用于控制自适应噪声消除的学习周期的系统和方法与流程

相关申请

本发明要求于2014年11月13日提交的美国专利申请14/540,299的权益，其全部内容通过引用并入本文。

本主题涉及自适应噪声消除，更具体地，涉及电生理学数据采集系统中的自适应噪声消除。

背景技术：

电生理学数据采集系统用于生物实验，以监控和记录来自被测对象(例如，细胞)的电信号。在这种实验中，研究员可使用其中布置有所述对象的实验装备。研究员还可以例如使用膜片钳技术将电极或测试探针固定到所述对象上，并随后分析由电极检测到的电信号。来自所述对象的电信号可以是由高阻抗信号源生成的低电平信号。因此，这种信号可能会特别容易受到来自连接到主电源的器材的辐射放射和传导放射的电磁干扰(emi)的影响。这种emi可能会使感兴趣的信号失真，并且呈现为被添加到这种信号的“噪声”或“杂声”波形。此外，这种噪声可以根据由主电源生成的电流的频率而具有周期性。这种频率通常为50hz或60hz及它们的低次谐波。

研究员可使用电力线路调节器、法拉第笼、“接地回路”回避等来将实验装备与环境噪声源隔离。然而，即使给予了高度注意，但在从电极传输到数据采集系统的电信号中仍然会引入emi。此外，如果这种电信号在研究员感兴趣的对象的生命周期中的某个时刻受到emi的影响，则研究员用于准备和隔离对象的努力可能会是徒劳的。这种emi会导致实验设备的故障排除所损失的时间，或者，更糟糕地，导致错过活细胞必须被测量的时间窗、以及不可挽回的细胞的损失。

通常，使用模数转换器将由电极提供的模拟电信号转换为数字样本流。自适应噪声消除技术可以用于估算数字样本流中的噪声分量，将所估算出的噪声分量从数字样本流中减掉，并且为研究员提供最终生成的样本流。

在一些实验中，可以使用无源记录模式，系统以这种无源记录模式无源地记录数据。在一些情况中，系统等待(例如，来自用户的)触发以启动记录，并随后无源地记录数据。其它实验使用在其中给对象提供刺激的阵发性刺激模式(episodicstimulationmode)。这种刺激可包括：将对象暴露于来自一个或多个微量吸液管的化学品或药物、传递电压、将对象暴露于可见或不可见的光源、生成声音等。由此产生的信号中所体现的对象的响应同时被显示和/或记录。这种响应通常以固定长度的扫描来显示。每次扫描是不重叠的，并且内部定时器、手动脉冲或外部脉冲可以触发这种扫描的开始。

监控对象的电极可以记录被提供给对象的刺激和/或用于触发这种刺激的控制信号。自适应噪声消除单元可能会将这种刺激信号错误地解释为来自电极的信号中的噪声，并试图在后续信号中消除这种错误的噪声，从而破坏由此生成的噪声校正样本。错误的噪声对噪声校正样本的影响可能会持续很长时间。

技术实现要素：

根据一个方面，一种数据采集系统耦接到主电源,并且包括测试探针、模数转换器、噪声副本生成器、噪声去除模块、和门控模块。测试探针配置为耦接到对象，模数转换器将来自测试探针的信号转换为样本。噪声副本生成器生成样本中的噪声的估算，噪声去除模块从每个样本中去除其中的噪声的估算。门控模块确定对象何时受到刺激。当对象受到刺激时，门控模块仅向噪声去除模块提供样本。当对象未受到刺激时，门控模块向噪声副本生成器和噪声去除模块提供样本。

根据另一个方面，一种操作耦接到主电源的数据采集系统的方法包括步骤：从耦接到对象的测试探针接收模拟信号。该方法还包括步骤：将模拟信号转换为样本；操作噪声副本生成器，噪声副本生成器生成样本中的噪声的估算；操作噪声去除模块，噪声去除模块从每个样本中去除其中的噪声的估算；确定对象何时受到刺激。当对象受到刺激时，仅向噪声去除模块提供样本，当对象未受到刺激时，向噪声副本生成器和噪声去除模块提供样本。

附图说明

图1是根据本公开的数据采集系统的框图；

图2是图1的数据采集系统的另一实施例的框图；

图3是图1的数据采集系统的数据采集单元的框图；

图4是用以示出图3的数据采集单元的门控模块的操作的状态机的示图；

图5是在图4的状态机的处理过零状态期间进行的处理的流程图；以及

图6是在图4的状态机的处理adc样本状态期间进行的处理的流程图。

具体实施方式

参照图1，在一个实施例中，电生理学数据采集系统100包括测试探针102、数据采集单元(dau)104、和控制器106。在一些实施例中，系统100耦接到(例如，由用户操作的计算机提供的)用户界面108。dau104和系统100的其它组件可以耦接到主电源110。

参照图2，在一些实施例中，系统100还可包括信号调节单元112和/或测试控制单元114。信号调节单元112可包括例如无源放大器或有源放大器，以放大来自测试探针的模拟信号，并将放大后的信号提供给dau104。在一些实施例中，用户可以通过例如操作布置在其中布置有系统100的一个或多个组件的壳体(未示出)上的旋钮或拨盘、一个或多个开关、或者滑动控件来控制放大器的增益。替代性地，控制器106可以例如响应于从用户界面108接收到的命令来电子地控制这种放大器。在一些实施例中，可以将测试探针102和信号调节单元112集成到与系统100的其它组件电耦接的单独的单元中。

测试探针102电耦接到被监控的对象，对来自该对象的电压进行传感并生成模拟信号。dau104接收来自测试探针102的模拟信号，对模拟信号采样以生成模拟信号的数字样本，处理该数字样本以从数字样本中去除噪声分量，并且生成噪声校正输出样本。控制器106可将这种噪声校正输出样本显示在用户界面108上，将这种噪声校正输出样本存储在与系统100相关联的存储介质(未示出)上，或者将这种噪声校正输出样本传输到另一个装置或系统(未示出)。用户界面108可以直接耦接到系统100，或者使用专用网络或公共网络耦接到系统100。类似地，存储介质可以直接耦接到系统100，或者使用专用网络或公共网络进行耦接。

用户操作用户界面108以向控制器106提供指令，这些指令用以配置dau104和/或测试探针102，用以启动对由测试探针产生的信号的采样，并且用于存储和/或显示噪声校正样本。控制器对这些指令进行解释，并且相应地协调dau104和/或测试探针102的操作。

如果如上所述的那样使用系统100来刺激对象并记录对象对于该刺激的响应，则用户可指定在什么时候提供刺激、刺激的类型、刺激的持续时间、多久提供一次刺激等。用户可以使用用户界面108来提供这种实验方案信息，或者可以将包括这种信息的文件加载到系统100中。这种文件例如可以是将刺激的施加描述为时间的函数的文本文件、excel文件、xml文件等。在一个实施例中，该文件可以符合由加利福尼亚州森尼维尔市的分子器件有限责任企业(moleculardevicesllc)指定的轴突二进制格式。控制器106接收实验方案信息，并且将该实验方案信息存储到实验方案数据库116中。

在一些实施例中，系统100可协调测试控制单元114的操作以刺激如实验方案数据库116中所指定的那样受监控的对象。在一些实施例中，用户界面108可直接控制测试控制单元114。在其它实施例中，系统100可以从用户界面108接收关于待被提供的刺激的指令，并且系统100会相应地驱动测试控制单元114。在一些实施例中，如果用户界面108直接控制测试控制单元114向对象提供刺激，则用户界面108通知控制器106关于这种刺激的特性，并且控制器106将这种特性记录在实验方案数据库116中。

参照图3，dau104的实施例包括门控模块200、刺激生成器202、噪声副本生成器204、和噪声去除模块206。门控模块200从模数转换器(adc)208接收来自测试探针102的模拟信号的样本流。门控模块200可将样本流提供给噪声副本生成器204和噪声去除模块206。噪声副本生成器204对样本流中的每个样本中的噪声分量生成估算，并将这种估算提供给噪声去除模块206。噪声去除模块206从来自门控模块200的相应样本中减去来自相应样本的由噪声副本生成器204生成的噪声估算204。生成的结果为dau104的噪声校正输出。

dau104还包括过零检测器(zero-crossingdetector)210，过零检测器210监控由主电源110提供的电压，并且根据该电压的频率生成过零信号。对于本领域内技术人员显而易见的是，去抖动滤波器或去抖动电路可以调节来自主电源110的信号，并且zcd210对这种调节后的信号中的电压进行监控。在一些实施例中，如果dau104是在美国操作的，则zcd210会根据美国使用的60hz电力线频率来生成120次/秒的过零信号。类似地，如果dau104是在欧洲操作的，则zcd204会根据欧洲使用的50hz电力线频率来生成100次/秒的过零信号。在其它实施例中，zcd204可以仅响应于主电源110中的正电压到负电压的转变而生成过零信号，因此，在美国生成60次/秒的过零信号，在欧洲生成50次/秒的过零信号。替代性地，zcd204可以仅响应于主电源110中的负电压到正电压的转变而生成过零信号。也可以使用对于本领域内的技术人员显而易见的生成过零信号的其它方式。如对于本领域内的技术人员显而易见的，由zcd210生成的过零信号划定了主电源的每个周期循环。

在一个实施例中，zcd204包括模数转换器(未示出)，模数转换器对由主电源110提供的电力线进行采样，并对由这中样本表示的波形进行分析以找到过零点。在另一个实施例中，如对于本领域内的技术人员显而易见的，zcd204可使用变压器和比较器来确定过零点，或者可以使用光耦合器和比较器来确定过零点。也可以使用对于本领域内的技术人员显而易见的其它的生成过零信号的方法。

尽管所描述的由zcd204生成的过零信号表示当电力线的电压为零时的时间，但是本领域内的技术人员应当理解的是，当电力线处于任何预定电压时也可以生成过零信号，所述预定电压指示与电力线相关联的周期性波形的循环的开始。过零信号指示这种波形的任何一致的位置。例如，可在正走向上的0.2476伏处、或者负走向上的88.32伏处、或者主电源的每个循环期间达到的或穿过的任何其它值处生成过零信号。由zcd204生成的过零信号可以是可以用于使噪声副本生成器200的各分量的相位与主电源110的相位同步的任何信号。因此，由zcd204生成的过零信号是主电源循环开始信号。

门控模块200和噪声副本生成器204将它们的操作与由zcd210生成的过零信号同步，使得由噪声去除模块206接收的样本与由噪声副本生成器204生成的相对应的噪声估算在时间上对准。以这种方式，在具有以不同频率供电的主电源的不同的国家中无需修改就可以使用系统100。

如果操作dau104以监控受到刺激的对象的响应，则刺激生成器202会向实验方案数据库116询问关于这种刺激的信息。当将要给对象提供刺激时，刺激生成器202会向门控模块200提供门控信号，该门控信号指示对象将会受到刺激。作为响应，门控模块200停止将由adc208生成的样本提供给噪声副本生成器204，使得可能包括刺激信号的样本不会包括在由噪声副本生成器204生成的噪声估算中。

在一些实施例中，刺激生成器202还监控过零检测信号，并在如下的周期循环期间生成门控信号，该周期循环是在其期间将会向对象提供刺激的主电源110的周期循环的前一周期循环。因此，在这些实施例中，由刺激生成器202生成的门控信号向门控模块200警告如下内容：如过零信号所指示的那样，将会在主电源110的下一个周期循环中施加刺激。作为响应，门控模块200在这样的周期循环中不会向噪声副本生成器204提供由adc208生成的任何样本。

在一些实施例中，刺激生成器202生成单独的门控信号，该门控信号指示给对象的刺激的开始和该刺激的停止。在某些情况下，可以在将会停止刺激的主电源110的周期循环期间生成停止信号。

在一些实施例中，如果提供给对象的刺激跨越了主电源110的多个周期循环，则刺激生成器202会在每个这样的周期循环之前生成门控信号。

在一些实施例中，刺激生成器202根据实验方案数据库116确定将要提供给对象的刺激的类型，并且生成模拟信号以控制测试控制单元114或耦接到dau104的其它设备传输这种刺激。在其它实施例中，刺激生成器202生成数字信号，数模转换器(dac)212将该数字信号转换为模拟信号，并且这种模拟信号被提供给测试控制单元114或其它设备。在其它实施例中，刺激生成器202生成被提供至测试控制单元114或其它设备的数字命令流或数字命令信号。

参照图4，在一个实施例中，门控模块200可作为状态机300操作。开始时，门控模块200进入等待状态302，在该等待状态中，门控模块200等待分别由刺激生成器202或zcd210生成的门控信号或过零信号，或者等待由adc208生成的样本。

当处于等待状态302时，如果门控模块200从刺激生成器202接收门控信号，则门控模块200转变至状态304，在该状态304中，门控模块200将门控信号有效标志(assertedflag)的值设置为真，并返回到等待状态302。

当处于等待状态302时，如果门控模块200从zcd210接收过零信号，则门控模块200转变为处理过零状态306，以处理过零信号。此后，门控模块200返回到等待状态302。

当处于等待状态302时，如果门控模块200从adc208接收样本，则门控模块200转变为处理adc样本状态308。此后，门控模块200返回到等待状态302。

参照图5，当处于处理过零状态306时，门控模块200在块304处确定门控信号有效标志是否为真。如果是，则门控模块200在块306处将噪声学习标志设置为假，并且在块308处将门控信号有效标志设置为假。随后，门控模块200返回到等待状态302(图4)。

然而，如果门控模块200在块304处确定门控信号有效标志为假，则门控模块200在块310处将噪声学习标志设置为真。随后，门控模块200返回到等待状态302(图4)。

参照图6，当处于处理adc样本状态308时，门控模块200在块304处确定噪声学习标志是否为真。如果是，则门控模块200前往块306。否则，门控模块200前往块308。在块306处，门控模块200将所接收到的样本提供给噪声副本生成器204，并且前往块308。

在块308处，门控模块200将所接收到的样本提供给噪声去除模块206。在块308之后，门控模块200返回到等待状态302(图4)。

在一个实施例中，每当adc208生成样本时，噪声副本生成器204就生成噪声估算。即使噪声副本生成器204不从门控模块200接收样本，也生成这种噪声估算。在噪声副本生成器204不接收由adc208生成的新样本的周期期间，噪声副本生成器204基于之前接收到的样本生成噪声估算。噪声副本生成器204可以是使用可控制学习周期的任何噪声副本生成器。

如上所述，使用由zcd210生成的过零信号来使刺激生成器202、门控模块200、和噪声副本生成器204的操作同步。这种同步化允许门控模块200确定如下这样的特定时段(即，主电源110的一个或多个周期循环)，在该特定时段期间，噪声副本生成器204不应对模拟输入中的噪声的内部估算进行更新。

对于本领域内的技术人员显而易见的是，硬件和/或软件的任何组合都可以用于实现本文所述的噪声去除处理系统。应当理解和了解的是，可通过一个或多个电子装置或数字控制装置上的硬件、软件、或硬件与软件的组合来执行结合图1至图6所述的处理、子处理、处理步骤中的一个或多个。软件可驻留在合适的电子处理组件或电子处理系统(例如，在图1至图6中示意性地示出的功能系统、控制器、装置、组件、模块、或子模块中的一个或多个)中的软件存储器(未示出)中。软件存储器可包括用于实现逻辑功能(即，可以以数字形式(比如，数字电路或源代码)或者以诸如模拟源(如模拟电信号、声音信号或视频信号)的模拟形式实施的“逻辑”)的可执行指令的有序的列表。这些指令可在如下这样的处理模块或控制器(例如，图3的门控模块200、噪声副本生成器204、噪声去除模块206、adc单元208、过零检测器210、dac212)中执行，所述处理模块或控制器包括例如一个或多个微处理器、通用处理器、多个处理器的组合、数字信号处理器(dsp)、现场可编程门阵列(fpga)、或专用集成电路(asic)。此外，示意图描述了具有不受功能的架构或物理布局的限制的具有物理(硬件和/或软件)实现的功能的逻辑分类。本申请中所描述的示例系统可以以多种配置来实现，并且作为单独的硬件/软件单元中的或者多个分离的硬件/软件单元中的硬件/软件组件而操作。

可执行指令可被实现为其中存储有指令的计算机程序产品，当电子系统的处理模块执行可执行指令时，引导电子系统执行指令。计算机程序产品可选择性地体现于如下这样的任何非暂时性计算机可读存储介质中，所述非暂时性计算机可读存储介质以供指令执行系统、设备、或装置(例如，基于电子计算机的系统、包含处理器的系统、或可选择性地从指令执行系统、设备、或装置获取指令并执行指令的其它系统)使用，或与指令执行系统、设备、或装置结合使用。在本文的上下文中，计算机可读存储介质是可存储如下这样的程序的任何非暂时性装置，所述程序以供指令执行系统、设备或装置使用，或者与指令执行系统、设备、或装置结合使用。非暂时性计算机可读存储介质可以选择性地是例如电子、磁性、光学、电磁、红外、或半导体的系统、设备、或装置。非暂时性计算机可读介质的更多具体示例的非全面的清单包括：具有一个或多个电线的电连接(电子)；便携式计算机软盘(磁性)；随机存取(即易失性)存储器(电子)；只读存储器(电子)；可擦除可编程只读存储器，比如，闪速存储器(电子)等；光盘存储器，比如，cd-rom、cd-r、cd-rw(光学)等；以及数字通用光盘存储器，即dvd(光学)。

还应当理解的是，如本文中所使用的信号的接收和传输指的是两个或更多系统、装置、组件、模块、或子模块能够经由在某种类型的信号路径上行进的信号来彼此通信。信号可以是通信信号、电力信号、数据信号、或能量信号，它们可以沿着第一系统、装置、组件、模块、或子模块与第二系统、装置、组件、模块、或子模块之间的信号路径从第一系统、装置、组件、模块、或子模块向第二系统、装置、组件、模块、或子模块传达信息、电力、或能量。信号路径可包括物理连接、电连接、磁连接、电磁连接、电化学连接、光学连接、有线连接、或无线连接。信号路径还可包括第一系统、装置、组件、模块、或子模块与第二系统、装置、组件、模块、或子模块之间的附加的系统、装置、组件、模块、或子模块。

工业实用性

本文引用的包括出版物、专利申请、和专利的所有参考文献都以如下引用方式并入本文中，所述引用方式与每个参考文献被单独地和特定地指出为以引用方式整体地并入在本文中的引用方式一致。

除非本文另有说明或明显与上下文相矛盾，否则，在描述本发明的上下文中(特别是下面的权利要求书的上下文中)使用的术语“一”、“一个”、“该”和类似的引用应当被解释为既涵盖单数也涵盖复数。除非本文另有说明，否则，本文中所述的数值的范围仅旨在用于单独提及落在这个范围内的每个单独数值的速记方法，并且将每个单独的数值并入到本说明书中，就如同在本文中单独描述该单独的数值一样。除非本文另有说明或明显与上下文相矛盾，否则，本文描述的所有方法都可以以任何适当的顺序执行。除非另有声明，否则，本文中提供的任何和所有示例或者示例性语言(例如，“例如”)的使用仅旨在更好地阐述本公开，并不是为了对本公开的范围进行限制。说明书中的任何语言都不应当被解释为指示任何未声明的元素对于本公开的实践来说是必不可少的。

基于上面的描述，本发明的很多改型对于本领域内的技术人员而言是显而易见的。应当理解，所示出的实施例仅仅是示例性的，不应将它们视为是限制本公开的范围。