专利名称：基于usb的簇状放电提取分析系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于USB的簇状放电提取分析装置，特别是涉及使用细胞外记录技术提取簇状放电信号领域。
背景技术：
神经元放电形式具有多样性，这种放电可能具有周期性或者呈簇状形式出现—— 即放电频率较高，单个放电信号时间间隔较短的一串放电信号。这种簇状放电信号反映了 神经元放动作电位在时间上的排列，其形式多样，蕴含着丰富的信息，并且其还会随着神经 元细胞所处环境的变化而随之变化，因此具有非常重要的生理意义(见参考文献1)作为进 一步研究簇状放电生理意义的基础，簇状放电的定义，统计和分析显得尤为重要。但是对于 这种放电信号的分析存在一些难题。(1)由于电生理实验记录生物神经元放电信号所需时程通常较长，因此会产生十 分庞大的数据量，并且由于外界环境，生物实验系统内部，生物机体本身都会引入干扰信 号，这使得记录到的信号掺杂着大量噪声，人工从如此海量的试验数据中进行簇状放电的 提取非常困难。(2)由于在定义簇状放电信号时，关键参数簇状放电内部分峰峰间隔(ISI)大小 的确切数值说法各有不同存在争议，因此在进行簇状放电信号提取时很难达成定义上的一 致共识。(3)在细胞外引导提取放电信号的时候，由于放电神经元与玻璃微电极距离的不 同，会产生放电幅值不同的波形，这里我们暂且把幅值比较大的放电称为主波，幅值比较小 的放电称为次波。在采集到的原始信号中，这些主波和次波常常相互掺杂彼此覆盖，因此在 信号提取时很难针对主次波各自特点分别进行提取、分离和分析。目前主流生理电信号采集试验设备可以快速，准确的采集并显示生理放电信号， 他们抗干扰能力很强，信号采集种类很多(如肌电，脑电，心电等)。但是这都只是对信号进 行采集工作，并没有针对各种放电信号的特点进行数据分析工作，因此他们都无法进行簇 状放电信号的提取并且解决簇状放电信号提取过程中所存在的问题。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提供了一种基于USB的簇状放电提取分析系 统，该系统能够准确提取簇状放电信号，有效滤除噪声干扰，提供簇状放电信号所包含的主 波放电时刻，主波ISI，主波中簇状放电的个数以及每组簇状放电中包含的放电个数，次波 放电时刻，次波ISI，次波中簇状放电的个数以及每组簇状放电中包含的放电个数，工程量 和维护量较小，监测自动化程度高。本实用新型所采用的技术方案是该系统包括簇状放电提取装置和上位机，簇状 放电提取装置包括在绝缘外壳中银质信号传导触头、簇状放电信号放大单元、噪声滤除单 元，数据处理单元相互连接，银质信号传导触头前端外接玻璃微电极，后端与簇状放电信号放大单元输入端连接，簇状放电信号放大单元输出端与噪声滤除单元输入端连接，噪声滤 除单元输出端与数据处理单元连接；簇状放电提取装置通过USB接口技术与上位机建立通 信连接；基于USB的簇状放电提取分析系统，其特征在于所述簇状放电信号放大单元包括 仪表运算放大电路。相对于现有技术，本系统具有以下优点1)全面反应簇状放电信号的内部信息。2)有效提取rnTmv级生理电信号，并且同时滤除外界噪声干扰。3)动态设置不同簇状放电中所包含的ISI参数，这样可以全面提取簇状放电，不 产生任何遗漏。4)自动分辨主波信号和次波信号，分别提取他们各自所包含的簇状放电。5)实现了簇状放电信号监测的自动化、智能化和信息化。
图1神经元细胞放电信号图。图2簇状放电信号放大单元内部结构图。图3银质信号传导触头结构图。图4数据处理单元固件设计流程图。图5USB全双工读写时序图。图6是系统结构图。图7Ln(ISI)直方图。图8不同ISI设置方法下簇状放电信号的提取效果对比图。图9主波簇状放电信号和次波簇状放电信号的提取图。图10主波簇状放电信号和次波簇状放电信号的数据分析结果图。
具体实施方式
大量的实验数据表明，虽然每次噪声类型可能有所不同，但是绝大多数簇状放电 信号放电幅值一般都要大于其中包含的噪声信号如图1所示，当然也不排除存在个别大 幅值噪声的可能，针对这种噪声系统将在上位机对其进行分析处理。簇状放电信号一般为 uv^mv级生理电信号，然而数据处理单元处理能力仅仅限制于伏安级信号，因此簇状放电信 号放大单元采用精度高，放大倍数大(可调增益广1000)，共模抑制比较大(大于IOOdb) 的仪表运算放大电路如图2所示。电路输入端由玻璃微电极接入，玻璃微电极尖端阻抗为 5 12ΜΩ，填充物为5%醋酸钠溶液如图3所示，输出端接入噪声滤除单元，滤波以后进入 数据处理单元进行分析处理。数据处理到单元包含USB2. 0传输模块，支持12MB/S的全速 传输，本系统USB实现2个批量传输，端的1用于批量传输IN，端点2用于批量传输OUT，端 点0用于单缓冲模式下控制传输。传入内容主要为下传控制命令和上传的采样数据。控 制命令主要是开始采样和停止采样两个部分，其中开始采样中带有三个参数通道，采样范 围，采样率如图4所示，系统默认采样率为5KHZ。USB采用全双工模式进行命令和数据交换 如图5所示。簇状放电提取装置绝缘外壳中银质信号传导触头、簇状放电信号放大单元、噪声滤除单元，数据处理单元相互连接，银质信号传导触头前端外接玻璃微电极，后端与簇状放 电信号放大单元输入端连接，簇状放电信号放大单元输出端与噪声滤除单元输入端连接， 噪声滤除单元输出端与数据处理单元连接，簇状放电提取装置通过USB接口技术与上位机 建立通信连接如图6所示。簇状放电信号定义为即放电频率较高单个放电信号峰峰间隔较短的一串放电，但 是目前对于不同类型的簇状放电并没有一个确定的峰峰间隔(ISI)。长期以来大多数研究 者采用，取整段信号中所有ISI平均值的方法来确定不同类型簇状放电各自具有的ISI。但 是这种方法的缺点是经常会漏检一部分簇状放电信号。本系统为了避免这类情况的发生， 采用最新的神经生物学方法，采用绘制Ln(ISI)直方图的方法，来确定不同种类簇状放电 信号的具体ISI数值如下图6所示。可以 看出图7中有两个明显峰值存在，其中第一个峰坐标为(0.01,2000)0.01即代表 簇状放电内部的ISI数值。根据Ln(ISI)直方图的方法相比ISI平均值的方法可以明显提 高簇状放电的检测准确率。对于同一簇状放电信号使用Ln(ISI)直方图方法可以检测出来 然而使用ISI平均值的方法就会产生遗漏如图8所示。本系统采用玻璃微电极进行簇状放电信号的采集，由于神经细胞成网络状存在， 玻璃微电极插入位置不可能与其相邻的每个放电神经细胞的距离都完全相同，那么这就必 然会导致由玻璃微电极所采集到的放电信号，幅值大小存在一定差异。当放电细胞与玻璃 微电极距离比较近的时候，放电信号幅值相对较大，相反当放电细胞与玻璃微电极的距离 较远的时候，记录到的放电幅值相对较小。并且不同放电细胞的放电时间不存在先后顺序 性，采集到的放电信号很有可能是主波此波相互掺杂彼此覆盖的。系统针对玻璃微电极采 集特点设计数据处理单元内部自动识别循环，将两种波形分别处理如图9所示。系统数据分析单元提供簇状放电信号所包含的主波放电时刻，主波ISI，主波中簇 状放电的个数以及每组簇状放电中包含的放电个数，次波放电时刻，次波ISI，次波中簇状 放电的个数以及每组簇状放电中包含的放电个数6个方面的信息，为进一步的数据工作分 析提供可靠准确全面的支持。主波次波放电时刻的检测便于确定在采集到的信号中细胞放 电的起始点与终止点，以及放电频率等数据。主波，次波中ISI的检测便于核对簇状放电信 号是否提取完整，是否满足Ln (ISI)直方图所确定的ISI要求。主波，次波中簇状放电的个 数以及每组簇状放电中包含的放电个数的检测可以从整体上观察簇状放电信号的分布特 性，数据分析结果如图10所示。按照本专利提出的一种基于USB的簇状放电提取分析系统，可以实现通过簇状放 电提取装置提取信号，并且使用数据处理单元自动分析簇状放电信号得出其全面的数据分 析结果。实施例某生理电信号采集实验室长期进行簇状放电信号的采集工作，该实验环境不断变 化，经常发生簇状放电信号漏检错检事件，可以使用一套基于USB的簇状放电提取分析系 统进行数据采集分析工作。使用3 4月龄的雄性Wistar大鼠体重250 300g进行广动 力范围神经元簇状放电信号提取分析，实验在需要记录观察簇状放电数据实验室安装上位 机，实时监测数据采集工作进展情况。该系统主要功能性能指标如下簇状放电信号放大单元可调增益广1000，共模抑制比> lOOdb。[0035]玻璃微电极尖端阻抗为5 12M Ω。噪声滤除单元输出信号信噪比彡80db。簇状放电信号提取准确性> 98 %。系统信号采样率5 20KHZ。在当前乃至今后相当长的一段时间，簇状放电信号提取的准确性都是衡量簇状放 电提取分析系统的最主要因素，USB接口进行数据传输也是其必然发展趋势。使用USB接 口进行数据传输极大的提高了系统数据的传输速度。本系统的应用对簇状放电信号完整提 取，全面分析发挥了巨大作用。参考文献1、刘向明等，龙血竭抑制大鼠脊髓背角广动力范围神经元诱发放电的药效物质。
权利要求一种基于USB的簇状放电提取分析系统，其特征在于该系统包括簇状放电提取装置和上位机，簇状放电提取装置包括在绝缘外壳中银质信号传导触头、簇状放电信号放大单元、噪声滤除单元，数据处理单元相互连接，银质信号传导触头前端外接玻璃微电极，后端与簇状放电信号放大单元输入端连接，簇状放电信号放大单元输出端与噪声滤除单元输入端连接，噪声滤除单元输出端与数据处理单元连接；簇状放电提取装置通过USB接口技术与上位机建立通信连接。
2.如权利要求1所述基于USB的簇状放电提取分析系统，其特征在于所述簇状放电 信号放大单元包括仪表运算放大电路。
专利摘要本实用新型涉及使用细胞外记录技术针对簇状放电信号进行提取分析工作，提供了一种基于USB的簇状放电提取分析系统。该系统包括簇状放电提取装置和上位机，簇状放电提取装置包括在绝缘外壳中银质信号传导触头、簇状放电信号放大单元、噪声滤除单元，数据处理单元以及通信单元相互连接，银质信号传导触头前端外接玻璃微电极，后端与簇状放电信号放大单元输入端连接，簇状放电信号放大单元输出端与噪声滤除单元输入端连接，噪声滤除单元输出端与数据处理单元连接；簇状放电提取装置通过USB接口技术与上位机建立通信连接，该提取分析系统工程量和维护量小，自动化程度高。
文档编号A61B5/04GK201701205SQ20092022903
公开日2011年1月12日 申请日期2009年10月26日 优先权日2009年10月26日
发明者刘向明, 白云, 马楠 申请人:马楠;刘向明;白云