/显示模块；植入式电极采得ECoG信号，经Headstage阻抗变换(高阻变低阻)之后，进入炎化效应在线检测网络，可以根据检测电极周围脑组织的炎化程度来调整电极位置，以保证ECoG信号采集的真实性和准确性，ECoG信号进入交/直流放大模块，其中直流放大采用芯片AD620，交流放大采用芯片TLC2272 ;并行采集模块ADC选用芯片ADS1298，并在主控芯片模块AVR MCU中的微处理器Atmega32的控制下，进行16通道并行ECoG信号交/直流分量同步数据采集，采集所得数据通过SPI端口与主控芯片模块AVR MCU进行数据传输；同时，配置Atmega32的特定I/O端口，对内置DA模块发送控制指令，将特定数字信号转换成ImV的20Hz正弦交流电压信号，从而对炎化效应检测网络进行校准，有效的抑制零点漂移和温度漂移对系统的影响。主控芯片模块AVR MCU的微处理器Atmega32控制并行采集模块ADC进行数据采集,微处理器Atmega48、Atmega64与Atmega32通过高速隔离光I禹进行通信，高速隔离光耦芯片型号为A2611N、A2631N ；医用隔离电源型号为DC/DC-5S5，对主控芯片模块AVR MCU进行供电；采集放大的脑电信号在微处理器Atmega64处组成数据包之后，传输至USB2. O芯片CY7C68013FX2，芯片CY7C68013FX2采用USB供电技术；数据包经采集分析软件实现癫痫信息的提取/显示。如图2所示，Kl、K2为模拟开关，Rl、R2为保护电阻，箭头方向示意刺激电流和ECoG信号采集的流向；κ 的一端与保护电阻Rl —端连接，Kl另一端连接至癫痫脑电信号放大器；R1的另一端与电极连接；K2的一端连接至Kl与Rl相接处，另一端与R2相接，保护电阻R2的另一端接地；其中Κ2与R2的相连处外接至多通道刺激器；在主控芯片微处理器的控制命令下，KU Κ2切换打开/闭合两种模式，当癫痫脑电信号放大器工作时，电刺激输入端Κ2切断，刺激电流回路不通；当要进行电刺激时，放大器输入端Kl切断，放大通路断开；刺激完成后，在规定时间间隔内快速闭合放大器输入端开关Κ1，切断电刺激输入端开关Κ2，保障癫痫脑电信号放大器不饱和。如图3所不，Headstage传输的米集ECoG信号经低通滤波器后,传输至第一级差分放大部分，采用双极性仪表放大器AD620实现差分放大，模块第二级对信号中的交流、直流成分分别进行放大提取，检测癫痫脑电宽带生理信号。差分放大级的输出端连接至缓冲器(Buffer)的输入端，缓冲器由低功耗运放TLC2272搭建的电压跟随器实现，隔除直流分量之后再进入交流放大部分，采用低功耗运算放大器TLC2272实现交流放大；直流、交流放大信号的输出分量由模拟开关芯片TS12A12511所控,微处理器芯片标志端口输出的控制命令控制芯片TS12A12511，所述的微处理器型号为Atmega32。如图4所示，交/直流放大模块中第一级差分放大部分包括双极性仪表放大器Ul(AD620)及外围电路R3 ;仪表放大调制电阻R3连接至Ul的调制电阻引脚，Ul的正向输入端连接ECoG输入信号，负向输入端接参考信号，正极性电源引脚接VCC，负极性电源引脚接VDD, Ul接地引脚连接至GND，输出引脚接后续电路模块。如图5所示，交/直流放大模块中第二级交流放大部分包括运放U2、电容C、电阻R4、R5、R6 ;其中电容C与电阻R4构成高通滤波器，R4的另一端连接至GND，电容C与电阻R4的连接端接U2的正向输入端，电容C的另一端接输入信号；电阻R5的一端接至U2的负 向输入端，另一端与R6相连，R6的另一端接GND ；U2的输出端反馈连接至电阻R5、R6的相连端，构成负反馈电路；U2的正极性电源引脚接VCC，负极性电源引脚接VDD ；U2采用低功耗运算放大器TLC2272实现。如图6所示，本发明AD转换模块选用芯片ADS1298，每个芯片拥有8个独立的AD，采用贴片式封装，64个引脚；方案所需16通道ECoG信号采集，需用2片芯片实现，ADS1298具有低功耗、输入参考噪声低等优良电路特性以及丰富的接口资源，方便外围电路的设计。ADS1298采用双电源配置方案，保证零电势参考平面的稳定；luF、0. IuF并联端接至引脚AVDD，另一端接地;引脚AVDD与引脚AVDDl短接；0. IuF、IuF并联端接至引脚DVDD，引脚DVDD接电源+1. 8V ；0. IuFUOuF并联接至引脚VREFP和引脚VREFN ;引脚VREFN接电源-I. 5V ;引脚RESVl接地；引脚VCAPl接22uF —端；引脚VCAP2接IuF —端；引脚VCAP3接O. IuF 一端；引脚VCAP3接IuF —端；引脚VCAP4接IuF —端；引脚WCT接InF —端；弓I脚AVSS与引脚AVSSl连接并接至电源-I. 5V ;22uF、luF、0. IuFUuF UuF、InF的另一端均连接至-1.5V端；luF、0. IuF并联接至引脚AVSS，另一端接地。如图7所示，采集模块芯片ADS1298与主控芯片Atmega32的接口配置。ADS1298的引脚DRDY向Atmega32的引脚INT传输数据；Atmega32的引脚GPO向ADS1298的引脚CS传输数据；Atmega32的引脚SCLK向ADS1298的引脚SCLK传输数据；Atmega32的引脚MOSI向ADS1298的引脚DIN传输数据；ADS1298的引脚DOUT向Atmega32的引脚MISO传输数据。主控芯片模块的Atmega32通过SPI接口的MOSI向ADS1298发送控制命令，包括采样频率、启动命令、停止命令、PGA等。ADS1298采集完数据，并进行完AD转换之后，标志位DRDY变低电平，触发Atmega32外部中断，Atmega32进入中断程序,通过MISO端口读取AD转换结果；待读取16个通道数据完成后，ADS1298自动进行下一次的数据采集、转换，不断循环重复此过程。如图8所示，主控模块芯片Atmega32将采集的16导ECoG信号数据经高速隔离光率禹传输至Atmega64,与此同时,上升沿触发同步8bit事件记录Atmega48芯片I/O端口 PO的数字信号，只要信号进行变化，就记录一次，并且将同步8bit事件数据传输至Atmega64 ；ECoG信号数据与同步8bit事件数据在Atmega64中组包后，将同步数据包传输至USB2. O传输接口芯片CY7C68013，校验确保传输路径Atmega64 — CY7C68013的数据可靠性，而后再传输至PC机端口 ；并行采集的16导ECoG信号传输路径为Atmega32—Atmega64—CY7C68013 ；上升沿触发同步8bit事件的传输路径是Atmega48 — Atmega64 — CY7C68013。整个主控芯片模块Atmega32、Atmega48、Atmega64的供电采用医用隔离电源DC/DC-5S5供电，隔离电压满足大于5kv，漏电流小于O. 05mA的设备安全隔离要求，高速隔离光耦采用A2611N、A2631N实现。如图9所示，芯片CY7C68013与主控芯片的外围接口配置；CY7C68013与主控模块微处理器的连接方式采用Slave FIFOs，异步读写。Slave FIFOs方式是从机方式，微处理器可以像读写普通FIFO —样对CY7C68013内部的多层缓冲FIFO进行读写。FLAGA、FLAGB和FLAGC是CY7C68013内部FIFO的状态标志，主控芯片通过通用I/O端口获得FIFO的空、半满(由用户设定半满阈值)和满等状态信息；对CY7C68013内部FIFO的选择，以及数据包的提交也通过通用I/O端口实现。CY7C68013与主控芯片的读写操作过程为外部主控芯片通过USB向PC发送数据时，首先查看空、半满和满这三个状态信号，然后向USB 写入适当大小的数据，以保证数据不会溢出；PC通过USB向外部主控芯片发送命令字时，USB通过中断方式通知外部主控芯片读取命令字。如图10所示，主控芯片向CY7C68013 (FX2)进行写操作，其接口引脚配置；
a.当写事件发生时，指向INFIF0，激活通过FIF0ADR[1:0]指定写FIFO地址；
b.判读FLAGB“满”标志，若不满(为“假”)，则执行写操作，若满则等待，继续判断；
c.将SLRWR使能，通知FX2对其进行写操作；
d.如果发送短包数据，则可以通过PKTEND通知68013执行未满块传输。如图11所示，主控芯片向CY7C68013 (FX2)进行读操作，其接口引脚配置；
a.当主控器收到由PDO发送的中断信号时，说明有读事件发生；
b.指向0UTFIF0，激活FIF0ADR[1:0]指定写FIFO地址；
c.激活SLOE(控制FD[7:0]输出使能)，判断FIFO “空”标志，如果不空(为假)，则执行读操作，否则停留在该状态，继续判断；
d.激活SLOE和SLRD，传送总线采样数据，撤销激活SLRD(指针加I)和SLOE ；
e.如果有更多的数据需要读，则转向“c”；
f.数据读取完毕，根据相应指令做出相应处理。如图12所示，CY7C68013的固件程序开发设计框架；脑电放大器上电或者复位后，初始化全局变量，接下来调用函数TD_init，接下来开启中断，条件判断是否需要进行二次枚举，如果是，就进行再次枚举；如果否就连接设备，之后配置ADS1298 ;进入条件判断是否有标准设备请求，如果是，就执行标准设备请求；如果否，就进入下一条件判断；是否有总线挂起事件，如果否，跳至后续执行程序处；如果是，执行下一步，条件判断函数TD_Suspend的值，如果否，跳至后续执行程序处；如果是，执行处理器挂起，进入循环，条件判断是否重新开始事件；跳出循环后，执行调用函数TD_ReSume ;最后调用函数TD_Poll，读取AD采集的数据结果，完成后自动跳转至下一周期的数据读取。如图13所示，本发明基于ECoG信息交/直流测试信号进行测试，源信号幅值IOOuV,直流分量放大10倍，交流分量放大190倍，瞬时放大仿真效果良好，放大作用明显，干扰噪声成分小，信号失真率低。如图14所示，进行临床实验，通过电刺激特定脑区诱发癫痫的方法，应用本发明实际采集、放大癫痫脑电ECoG信号，通过上位机软件显示，效果显著。本发明的工作过程为采用植入式手术技术，将ECoG电极植入特定脑区；脑电信号放大器经USB 口连接至电脑，此时，数据线旁的红色指示灯亮起，表示电源供电正常，可以开始采集/放大信号；ECoG脑电信号经Headstage阻抗变换(高阻变低阻)之后，进入炎化效应在线检测网络，可以根据检测电极周围脑组织的炎化程度来调整电极位置，信号进入交/直流放大模块，并行采集模块AD在主控芯片微处理器的控制下，对放大的ECoG信号直流/交流分量进行同步数据采集；同时，配置微处理器Atmega32的特定I/O端口，对内置 DA模块发送控制指令，将特定数字信号转换成正弦交流电压信号，对检测网络进行校准，抑制零点漂移和温度漂移。主控芯片模块微处理器Atmega48、Atmega64与Atmega32通过高速隔离光耦进行通信，医用隔离电源对两部分微处理器供电；Atmega48的特定I/O端口上升沿触发同步8bit事件与Atmega32传输的ECoG脑电信号在Atmega64处同步组包后,传输至USB传输接口芯片，同时，绿色指示灯亮起，表示接口芯片正在接收数据包，所得数据包经采集分析软件实现癫痫信息的提取/显示；专业医务人员根据上位机所显示采集的癫痫脑电信息，决定多通道刺激器是否输出刺激电流，实现脑电信号放大闭环装置。
权利要求
1.脑电信号放大器，由炎化效应在线检测网络、接口模块、交/直流放大模块、并行采集模块、主控芯片模块、隔离电源模块、高速USB2. O传输模块、癫痫信息提取/显示模块组成，其特征在于 所述的炎化效应实时在线检测网络旨在通过检测电极一皮肤接触面的阻抗值，判断电极周边脑组织的炎化程度，指导调整电极的植入深度，以确保ECoG信号采集的真实、准确性；其包括正弦信号发生端、反应电压信号采集端、带通滤波器；在电极一皮肤接触面施加40nA的30Hz正弦交流电流，采集接触面的反应电压信号，经28Hz至30Hz的IIR带通滤波器，检测其幅值U，计算公式R=U/I得到接触阻抗值，从而实现在线实时炎化效应检测； 所述的炎化效应实时在线检测网络在主控芯片模块的控制指令下，内置DA模块将设定数字信号转换成ImV的20Hz正弦交流电压信号，对炎化效应实时在线检测网络进行标准，有效的抑制零点漂移和温度漂移对系统的影响，保证ECoG信号采集的准确性； 所述的接口模块包括模拟开关K1、K2，保护电阻Rl、R2;在主控芯片模块发送的控制命令下，癫痫脑电信号采集/放大通道与反应性电刺激通道交替切换，由模拟开关切换的方式实现；iECoG放大器癫痫脑电信号放大器工作时，Κ2断开，刺激电流回路不通；当要进行电刺激时，Kl断开，放大通路断开；刺激完成后，在规定时间间隔内快速闭合K1，切断K2，保障放大器不饱和； 所述的交/直流放大模块包括Headstage阻抗变换级、差分放大级、缓冲级、交流放大级；Headstage传输的采集ECoG信号经第一级差分放大后,模块中的缓冲级和交流放大级对信号中的交流、直流成分分别进行放大提取，同时检测癫痫脑电宽带生理信号；采用双极性仪表放大器AD620实现差分放大，输出端连接至缓冲级的输入端，其输出的宽带生理信号由模拟开关芯片TS12A12511所控，保证放大的ECoG信号包含了完整的宽带生理信号；放大信号接缓冲级后，隔除直流分量之后再进入交流放大级，所述的交流放大级采用低功耗运算放大器TLC2272实现交流放大；直流、交流放大信号的输出由模拟开关芯片TS12A12511所控，根据主控芯片模块中的微处理器标志端口命令进行控制，所述的微处理器型号为Atmega32 ； 所述的并行采集模块包括16个独立AD转换器，型号为ADS1298 ;能够对16路ECoG脑电信号实时并行同步控制、采集，实现信号导联间的同步性，完成高速同步采集，进而可以实现对ECoG信号的空间数学运算处理； 所述的主控芯片模块包括ATMEGA系列的微处理器芯片Atmega32、Atmega48、Atmega64 ；Atmega32向并行采集模块发送控制命令,根据标志位判断是否进入外部中断，进行数据读取；其中，Atmega32与Atmega48、Atmega64之间的数字传输经过隔离光稱,供电电源部分采用医用隔离电源；隔离电源模块由光耦A2611N、A2631N及医用隔离电源DC/DC-5S5组成，隔离电压满足大于5kv,漏电流小于O. 05mA的设备安全隔离要求； 所述的高速USB2. O传输模块包括USB2. O接口芯片CY7C68013 ；USB2. O接口芯片CY7C68013同步接收上升沿触发的8bit数字信号，与采集的脑电信号同步组包，传输到上位机；CY7C68013与主控芯片模块的连接方式采用Slave FIFOs方式，异步读写模式； 所述的癫痫信息提取/显示模块包括上位机软件算法实现Butterworth滤波,使通频带内具有最平滑频率响应曲线，设置一阶高通、二阶低通两种滤波器对所采集脑电数据进行滤波，实现多频带、多种滤波器，加速进行16导ECoG信号处理能力，完成显示癫痫脑电ECoG信号的放大功能 。
全文摘要
本发明公开了一种脑电信号放大器。本发明中植入式电极采得ECoG信号，经Headstage阻抗变换之后，进入炎化效应在线检测网络，然后进入交/直流放大模块，并在微处理器Atmega32的控制下，进行并行ECoG信号采集，采集所得数据通过SPI端口与主控芯片模块进行数据传输。微处理器Atmega48、Atmega64与Atmega32通过高速隔离光耦进行通信；采集放大的脑电信号在微处理器Atmega64处组成数据包之后，传输至USB2.0芯片；数据包经采集分析软件实现癫痫信息的提取/显示。本发明可实现多通道并行采集、放大功能，有效剔除、抑制高频干扰成分，能够完整提取、显示低频癫痫脑电生理信息。
文档编号A61B5/0476GK102894973SQ201210360848
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者王跃明, 胡裕轩, 郭建平, 郑筱祥 申请人:浙江大学