[发明专利]一种高通量多通道电生理信号记录与刺激系统

说明书

技术领域

本发明涉及神经科学和生物医学工程技术领域，是一种高通量多通道电生理信号记录和刺激系统。

背景技术

神经科学在当今的科研领域是一个重要的分支，从微观层面、介观层面到宏观层面都有很多的研究团队从事相关的工作。这其中，在介观层对神经元功能的理解和调控方面，神经元电信号的获取和调控是研究必须的手段。

哺乳类动物的很多行为是通过大脑的神经元间的相互作用来实现，对于脑特定功能在神经元层的分析和理解需要在脑功能活动的状态下获取到相关的神经元活动的信息。神经元信号的放电频率一般在300Hz 以上，而与生物脑组织可相容的微电极一般采用镍镉合金等材料，神经元信号具有高阻抗特性。微电极记录到的多通道神经元放电可以用于研究个体在接收某一刺激或者执行任务时脑区间神经元放电在时间、空间的联系。

恒流刺激是分析脑认知因果关系的重要方法，通过将特定形状和频率的电流施加于生物体，可以在生物体行为上产生特定反应，并同步记录相对应的脑神经元信息，对于分析脑功能具有重要的价值。

目前商业运用的进口系统通常为128通道，最高可扩展至512通道，但是扩展操作繁琐，需要多个主机并联使用，体积庞大，同时成本非常高，平均为50万美金。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种成本低、体积较小的高通量多通道电生理信号记录和刺激系统。

本发明采用的技术方案为：

一种多通道电生理信号记录和刺激系统，其创新点在于：包括神经信号传感器、电生理信号采集/刺激前端、系统主机处理部分和显示分析软件，具体的：

所述神经信号传感器由128-1024通道电极输入/输出组成，而128-1024通道的采集输入电极材质包括镍镉合金、铱、铂、金，且128通道的刺激输出电极包括钨丝、铂铱、铱金，所述神经信号传感器也可选用64通道的采集输入和64通道的刺激输出；

所述电生理信号采集/刺激前端与神经信号传感器电性连接，电生理信号采集/刺激前端采用模拟转数字芯片来完成模拟信号采集和数字信号传输的功能，前端采集芯片选用RHD2164、RHD2132和RHS2116组合来完成前端最高128通道采集或刺激功能，RHD2164芯片采用LVDS协议，主频为24MHz，采用DDR方式锁存数据，RHS2116芯片采用LVDS SPI协议，主频为24MHz，采用DDR方式锁存数据，可产生10nA到2.55mA的刺激电流，并带有电荷恢复电路及故障电流检测；

所述系统主机处理部分与电生理信号采集/刺激前端电性连接，系统主机处理部分包括前端通信部分、数字信号输入输出部分、模拟信号输入输出部分、从设备连接扩展部分、数据传输模块、信息汇总处理部分和供电电源系统部分；

所述显示分析软件采用C++语言进行编写，且软件界面能够同时显示1024通道的数据波形，并可以进行滤波、尖峰波分拣和本地保存，并且还可以进行从设备扩展出的128-1024通道的数据显示。

进一步的，所述神经信号传感器还可以嵌入光纤插芯针，用于光遗传方面的实验。

进一步的，所述电生理信号采集/刺激前端的电路设计选择刚挠板和裸片绑定，且重量在1克以内。

进一步的，所述前端通信部分与采集/刺激前端相连并直接通信，通信协议采用LVDS，通信功能部分采用CYCLONE IV FPGA来处理采集前端传输过来的信息，所述前端通信部分有8个这样的单元，与信息汇总处理部分连接实现1024通道数据的同步获取、数据分析、实时传输、任一通道刺激模式控制。

进一步的，所述数字信号输入输出部分和模拟信号输入输出部分输出选用一片CYCLONE IV FPGA进行汇总处理，然后传输到信息汇总处理部分；所述数字输入模块以16路2-5V逻辑电平和1路时钟同步信号结合可作为16路编码输入，到处理器处理，用于记录离散事件；所述数字输出模块通过处理器以16路2-5V逻辑电平作为输出，用于触发外部标记或其他离散事件，所述数字输入模块也可扩展至64路2-5V逻辑电平；所述模拟输入模块以16通道记录肌电、心电等其它电生理信号并经模数转换后到处理器进行处理；所述模拟输出模块可将内部任一通道数据通过处理器传输到16通道的模拟输出模块进行模数转换后经所选的通道进行放大输出。

进一步的，所述从设备连接扩展部分是用来连接从设备，汇总从设备信息并传输给信息汇总处理部分，此部分选用CYCLONE IV FPGA作为处理器，可对当前1024通道再扩展128-1024通道。