一种高精度低功耗多通道脑深部神经电信号无线采集系统的制作方法
【专利摘要】一种高精度低功耗多通道脑深部神经电信号无线采集系统，包括8通道脑深部神经核团电信号的采集电极，模拟多路开关选择任意一个采集电极，对脑深部神经核团放电信号进行采集，采集的模拟信号直接输入到AD采集模块中进行预处理和A/D转换，转换后的数据通过MCU存储在数据存储模块中，当采集一定时间数据后，存储的数据通过发送和接收两个RF射频无线传输模块传输到另外一个MCU中，然后通过USB接口把数据传输到上位机中进行显示和进一步处理；本发明针对脑深部神经核团电信号的采集，为探索DBS的治疗机制和作用原理，以及诸如帕金森病、特发性震颤等一系列神经类疾病的发病机制提供有效的神经核团信号采集工具。
【专利说明】一种高精度低功耗多通道脑深部神经电信号无线采集系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物医学工程【技术领域】，特别涉及一种高精度低功耗多通道脑深部神经电信号无线采集系统。
【背景技术】
[0002]脑深部刺激术(Deep Brain Stimulation, DBS)是一种有效的神经调控技术，主要通过在脑深部特定区域植入微脑电极，通过埋置在体内的脉冲发生器产生具有一定参数的刺激序列，改变局部神经元放电特性来缓解和治疗疾病。DBS以一种可控方式直接改变脑局部的活动，能长期有效的控制症状，且不造成永久性的破坏，是可逆的治疗方法，也是唯一允许暗箱研究的神经外科方法。目前，DBS主要用于治疗帕金森病(Parkinson’sDisease, F1D)、慢性疼痛、特发性震颤(Essential Tremor, ET)和肌张力障碍(Dystonia)等引起的运动失调和抑郁症等情感性精神障碍疾病。据统计，这些疾病正在危害着全球5.6亿人口的健康、生活质量乃至生命。
[0003]虽然DBS在临床应用越来越广泛，但其基本原理和作用机制仍然不清楚。DBS通常影响电极周围2-3mm范围的脑组织，电刺激可使周围神经元及纤维去极化而激活，也可阻断去极化过程而失活，这种细胞水平的作用机制复杂，可能引起同一靶点的刺激出现不同的临床效果。实验证明，电刺激的效果也取决于多种因素，包括基础电活动频率、与刺激电极的距离及刺激参数，神经元的形态以及神经元胞体与纤维对刺激的反应。
[0004]因此，如果能够采集到DBS前、中、后相关神经核团的神经放电信号，对比放电的异同，那么对于探索DBS的 治疗机制和作用原理，拓展DBS的应用范围具有重大的实验和临床作用。此外，这对于探索诸如帕金森病、特发性震颤等一系列神经类疾病的发病机制具有重要的指导意义。
[0005]在CN102512109、CN103519807、CN201220428883 及 CN201210308665 中所公开的脑
电采集装置虽然可以采集脑电这类微弱的信号，但是相对于脑内神经核团电信号而言，其放电的特点与脑电这类信号具有非常大的区别。脑内神经核团放电信号不仅幅值微弱，而且放电频率快，如果想要采集到这样的信号，采样频率必须在2000Hz以上，而脑电采集频率一般为几百赫兹，这是与脑电信号采集的最大区别。因此，这些公开的脑电采集装置不适用于脑深部神经核团放电信号的采集。另外，这些产品的功耗与体积都是非常大的，不便于携带和移动，并且以上产品基本都是基于12或24位的AD转换芯片进行采集，由于芯片本身的精度原因，AD转换芯片的后几位是不可信的，达不到理想的精度要求。因此，迫切需要一种转换高精度、低功耗、体积小、便携式的脑深部神经核团采集系统。
【发明内容】
[0006]为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的是针对脑深部神经核团电信号的采集，提供一种高精度低功耗无线传输脑深部场电位信号采集器，为探索DBS的治疗机制和作用原理，以及诸如帕金森病、特发性震颤等一系列神经类疾病的发病机制提供有效的神经核团信号采集工具。
[0007]为了达到上述目的，本发明的技术方案为:
[0008]一种高精度低功耗多通道脑深部神经电信号无线采集系统，包括8通道脑深部神经核团电信号的采集电极、多路开关、AD采集模块、数据存储模块、RF射频无线传输模块、液晶模块、按键控制模块、两个微处理器MCU、USB接口电路以及上位机，模拟多路开关选择任意一个采集电极，对脑深部神经核团放电信号进行采集，采集的模拟信号直接输入到AD采集模块中进行预处理和A/D转换，转换后的数据通过MCU存储在数据存储模块中，当采集一定时间数据后，存储的数据通过发送和接收两个RF射频无线传输模块传输到另外一个MCU中，然后通过USB接口把数据传输到上位机中进行显示和进一步处理。
[0009]所述的多路开关采用TI公司的8通道模拟开关芯片⑶4051，通道切换速度小于
0.2ms，可以方便快速地选择任一采集通道进行数据采集。
[0010]所述的微处理器MCU采用TI公司的MSP430F1611单片机，其不仅具有丰富的外围芯片以供方便使用，体积小，较大的IOKB的RAM内部存储空间，而且更重要的是其低功耗性可以大大延长系统运行的时间。
[0011]所述的数据存储模块采用SD卡，SD卡具有成本低、体积小、存储量大等特点，系统长时间采集的数据可以临时存储在SD卡中，当达到一定数据量时系统可以存储在SD卡中的数据打包发送给上位机，以提供MCU的工作效率。
[0012]所述的按键控制模块，其主要功能是控制系统的启动和关闭，选择相应的采集通道，开始数据采集。
[0013]所述的液晶模块，采用IXD12864液晶显示屏，显示采集时的所选择的通道ID，采样频率，采样状态，采样时间，数据传输状态等参数，便于用户对实验过程中的采集状态进行监测和查看。
[0014]所述的AD采集模块采用TI公司的ADS1282，其内置有生物电信号预处理电路，该芯片为32位的高精度AD转换芯片，是TI公司专门为测量脑电、心电等微弱的生理信号而开发的，具有极高的转换精度，最低有效位可达到uV级别以下，更为重要的是ADS1282芯片内部设有放大滤波电路与可编程放大器，这样就不用在电路中设计独立的信号放大滤波电路，可以大大简化电路的设计。另外，由于脑深部神经核团放电信号非常微弱，放电频率快，背景噪声强，为了保证能够采集到完整的脑内神经核团的场电位或者细胞放电的峰电位，ADS1282采样频率设置为2000Hz。考虑到MCU的RAM为10KB，当采样频率为2000Hz时，系统每次可以连续采样500ms，即4KB的数据，当把这些数据存储在在SD中后，又可以继续进行采集数据。
[0015]所述的RF射频传输模块采用TI公司的CC2500芯片，它是一款超低功耗、低成本的无线收发模块，工作在2.4GHZ全球开放的ISM(工业、科学、医学)频段，满足多信道通信和跳频通信需要，最高传输速率达到500Kb/s，工作电压电平与MSP430兼容，外围芯片极少，是一款低成本、低功耗、体积小以及方便使用的射频芯片。系统存储在SD卡中的数据，MCU通过CC2500以无线方式传输到上位机中进行显示和进一步处理。
[0016]所述的USB接口电路采用TI公司的TUSB3410，其符合通用串行总线USB2.0规范，支持12Mb/s的数据速率，是一款高性能的USB接口器件。
[0017]所述的微处理器MCU对各个电路模块进行协调控制，MCU所采用的芯片MSP430F1611单片机以及RF射频传输模块所采用的CC2500两个系统核心部件均为TI公司的低功耗芯片，保证了系统整体的低功耗性。另外，所使用的芯片集成度都很高，大大减小了系统的体积，因此，本发明所研制的系统具有体积小、便于携带、成本低以及低功耗等一系列特点。
[0018]本发明一方面采用高精度的32位AD转换芯片，采样频率为2000Hz，保证了能够有效地采集到神经核团放电信号，另一方面采用CC2500无线射频通讯模块，所采集的数据可以通过无线传输方式传输到上位机，便于设备的移动。该系统所采用核心芯片都为TI公司的低功耗芯片，集成度高,成本低,保证系统整体低功耗的情况下，降低了研发成本并大大缩小了系统的体积。本发明为探索DBS的治疗机制和作用原理，以及诸如帕金森病、特发性震颤等一系列神经类疾病的发病机制提供有效的神经核团信号采集工具，具有重要的实验研究价值。
[0019]本发明的优点是:
[0020]1、本发明所设计的神经核团放电信号采集系统具有精度高、低功耗、无线数据传输、多通道、体积小、便于携带与移动且操作简单等一系列特点。
[0021]2、本发明所述的高精度AD采集模块采用TI公司的ADS1282，该芯片为32位的高精度AD转换芯片，具有极高的转换精度，最低有效位可达到uV级别以下，更为重要的是ADS1282芯片内部设有放大滤波电路与可编程放大器，这样就不用在电路中设计独立的信号放大滤波电路，可以大大简化电路的设计。
[0022]3、本发明具有8个脑内神经核团信号采集通道，通过模拟多路开关⑶4051，可以方便自由地选择任一通道进行数据采集。
[0023]4、本发明的数据传输采用RF射频无线传输方式，无线传输方式可以消除有线传输时设备不便于移动的局限，便于设备的操作与控制；而RF射频无线传输模块采用TI公司的CC2500芯片，工作电压电平与MSP430兼容，外围芯片极少，是一款低成本、低功耗、体积小以及方便使用的射频芯片。
[0024]5、鉴于脑内神经核团放电信号的特点，本系统的采集频率设定为2000Hz，采用高速数据采集，可以保证采集到微弱的脑内神经场电位。系统每次可以连续采样500ms，即4KB的数据，当把这些数据存储在在SD中后，系统继续进行数据的连续采集，这样可以提高系统CPU的工作效率，保证足够长连续采样时间。
[0025]6、本发明所述的液晶显示模块采用IXD12864液晶显示屏，可以显示采集时的所选择的通道ID，采样频率，采样状态，采样时间，数据传输状态等参数，便于用户对实验过程中的采集状态进行监测和查看。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明电路结构示意图。
[0027]图2为本发明的软件流程图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明做详细叙述。
[0029]如图1所示，一种高精度低功耗多通道脑深部神经电信号无线采集系统，包括8通道脑深部神经核团电信号的采集电极、多路开关、AD采集模块(内置生物电信号预处理信号)、数据存储模块、RF射频无线传输模块、液晶模块、按键控制模块、两个微处理器MCU、USB接口电路以及上位机，模拟多路开关选择任意一个采集电极，对脑深部神经核团放电信号进行采集，采集的模拟信号直接输入到AD采集模块中进行预处理和A/D转换，转换后的数据通过MCU存储在数据存储模块中，当采集一定时间数据后，存储的数据通过发送和接收两个RF射频无线传输模块传输到另外一个MCU中，然后通过USB接口把数据传输到上位机中进行显示和进一步处理。
[0030]所述的模拟多路开关采用TI公司的8通道模拟开关芯片⑶4051，工作电压采用
3.3V,通道切换速度小于0.2ms,可以快速进行通道的切换。
[0031]所述的MCU采用TI公司的MSP430F1611单片机，其不仅具有丰富的外围芯片以供方便使用，体积小，较大的IOKB的RAM内部存储空间，而且更重要的是其低功耗性可以大大延长系统运行的时间。供电电压为3.3V，采用SPI通信方式与无线射频模块和SD卡进行通?目。
[0032]所述的数据存储模块采用SD卡，SD卡具有成本低、体积小、存储量大等特点，系统长时间采集的数据可以临时存储在SD卡中，当达到一定数据量时系统可以存储在SD卡中的数据打包发送给上位机，以提供MCU的工作效率。系统采用的SD卡参数为:
[0033]SD 卡型号 :KingSton Micro SD ；
[0034]内存:16G;
[0035]与单片机通讯模式:SPI同步串行通信模式；
[0036]采用的文件系统:FAT32 ；
[0037]工作电压:3.3V;
[0038]工作时钟:与单片机的时钟一致；
[0039]数据传输速率:可达IMB/s ;
[0040]所述的按键控制模块，其主要功能是控制系统的启动和关闭，选择相应的采集通道，开始数据采集。
[0041]所述的液晶显示模块,采用IXD12864液晶显示屏，显示采集时的所选择的通道ID,采样频率，采样状态，采样时间，数据传输状态等参数。
[0042]所述的高精度AD采集模块采用TI公司的ADS1282。该芯片为32位的高精度AD转换芯片，是TI公司专门为测量脑电、心电等微弱的生理信号而开发的，具有极高的转换精度，最低有效位可达到UV级别以下，更为重要的是ADS1282芯片内部设有放大滤波电路与可编程放大器，这样就不用在电路中设计独立的信号放大滤波电路，可以大大简化电路的设计。工作参数设置为:
[0043]工作电压:3.3V;
[0044]采样频率:200OHz；
[0045]采样精度:32位；
[0046]信噪比:IOOdb以上；
[0047]内部设置增益:1000倍；
[0048]内部设置通带频段:IOOHz-1OkHz。
[0049]所述的RF射频无线传输模块采用TI公司的CC2500芯片，它是一款超低功耗、低成本的无线收发模块，工作在2.4GHZ全球开放的ISM(工业、科学、医学)频段，满足多信道通信和跳频通信需要。最高传输速率达到500Kb/s，工作电压电平与MSP430兼容，外围芯片极少，是一款低成本、低功耗、体积小以及方便使用的射频芯片。系统存储在SD卡中的数据，MCU通过CC2500以无线方式传输到上位机中进行显示和进一步处理。具体工作参数为:
[0050]工作电压:3.3V;
[0051]工作频段:2.4GHz;
[0052]传输速率:400Kb/s ；
[0053]发送端的CC2500设置为发送模式；接受端CC2500设置为接受模式；
[0054]所述的USB接口电路采用TI公司的TUSB3410，其符合通用串行总线USB2.0规范，支持12Mb/s的数据速率，是一款高性能的USB接口器件。
[0055]所述的各个电路模块进行协调控制的微处理器MSP430F1611单片机以及射频收发模块CC2500两个系统核心部件都为TI公司的低功耗芯片，这保证了系统整体的低功耗性。另外，所使用的芯片集成度都很高，大大减小了系统的体积，因此，本发明所研制的系统具有体积小、便于携带、成本低以及低功耗等一系列特点。
[0056]本发明的工作原理是:通过多路开关选择任一采集电极，把采集的脑深部神经核团放电信号输入到高精度的AD采集模块的转换芯片中，在转换芯片中进行信号的滤波放大预处理，然后进行高精度模数转换，每采集500ms的数据后，数据存储在SD卡中，如果SD卡存储满，那么就通过CC2500无线射频芯片进行数据的无线传输，并通过接收端MCU传输到上位机中进行显示和进一步处理。
[0057]如图2所示，为本发明的软件流程图，以此进一步说明本发明的数据流程和操作流程。系统启动后，首先发送端和接受端MCU进行初始化，然后是相关外围芯片的初始化和配置，主要包括模拟多路开关⑶4051和液晶显示屏IXD12864的初始化，高精度AD采集模块ADS1282的初始化和相关参数配置，发送端无线射频传输模块CC2500初始化并设置其模式为发送模式，接收端发送端无线射频传输模块CC2500初始化并设置其模式为接受模式，以及USB接口芯片TUSB3410的初始化。此时，通过系统上的按键选择，可以选择8个采集通道中的任一个通道进行数据采集，当按下“开始采集”键后，系统会进行通道的掉电检测，如果检测到所选择的通道掉电，那么就会在液晶显示屏上显示出掉电的通道号，直到采集通道信号良好。
[0058]如果采样通道导通，那么系统就会进行自动的信号采集。此时，液晶显示屏IXD12864上会显示当前选择的通道ID、采集状态、采样频率等信息。系统每采样500ms，即4Kb的数据，就会把这些数据压缩存储在SD卡中，此时如果检测到SD卡还有足够的空间存储下一个4KB的数据，那么系统会再次进行连续500ms的数据采集。当SD存储达到一定的量后，系统就会把SD卡中的数据用无线射频方式通过接收端MCU传送到上位机中。此时，系统会检测CC2500通讯是否良好，如果出现错误，此时液晶显示屏上会显示相应的提示错误。如果无线通讯良好，那么发送端MCU通过发送端CC2500和接受端CC2500传送到接受端MCU，此时接受端MCU通过USB接口电路把数据传输到上位机中保存和显示。此时，如果不手动停止系统的运行，那么系统会继续进行数据的采集。
【权利要求】
1.一种高精度低功耗多通道脑深部神经电信号无线采集系统，其特征在于，包括8通道脑深部神经核团电信号的采集电极、多路开关、AD采集模块、数据存储模块、RF射频无线传输模块、液晶模块、按键控制模块、两个微处理器MCU、USB接口电路以及上位机，模拟多路开关选择任意一个采集电极，对脑深部神经核团放电信号进行采集，采集的模拟信号直接输入到AD采集模块中进行预处理和A/D转换，转换后的数据通过MCU存储在数据存储模块中，当采集一定时间数据后，存储的数据通过发送和接收两个RF射频无线传输模块传输到另外一个MCU中，然后通过USB接口把数据传输到上位机中进行显示和进一步处理。
2.根据权利要求1所述的一种高精度低功耗多通道脑深部神经电信号无线采集系统，其特征在于，所述的多路开关采用TI公司的8通道模拟开关芯片⑶4051，通道切换速度小于0.2ms，选择任一采集通道进行数据采集。
3.根据权利要求1所述的一种高精度低功耗多通道脑深部神经电信号无线采集系统，其特征在于，所述的微处理器MCU采用TI公司的MSP430F1611单片机。
4.根据权利要求1所述的一种高精度低功耗多通道脑深部神经电信号无线采集系统，其特征在于，所述的数据存储模块采用SD卡。
5.根据权利要求1所述的一种高精度低功耗多通道脑深部神经电信号无线采集系统，其特征在于，所述的按键控制模块，其主要功能是控制系统的启动和关闭，选择相应的采集通道，开始数据采集。
6.根据权利要求1所述的一种高精度低功耗多通道脑深部神经电信号无线采集系统，其特征在于，所述的液晶模块，采用LCD12864液晶显示屏，显示采集时的所选择的通道ID，采样频率，采样状 态，采样时间，数据传输状态等参数。
7.根据权利要求1所述的一种高精度低功耗多通道脑深部神经电信号无线采集系统，其特征在于，所述的AD采集模块采用TI公司的ADS1282，其内置有生物电信号预处理电路，该芯片为32位的高精度AD转换芯片，ADS1282采样频率设置为2000Hz，系统每次可以连续采样500ms，即4KB的数据，当把这些数据存储在在SD中后，又可以继续进行采集数据。
8.根据权利要求1所述的一种高精度低功耗多通道脑深部神经电信号无线采集系统，其特征在于，所述的RF射频传输模块采用TI公司的CC2500芯片，系统存储在SD卡中的数据，MCU通过CC2500以无线方式传输到上位机中进行显示和进一步处理。
9.根据权利要求1所述的一种高精度低功耗多通道脑深部神经电信号无线采集系统，其特征在于，所述的USB接口电路采用TI公司的TUSB3410，其符合通用串行总线USB2.0规范，支持12Mb/s的数据速率，是一款高性能的USB接口器件。
【文档编号】A61B5/0476GK104013400SQ201410240059
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】王珏, 赵宗亚, 张明明, 程帅旗, 郭宇 申请人:西安交通大学