一种高通量神经电极的短路检测装置及方法与流程

1.本发明涉及生物医学工程领域，尤其涉及一种高通量神经电极的短路检测装置及方法。


背景技术：

2.目前的研究表明，包括帕金森病、老年痴呆在内的多种神经系统疾病均与中枢神经系统内神经元放电活动密切相关，神经电信号表现出异常的活动特征和模式。因此，对脑组织中微弱的神经电信号进行高通量检测，研究不同生理和病理条件下电生理信号的动态变化过程，对研究神经系统性疾病的发病机制、相关药物的作用机理，以及药物的疗效评价具有重要的意义和潜在的应用价值。为了抑制外界噪声干扰，更加精确地对多点同时进行测量，目前绝大多数神经电信号采集系统采用植入式多通道神经电极来记录神经元细胞的放电活动。
3.对于多通道神经电极而言，通道间短路情况检测是必不可少的，其可以检测由于制造缺陷导致的高密度多通道电极不同通道间的短路情况，防止多通道神经电极实际使用记录信号时，发生不同通道间信号串扰的现象，影响脑电信号的准确采集。目前常见的测试方法是通过万用表，每次选择两个通道测量它们之间的电阻值，通过穷举不同通道的组合最终判断整个器件上通道间的短路情况。但这种方法效率很低，需要消耗大量时间和人力，以一个128通道的神经电极为例，其总共需要穷举8128种不同的情况。
4.因此，需要提供一种可以快速完成对多通道神经电极的检测并且实现自动化切换待测电极通道并且保证脑电信号采集准确的高通量神经电极的短路检测装置来解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高通量神经电极的短路检测装置。解决了现有技术中在多通道神经电极的通道之间发生串扰，影响脑电信号采集效果的问题。
6.本发明的技术效果通过如下实现的：
7.一种高通量神经电极的短路检测装置，短路检测装置用于检测多通道神经电极的各通道之间是否发生短路，包括：控制模块、模数转换模块、直流电压源、第一多路复用器、第二多路复用器和电阻网络，所述直流电压源通过所述第一多路复用器和神经电极的第一通道连接，所述电阻网络通过所述第二多路复用器和神经电极的第二通道连接，所述第一多路复用器、所述第二多路复用器和所述电阻网络均和所述控制模块连接，所述模数转换模块用于通过所述第二多路复用器采集神经电极的第二通道上的电压，所述控制模块用于接收所述模数转换模块采集到电压值且根据其电压值和所述电阻网络计算出神经电极的第一通道与第二通道之间的电阻值以判定第一通道和第二通道之间是否发生短路，所述第一通道和所述第二通道为神经电极的通道中两个不同的通道。通过设置短路检测装置，实现了自动化检测多通道神经电极的各通道之间的短路情况，提高了多通道神经电极的检测
效率，保证了脑电信号采集的准确性，解决了现有技术中在多通道神经电极的通道之间发生串扰，影响脑电信号采集效果的问题。
8.进一步地，所述电阻网络包括第三多路复用器和多个电阻值不同的标准电阻，所述第三多路复用器和多个标准电阻连接，所述电阻网络用于根据需要测试神经电极的通道之间的电阻值量程供所述第三多路复用器选择适配的标准电阻以进行测试。通过在电阻网络中设置第三多路复用器和多个电阻值不同的标准电阻连接，使得可以通过第三多路复用器从电阻网络中选择与神经电极的通道之间的电阻值量程对应的标准电阻，以完成需要进行测试的神经电极的第一通道和第二通道之间电阻值的测量。
9.进一步地，所述控制模块包括复用器控制模块，所述第一多路复用器、所述第二多路复用器和所述第三多路复用器均与所述复用器控制模块连接，所述复用器控制模块用于控制所述第一多路复用器选择神经电极的通道中一个通道作为需要进行短路测试的一个通道，控制所述第二多路复用器选择神经电极的其他通道中的一个通道作为需要进行短路测试的另一个通道，控制所述第二多路复用器从所述电阻网络中选择适配的标准电阻以进行测试。通过设置第一多路复用器和神经电极的第一通道连接，第二多路复用器和神经电极的第二通道连接，第一多路复用器、第二多路复用器和第三多路复用器均与复用器控制模块连接，使得可以通过复用器控制模块发出控制信号以控制第一多路复用器、第二多路复用器选择要进行测试的神经电极的通道，并且控制第三多路复用器选取与要进行测试的神经电极的通道之间的电阻值量程对应的标准电阻。
10.进一步地，所述控制模块还包括采样计时模块，所述采样计时模块和所述复用控制模块连接，所述采样计时模块用于控制所述复用器控制模块选取对应的两个神经电极的通道以完成测试通道的切换。
11.进一步地，所述控制模块还包括模数转换控制模块，所述模数转换控制模块一端和所述采样计时模块连接，另一端和所述模数转换模块连接，所述采样计时模块用于通过所述数模转换控制模块控制所述数模转换模块采集神经电极的第二通道上的电压，所述数模转换控制模块用于接收所述模数转换模块采集到电压值且根据其电压值和所述电阻网络计算出神经电极的第一通道与第二通道之间的电阻值判定第一通道和第二通道之间是否发生短路。通过设置数模转换控制模块，根据模数转换模块采集到电压值、从电阻网络选取的标准电阻的电阻值和直流电压源的电压值，计算出神经电极的第一通道与第二通道之间的电阻值，从而判定第一通道和第二通道之间是否发生短路。
12.进一步地，还包括上位机，所述上位机和所述采样计时模块连接，所述上位机发送采样时间参数至所述采样计时模块以使所述采样计时模块根据所述采样时间参数控制所述复用器控制模块和所述模数转换控制模块工作。
13.进一步地，所述控制模块还包括fifo缓存模块，所述fifo缓存模块和所述模数转换控制模块连接，所述fifo缓存模块用于缓存所述模数转换控制模块的采样数据文件和短路测试结果。
14.进一步地，还包括usb通信驱动模块，所述usb通信驱动模块一端和所述fifo缓存模块连接，另一端和所述上位机连接，所述usb通信驱动模块用于将所述fifo缓存模块中缓存的数据上传至所述上位机。
15.进一步地，还包括多通道神经电极连接器，所述多通道神经电极连接器一端用于
连接多通道神经电极，所述多通道神经电极连接器另一端用于输出多个通道，多个通道中包括所述第一通道和第二通道。通过设置多通道神经电极连接器连接多通道神经电极，实现多通道神经电极的各个通道的电学引出，便于完成多通道神经电极的各个通道之间的电阻值的测量。
16.另外，还提供一种高通量神经电极的短路检测方法，所述方法基于上述的高通量神经电极的短路检测装置实现的，所述方法包括：
17.控制第一多路复用器和第二多路复用器分别选择需要测试的神经电极的不同通道，即为第一通道和第二通道；
18.控制电阻网络根据第一通道和第二通道的电阻值量程选择适配的标准电阻；
19.控制模数转换模块通过第二多路复用器检测神经电极的第二通道上的电压；
20.根据检测到的第二通道上的电压值和电阻网络选择的标准电阻的电阻值得到第一通道和第二通道之间的电阻值；
21.根据第一通道和第二通道之间的电阻值判定第一通道和第二通道之间是否发生短路。
22.如上所述，本发明具有如下有益效果：
23.1)通过设置短路检测装置，实现了自动化检测多通道神经电极的各通道之间的短路情况，提高了多通道神经电极的检测效率，保证了脑电信号采集的准确性，解决了现有技术中在多通道神经电极的通道之间发生串扰，影响脑电信号采集效果的问题。
24.2)通过在电阻网络中设置第三多路复用器和多个电阻值不同的标准电阻连接，使得可以通过第三多路复用器从电阻网络中选择与神经电极的通道之间的电阻值量程对应的标准电阻，以完成需要进行测试的神经电极的第一通道和第二通道之间电阻值的测量。
25.3)通过设置第一多路复用器和神经电极的第一通道连接，第二多路复用器和神经电极的第二通道连接，第一多路复用器、第二多路复用器和第三多路复用器均与复用器控制模块连接，使得可以通过复用器控制模块发出控制信号以控制第一多路复用器、第二多路复用器选择要进行测试的神经电极的通道，并且控制第三多路复用器选取与要进行测试的神经电极的通道之间的电阻值量程对应的标准电阻。
26.4)通过设置数模转换控制模块，根据模数转换模块采集到电压值、从电阻网络选取的标准电阻的电阻值和直流电压源的电压值，计算出神经电极的第一通道与第二通道之间的电阻值，从而判定第一通道和第二通道之间是否发生短路。
27.5)通过设置多通道神经电极连接器连接多通道神经电极，实现多通道神经电极的各个通道的电学引出，便于完成多通道神经电极的各个通道之间的电阻值的测量。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明的技术方案，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的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还能够根据这些附图获得其它附图。
29.图1为本说明书实施例提供的一种高通量神经电极的短路检测装置的结构框图；
30.图2为本说明书实施例提供的第一多路复用器的原理图；
31.图3为本说明书实施例提供的第二多路复用器的原理图；
32.图4为本说明书实施例提供的模数转换模块的原理图；
33.图5为本说明书实施例提供的电阻网络的原理图。
34.其中，图中附图标记对应为：
35.控制模块1、复用器控制模块101、采样计时模块102、模数转换控制模块103.fifo缓存模块104、模数转换模块2、直流电压源3、第一多路复用器4、第二多路复用器5、电阻网络6、第三多路复用器601、标准电阻602、上位机7、usb通信驱动模块8、多通道神经电极连接器9。
具体实施方式
36.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的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。
37.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
38.实施例1：
39.如图1-5所示，本说明书实施例提供了一种高通量神经电极的短路检测装置，短路检测装置用于检测多通道神经电极的各通道之间是否发生短路，包括：控制模块1、模数转换模块2、直流电压源3、第一多路复用器4、第二多路复用器5和电阻网络6，直流电压源3通过第一多路复用器4和神经电极的第一通道连接，电阻网络6通过第二多路复用器5和神经电极的第二通道连接，第一多路复用器4、第二多路复用器5和电阻网络6均和控制模块1连接，模数转换模块2用于通过第二多路复用器5采集神经电极的第二通道上的电压，控制模块1用于接收模数转换模块2采集到电压值且根据其电压值和电阻网络6计算出神经电极的第一通道与第二通道之间的电阻值以判定第一通道和第二通道之间是否发生短路，第一通道和第二通道为神经电极的通道中两个不同的通道。
40.优选地，还包括多通道神经电极连接器9，多通道神经电极连接器9一端用于连接多通道神经电极，多通道神经电极连接器9另一端用于输出多个通道，多个通道中包括第一通道和第二通道。
41.需要说明的是，目前对多通道神经电极进行测试的方式中，最常见的测试方法是通过万用表警醒测试，每次选择两个神经电极的通道，来测量它们之间的电阻值，通过穷举不同通道的组合最终判断整个多通道神经电极上通道之间的短路情况。但这种方法效率很低，需要消耗大量时间和人力，以一个128通道的神经电极为例，其总共需要穷举8128种不同的情况分别进行相应的测试。
42.因此，本技术通过设置短路检测装置，实现了自动化检测多通道神经电极的各通道之间的短路情况，提高了多通道神经电极的检测效率，保证了脑电信号采集的准确性，解决了现有技术中在多通道神经电极的通道之间发生串扰，影响脑电信号采集效果的问题。
43.具体地，本实施例中的一种高通量神经电极的短路检测装置是针对具有32个通道的多通道神经电极进行短路测试，控制模块1为fpga芯片，其中，fpga芯片为芯片spartan6 xc6slx45-2，第一多路复用器4、第二多路复用器5为芯片adg732bsu，直流电压源为芯片tps79325dbvr。通过fpga芯片控制自动穷举神经电极的通道组合，自动化地检测整个多通道神经电极各通道之间的短路情况，无需人为切换通道，减少人力资源损耗；同时，通过fpga芯片切换选取神经电极的通道，相比于人为用万用表选择通道，大大节省测试时间，提高工作效率。
44.具体地，如图2和图3所示，图2为第一多路复用器4的原理图，图3为第二多路复用器5的原理图，图2中的第一多路复用器4对应的芯片adg732bsu中mux_s0～mux_s31的32个端口、图3中的第二多路复用器5对应的芯片adg732bsu中mux_s0～mux_s31的32个端口均与多通道神经电极连接器9上的32个通道一一对应连接，图2中的mux_source_a0～mux_source_a4为第一多路复用器4的选通控制信号，图3中的mux_adc_a0～mux_adc_a4为第二多路复用器5的选通控制信号，第一多路复用器4和第二多路复用器5分别通过各自接收的选通控制信号来控制选取要进行测试的神经电极的通道，即对应为第一通道、第二通道。
45.具体地，如图4所示，模数转换模块2通过芯片ads7039qdcurq1和芯片opa365aid组合实现，芯片ads7039qdcurq1中adc_sclk、adc_sdo和adc_cs三个端口用于接收adc采样控制通信信号，从而控制模数转换模块2通过第二多路复用器5采集神经电极的第二通道上的电压。通过采用高精度芯片ads7039qdcurq1进行采样，实现准确的电压采样，从而更精确地测试通道之间电阻，进而判断通道之间的短路情况。
46.优选地，电阻网络6包括第三多路复用器601和多个电阻值不同的标准电阻602，第三多路复用器601和多个标准电阻602连接，电阻网络6用于根据需要测试神经电极的通道之间的电阻值量程供第三多路复用器601选择适配的标准电阻602以进行测试。
47.具体地，如图5所示，图5为电阻网络6的原理图，第三多路复用器601为芯片adg708bruz，其中，芯片adg708bruz中mux_res_a0～mux_res_a2三个端口为第三多路复用器601的选通控制信号，mux_res_s1～mux_res_s6六个端口分别一一对应的连接电阻值不同的标准电阻602，分别连接的标准电阻602的电阻值为10欧姆、100欧姆、1k欧姆、10k欧姆、100k欧姆、1m欧姆，即标准电阻602的一端连接芯片adg708bruz。另一端接地。通过根据需要测试神经电极的通道之间的电阻值量程通过选通控制信号控制第三多路复用器601选取与电阻值量程对应的标准电阻602，例如，当需要测试的神经电极的通道之间的电阻值量程的最大值为95欧姆时，选用大于95欧姆且与95欧姆最接近的电阻值为100欧姆的标准电阻602。
48.优选地，控制模块1包括复用器控制模块101，第一多路复用器4、第二多路复用器5和第三多路复用器601均与复用器控制模块101连接，复用器控制模块101用于控制第一多路复用器4选择神经电极的通道中一个通道作为需要进行短路测试的一个通道，控制第二多路复用器5选择神经电极的其他通道中的一个通道作为需要进行短路测试的另一个通道，控制第二多路复用器5从电阻网络6中选择适配的标准电阻602以进行测试。
49.具体地，复用器控制模块101用于输出分别控制第一多路复用器4、第二多路复用器5和第三多路复用器601的选通控制信号以控制第一多路复用器4、第二多路复用器5选择进行测试的神经电极的通道，和第三多路复用器601从电阻网络6中选择与所需测量神经电极通道之间电阻值范围对应的标准电阻602。
50.优选地，控制模块1还包括采样计时模块102，采样计时模块102和复用控制模块1连接，采样计时模块102用于控制复用器控制模块101选取对应的两个神经电极的通道以完成测试通道的切换。
51.优选地，控制模块1还包括模数转换控制模块103，模数转换控制模块103一端和采样计时模块102连接，另一端和模数转换模块2连接，采样计时模块102用于通过数模转换控制模块1控制数模转换模块采集神经电极的第二通道上的电压，数模转换控制模块1用于接收模数转换模块2采集到电压值且根据其电压值和电阻网络6计算出神经电极的第一通道与第二通道之间的电阻值判定第一通道和第二通道之间是否发生短路。
52.具体地，本技术的短路检测装置的检测原理是通过基于分压电路测试任意选定的两个神经电极的通道之间的电阻值，详细原理如下：直流电压源3通过第一多路复用器4连接到神经电极的第一通道，神经电极的第二通道通过第二多路复用器5连接到电阻网络6，其中，电阻网络6由第三多路复用器601和多个标准电阻602连接而成，测试时根据所需电阻值量程通过第三多路复用器601选择其中一个标准阻值电阻进行测试，电阻网络6中标准电阻602的另一端接地，通过模数转换模块2采样此时神经电极的第二通道上的电压值，则神经电极的第一通道和第二通道之间的电阻值可以通过以下公式计算：
[0053][0054]
其中，r
ab
为第一通道、第二通道之间的电阻值，r0为电阻网络中当前测试选择的标准电阻602的电阻值，vs为直流电压源3提供的电压值，v
t
为模数转换模块2采样得到的第二通道上的电压值。当r
ab
为0时，即判断为此时进行测试的神经电极的第一通道、第二通道之间存在短路情况。
[0055]
优选地，还包括上位机7，上位机7和采样计时模块102连接，上位机7发送采样时间参数至采样计时模块102以使采样计时模块102根据采样时间参数控制复用器控制模块101和模数转换控制模块103工作。
[0056]
优选地，控制模块1还包括fifo缓存模块104，fifo缓存模块104和模数转换控制模块103连接，fifo缓存模块104用于缓存模数转换控制模块103的采样数据文件和短路测试结果。
[0057]
优选地，还包括usb通信驱动模块8，usb通信驱动模块8一端和fifo缓存模块104连接，另一端和上位机7连接，usb通信驱动模块8用于将fifo缓存模块104中缓存的数据上传至上位机7。
[0058]
本说明书实施例提供了一种高通量神经电极的短路检测方法，方法基于实施例1中的高通量神经电极的短路检测装置实现的，方法包括：
[0059]
控制第一多路复用器4和第二多路复用器5分别选择需要测试的神经电极的不同通道，即为第一通道和第二通道；
[0060]
具体地，通过复用器控制模块101发出选通控制信号分别控制第一多路复用器4和
第二多路复用器5分别对应的选取第一通道和第二通道。
[0061]
控制电阻网络6根据第一通道和第二通道的电阻值量程选择适配的标准电阻602；
[0062]
具体地，通过复用器控制模块101发出选通控制信号控制第二多路复用器5从电阻网络6中选择适配的标准电阻602以进行测试。
[0063]
控制模数转换模块2通过第二多路复用器5检测神经电极的第二通道上的电压；
[0064]
根据检测到的第二通道上的电压值和电阻网络6选择的标准电阻602的电阻值得到第一通道和第二通道之间的电阻值；
[0065]
具体地，根据直流电压源3输出的电压值vs，检测到的第二通道上的电压值v
t
和电阻网络6选择的标准电阻602的电阻值r0，可以计算出第一通道和第二通道之间的电阻值
[0066]
根据第一通道和第二通道之间的电阻值判定第一通道和第二通道之间是否发生短路。
[0067]
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
[0068]
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征能够相互结合。
[0069]
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。