一种便携式多通道神经递质检测系统、方法及存储介质与流程

1.本发明涉及神经递质检测技术领域，更具体的说是涉及一种便携式多通道神经递质检测系统、方法及存储介质。


背景技术：

2.神经活动通常由多种神经递质配合完成，目前主要的检测手段是单类的神经递质检测。离子选择性探头是最早被发明的电化学传感器之一。在1906年，cremer发现将两种不同溶液用玻璃膜隔开，膜两端会存在电压差，其大小与溶液内氢离子浓度有关。经过大量的实验和研究，beckman等人终于做出了能够用于实际测量的商品玻璃电极-ph玻璃电极。此后，用于检测其他阳离子的离子电极也被陆续发明出来，比如对na
+
响应的含al2o3或b2o3的玻璃电极等等。
3.基于神经递质多数在溶液中带电的特点，检测探头可以采用离子选择性探头，通过测量电位来获得特定神经递质的离子强度。将检测溶液进行采样，然后将采样溶液送入专门有资质实验室中采用电化学仪检测系统来进行测量。电化学检测系统包括个人计算机、电化学工作站和检测探头。电化学工作站检测精度高，测量方法多样，但是全套设备占用空间大，检测费用昂贵，检测需要预约，周期时间较长，更加雪上加霜的是，绝大多数电化学仪是单通道信息采集系统，这就意味着如果检测脑脊液内其中多种神经递质信息，需要依次更换相应的探头做多次重复实验，抛开检测费用来说，这种检测效率是十分低下的。少数高端电化学仪可以做到双通道采集数据，但是昂贵的价格让普通实验室根本无法接受。
4.因此，对本领域技术人员来说，如何在实现多通道神经递质检测的同时兼顾检测设备的便携性是亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种便携式多通道神经递质检测系统、方法及存储介质，能够在实现多通道神经递质检测的同时兼顾检测设备的便携性。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一方面，提供一种便携式多通道神经递质检测系统，包括信号采集模块、通道选择模块、放大模块、控制模块；其中，所述信号采集模块与所述通道选择模块相连，所述通道选择模块与所述放大模块相连，所述放大模块与所述控制模块相连；
7.所述信号采集模块，用于采集探头信号；所述通道选择模块，用于根据所述信号采集模块的个数进行通道选择；所述放大模块，用于将所述探头信号进行放大，得到第一信号；所述控制模块，用于对所述第一信号进行处理，根据能斯特响应公式，实时输出各个神经递质浓度的变化。
8.可选的，还包括通信模块，所述通信模块与所述控制模块相连，用于将所述探头信号传输至终端设备。
9.可选的，还包括存储模块，所述存储模块与所述控制模块相连，用于存储所述检测
曲线。
10.可选的，还包括rfid模块，所述rfid模块与所述控制模块相连，用于对操作人员进行身份识别。
11.可选的，所述信号采集模块为离子选择性电极。
12.可选的，还包括显示模块，所述显示模块与所述控制模块相连，用于显示所述检测曲线。
13.可选的，还包括智能开关，所述智能开关与所述控制模块、所述放大模块、所述rfid模块、所述显示模块相连，所述控制模块控制所述智能开关，当所述控制模块输入高电平时，所述智能开关打开，对所述放大模块、所述rfid模块、所述显示模块供电，当输入低电平时，所述智能开关打开关闭停止供电。
14.通过采用上述技术方案，具有以下有益的技术效果：对整个检测电路中的各个模块都设置智能开关，只有在使用时才会打开，通过控制模块来控制，可以减少功耗。
15.另一方面，提供一种便携式多通道神经递质检测方法，具体步骤包括如下：
16.多通道采集探头信号；
17.将所述探头信号进行放大，得到第一信号；
18.对所述第一信号进行处理，根据能斯特响应公式，实时输出各个神经递质浓度的变化。
19.可选的，根据需要采集的探头信号个数选择通道的个数。
20.最后，提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种便携式多通道神经递质检测方法的步骤。
21.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种便携式多通道神经递质检测系统、方法及存储介质，具有以下有益的技术效果：
22.(1)本系统将操作与显示部分集成到了一个仪器内，使检测系统简化为检测仪器和检测探头两个部分，可以让科研人员随身携带到现场工作，实现了大型设备小型化，便携化，适用于多种检测环境。
23.(2)实现了多通路检测，一次性将所需要的神经递质检测探头同时插入到检测溶液中，各个通道可以独立地检测相应的神经递质浓度变化，然后将每一个通道的检测曲线一并显示在屏幕上。本发明简化了操作步骤，缩短了测试时间，降低了测试费用；极大的方便了研究人员进行动物、医学实验时关于不同神经递质的相关检测，显著提高了科研效率。
24.(3)每一种神经递质探头的接入口都对应一个专门的信息采集通道，彼此信息传输处理独立，无干扰。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
26.图1为本发明的系统结构图；
27.图2为本发明的放大模块电路原理图；
28.图3为本发明的稳压模块电路原理图；
29.图4为本发明的正负电压输出模块电路原理图；
30.图5为本发明的电池监测电路原理图；
31.图6(a)为本发明的正电压智能开关电路原理图；
32.图6(b)为本发明的负电压智能开关电路原理图；
33.图7为本发明的方法流程图；
34.图8为本发明的检测系统和电化学工作站的检测结果比较图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.本发明实施例1公开了一种便携式多通道神经递质检测系统，如图1所示，包括信号采集模块、通道选择模块、放大模块、控制模块；其中，信号采集模块与通道选择模块相连，通道选择模块与放大模块相连，放大模块与控制模块相连；
37.信号采集模块，用于采集探头信号；通道选择模块，用于根据信号采集模块的个数进行通道选择；放大模块，用于将探头信号进行放大，得到第一信号；控制模块，用于对第一信号进行处理，得到检测曲线。
38.进一步的，信号采集模块为离子选择性电极。对于一个检测系统，信号的采集是一个很重要的部分。放大模块就是对采集的电极中毫伏级的信号，进行一定比例放大的电路。它需要一定的抗干扰能力，同时还能准确地还原初始输入信号。由于测量的是电极电压，此放大模块的作用相当于是一个具有放大效果的电压计。要得到准确地数值，需要串接一个具有高阻抗的运放，来消除电极系统阻抗带来的影响。实验室用的电化学工作站(chi660e)的阻抗为10
12
ω。在本发明实施例中，放大电路采用intersil公司的一款高阻抗芯片ca5420a，阻抗同样能够达到10
12
ω。根据乙酰胆碱和多巴胺离子选择性电极的电压范围，将输入电压范围定为-800mv到800mv。msp430模数转换模块的输入范围为0v到2.5v，所以需要设计一个放大1.5倍，同时能将负电压输入信号转化成正电压输出信号的放大电路，放大模块电路原理图如图2所示。
39.在本实施例中，控制模块为单片机msp430f5438a，这是一款超低功耗的具有16位运算能力的混合信号处理器。
40.此外，本检测系统采用3.7v的锂电池供电。在供电过程中，电池电压会随着电量流失而慢慢降低。为了减少电压变化对检测电路的影响以及满足单片机及运放的供电要求，增加了一个稳压模块，如图3所示。主要采用的芯片是tps79533，这是一款低压差线性稳压器(ldo)，能将3.7v的输入电压转换成3.3v的输出电压，并且保持稳定。ldo稳压器适用于输入电压与输出电压接近的情况，转换效率高，降低了电源转化模块对电池的消耗。
41.同时也需要正负电压输出模块，如图4所示，通过isl60002来产生2.5v参考电压，isl6002是一款非常精确的模拟电压参考芯片，偏差在1mv以内。产生的2.5v正电压作为单片机模数转换模块的基准电压。通过反相电路将正电压转换为2.5v负电压，作为电压检测
电路的基准电压。
42.为了能够实时了解电池的使用情况，还需要设计电池监测电路。如图5所示，一般检测电池电量的方法是通过对电池电压的测量来预测电池的耗电量，但是电池耗电量与电压不成线性关系，因此这种方法不够准确。精确的做法是库仑计法，通过测量直流电流和时间来得到电池的耗电量。ds2780就是基于库仑计法设计的芯片，用于测量锂电池的电压、温度和电流，并估算剩余电量，通过1-wire通信方式与控制模块相连。
43.为了能够长时间使用而不接外部电源或充电，需要减少耗电量，除了选用低功耗的芯片外，还包括单片机控制的正负电压智能开关，如图6(a)、图6(b)所示，当单片机输入高电平时，正负电压智能开关就会打开，对各模块进行供电，当输入低电平时，开关关闭停止供电。当所有模块均开启时，电流值约为102ma，全关闭时，电流值降为2ma，大大降低了电池的消耗。本实施例中所用锂电池的电量为1100mah，该检测系统额定工作时间为10小时，待机时间为23天。
44.还包括通信模块，通信模块与控制模块相连，用于将探头信号传输至终端设备。终端设备可以为手机、电脑、可穿戴设备等。通信模块以有线和无线的方式实现与终端设备的数据传输。
45.还包括存储模块，存储模块与控制模块相连，用于存储检测曲线。本实施例中，存储模块为三星公司的flash存储器。
46.还包括rfid模块，rfid模块与控制模块相连，用于对操作人员进行身份识别。
47.还包括显示模块，显示模块与控制模块相连，用于显示检测曲线。在本实施例中，显示模块采用的是带背光的lcd点阵屏，驱动电压为3.3v，分辨率为320
×
240，使用自带字库的ra8806驱动lcd。
48.本发明实施例2公开了一种便携式多通道神经递质检测方法，如图7所示，具体步骤包括如下：
49.多通道采集探头信号；
50.将探头信号进行放大，得到第一信号；
51.对第一信号进行处理，得到检测曲线。
52.需要说明的是，根据需要采集的探头信号个数选择通道的个数。
53.采用离子选择性电极进行信号采集，由于离子选择性电极的特性，需要先对神经递质电极进行标定，将电极在标定液中的电压作为基准电压。首先根据电极个数选择通道数，之后进入30秒的标定过程，单片机对输入信号进行采样，采样结束后开始神经递质检测。同一次实验不需要重复采样，只要一开始进行了电极标定，之后的检测可以跳过标定环节直接进行神经递质的检测。检测过程中，检测数据通过曲线的方式实时地显示在屏幕上。检测结束后可以将数据保存到flash内，同时也可以将数据发送给上位机作进一步的处理。如果想要查询之前的数据或是数据没有及时发送，可以先将数据保存，然后通过数据传输的功能将数据发送给上位机。
54.具体的，标定是离子选择性电极使用前的必要步骤，对神经递质电极进行标定的原理为：以同时检测乙酰胆碱和多巴胺为例，需要有3个电极，分别是乙酰胆碱电极、多巴胺电极和共用的参比电极。参比电极在任何溶液中电压保持不变。以乙酰胆碱电极为例，乙酰胆碱电极在不同浓度的乙酰胆碱溶液中电压会有差别，不同浓度对应不同电压。标定的作
用就是选取一个乙酰胆碱浓度已知的溶液作为标定液，检测此时乙酰胆碱电极与参比电极的电压差作为标准电压差，那么就知道了该电压差值对应的乙酰胆碱浓度。有了这个标定后，检测其他浓度的乙酰胆碱溶液得到的电压差，可以与这个标准电压差进行比较，进而，得到当前的乙酰胆碱溶液浓度。
55.更进一步的，通过能斯特方程可以根据电压差得到乙酰胆碱溶液浓度，具体公式如下：
[0056][0057]
其中电压差为e
m-e0的值，em为乙酰胆碱电极电压，e0为参比电极电压，z为离子的电荷数，f、r、t分别指法拉第常数、摩尔气体常数和绝对温度，ai(aq)为被测离子i在液相中的浓度。
[0058]
下面结合具体实施例对本发明方法进行说明：
[0059]
脑脊液中含有多种神经递质，如多巴胺，乙酰胆碱，组胺等。本实施例以脑内重要的两种神经质递质：多巴胺和乙酰胆碱为例，示意性介绍本发明如何工作。其余神经递质均可以此法进行同步检测。
[0060]
将多巴胺离子选择性探头和乙酰胆碱离子选择性探头分别插入脑脊液中，乙酰胆碱探头与绿色鳄鱼夹相连接入1通道，多巴胺探头与红色鳄鱼夹相连接入2通道，两个探头共用一个基准参考电极与黑色鳄鱼夹相连。
[0061]
开始时，人工脑脊液基准浓度为10-5
m，两条曲线都处于低位水平状态。然后模拟脑兴奋过程，滴入高浓度的多巴胺和乙酰胆碱溶缓冲液，使脑脊液中多巴胺和乙酰胆碱的浓度迅速达到10-4
m。从检测曲线可以看出，两个探头同时出现阶跃响应，经过短暂时间后达到稳定。两者的浓度变化大小，变化时间都可以精确地反应出来。
[0062]
为了测试本发明检测系统与电化学工作站是否具有良好的一致性。将一根自制的乙酰胆碱离子选择性探头作为检测电极，对不同浓度的乙酰胆碱溶液进行检测。首先用电化学工作站对浓度为10-5
m，10-4
m，10-3
m，10-2
m的乙酰胆碱溶液(背景液为pbs缓冲液)分别检测，每个浓度连续测3次。同样的，用检测系统检测时，先用10-6
m的乙酰胆碱溶液标定，然后分别检测同样浓度的乙酰胆碱溶液，每个浓度测3次。以电化学工作站在10-5
m的乙酰胆碱溶液中测得的电压值作为基准点，对检测系统和电化学工作站的检测结果进行比较，如图8所示，横坐标为电化学工作站的电压值，纵坐标是检测系统的电压值。可以看到，两者的数据具有很好的线性相关性，说明该检测系统能够准确地采集电极信号，与电化学工作站有良好的一致性。其结果可信度非常高，现场测量数据完全可以直接做参考。
[0063]
最后，提供一种计算机存储介质，计算机存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现一种便携式多通道神经递质检测方法的步骤。
[0064]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0065]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。