專利名稱：基于微電極陣列的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及神經(jīng)生物學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域，是一種用以同時檢測多個神經(jīng)元電生理活動以及神經(jīng)遞質(zhì)變化的檢測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
神經(jīng)細(xì)胞的信息傳遞由脈沖放電和神經(jīng)遞質(zhì)(化學(xué)物質(zhì))共同完成，同時檢測電生理信號和神經(jīng)遞質(zhì)含量變化，籍以研究某些疾病的發(fā)病機(jī)理、神經(jīng)信號傳遞、藥物反應(yīng)等具有重要科學(xué)意義和臨床價值。同時生物體對于外界事件的響應(yīng)以及信息處理的每一個過程，都需要涉及許多神經(jīng)細(xì)胞的共同作用，要揭示這其中的復(fù)雜機(jī)制，必須獲得足夠數(shù)目的神經(jīng)細(xì)胞的電活動信息。傳統(tǒng)的電極或單個微電極技術(shù)已不能滿足臨床和科研檢測需求。 因此對多個腦神經(jīng)元的電活動和神經(jīng)遞質(zhì)信息進(jìn)行同步記錄可以為神經(jīng)科學(xué)研究提供一種便利、可靠的信息獲取工具，對于神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)研究、神經(jīng)疾病治療(如癲癇，帕金森氏癥)、腦機(jī)接口、高通量藥物篩選和安全藥理學(xué)等領(lǐng)域具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種基于微電極陣列的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，通過計算機(jī)的軟件控制微電極陣列的功能排布，以滿足不同實驗的要求，并同時檢測神經(jīng)電生理和電化學(xué)信號，以解決神經(jīng)細(xì)胞的連續(xù)、多通道檢測和微弱電生理和電化學(xué)信號的檢測問題。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于微電極陣列的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，其結(jié)合模擬開關(guān)陣列實現(xiàn)電極的雙向功能切換，并通過電生理信號檢測模塊和電化學(xué)信號檢測模塊實現(xiàn)神經(jīng)元的雙模多通道同步檢測；多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，包括中央處理器單元，協(xié)處理器單元，模擬開關(guān)陣列， 溫度監(jiān)測電路，刺激信號產(chǎn)生模塊，電生理信號檢測模塊，電化學(xué)信號檢測模塊，多通道并行采集模塊，高速緩存電路，高速USB通信接口，無線藍(lán)牙通訊接口和計算機(jī)軟件；其中，中央處理器單元連接多通道并行采集模塊、高速緩存電路、協(xié)處理器單元，并通過高速USB芯片與計算機(jī)進(jìn)行通信；協(xié)處理器單元連接無線藍(lán)牙通訊接口、電生理信號檢測模塊、模擬開關(guān)陣列、刺激信號產(chǎn)生模塊、電化學(xué)檢測模塊、溫度監(jiān)測電路；模擬開關(guān)陣列連接刺激信號產(chǎn)生模塊、電化學(xué)檢測模塊、微電極陣列、并通過電生理信號檢測模塊與并行采集模塊電連接；微電極陣列與溫度監(jiān)測電路電連接。所述的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，其所述電極的雙向功能，為檢測與刺激功能；神經(jīng)元的雙模檢測，為電生理和電化學(xué)信息檢測；電生理信號檢測模塊包括偽跡消除電路和前置放大器電路，協(xié)處理器單元和模擬開關(guān)陣列分別與偽跡消除電路連接，偽跡消除電路經(jīng)前置放大器電路與中央處理器單元連接，通過控制模擬開關(guān)陣列的導(dǎo)通狀態(tài)，以對每個電極的使用功能進(jìn)行選擇。
所述的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，其所述模擬開關(guān)陣列，由計算機(jī)軟件控制，對微電極陣列所連接的模擬開關(guān)陣列進(jìn)行設(shè)置，從而使每個電極選擇不同的用途，分別連接到電生理信號檢測模塊、電化學(xué)信號檢測模塊、刺激信號產(chǎn)生模塊，參考或地，由此根據(jù)具體的實驗要求，方便的更改微電極陣列的功能排布。所述的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，其所述電化學(xué)檢測模塊與電生理檢測模塊配合，通過模擬開關(guān)陣列的控制，以選擇微電極陣列上的每個電極做電化學(xué)檢測或做電生理檢測，從而實現(xiàn)檢測位點(diǎn)設(shè)置的電化學(xué)信號和電生理信號多通道同步檢測。所述的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，其所述無線藍(lán)牙通訊接口和協(xié)處理器單元相連，計算機(jī)直接通過協(xié)處理器單元來設(shè)置各模塊的參數(shù)，避免占用USB的帶寬，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使得系統(tǒng)在處理龐大數(shù)據(jù)量的同時，及時響應(yīng)計算機(jī)的指令。所述的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，其所述協(xié)處理器單元，采用高速32位ARM芯片， 通過電化學(xué)模塊檢測神經(jīng)遞質(zhì)的含量，并協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各模塊之間的工作，減輕中央處理器的工作量，提高系統(tǒng)的實時響應(yīng)速度。所述的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，其所述刺激信號產(chǎn)生模塊，采用雙電源供電的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)頻率、幅度和波形自定義的雙極性電壓或電流波形，使刺激后電極上的凈電荷為零，降低對神經(jīng)細(xì)胞的損傷，同時避免剩余電荷對電極的電解，延長電極的使用壽命。所述的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，其所述雙極性電壓或電流波形，是采用二選一的多路開關(guān)來實現(xiàn)，多路開關(guān)由計算機(jī)軟件進(jìn)行控制。所述的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，其所述溫度檢測電路，采用靈敏度為0. 1°C的微型溫度傳感器，以實現(xiàn)對離體組織培養(yǎng)環(huán)境的準(zhǔn)確實時監(jiān)測，避免由于溫度過低或過高帶來的組織活性降低。本發(fā)明的神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，可用于在體動物或離體組織的電生理和電化學(xué)神經(jīng)信息獲取。其結(jié)合不同種類的微電極陣列，如適于在體神經(jīng)信息檢測的Utah電極、 Michigan電極和適于離體神經(jīng)信息檢測的平面MEA電極，可在二維或三維尺度上對多個神經(jīng)元的電生理信號和電化學(xué)信號進(jìn)行檢測，獲得更為全面和準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)神經(jīng)元雙向(檢測與施加電刺激)雙模(神經(jīng)元電生理信號與電化學(xué)信號)的應(yīng)用實施。


圖1為本發(fā)明中產(chǎn)生電流、電壓刺激信號的原理圖；圖2為本發(fā)明中模擬開關(guān)陣列的原理框圖；圖3為本發(fā)明中電生理前置放大的原理圖；圖4為本發(fā)明中可與多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)結(jié)合使用的一種微電極陣列示意圖；圖5為本發(fā)明用于多通道神經(jīng)信息檢測的系統(tǒng)組成框圖；圖6為利用本發(fā)明所測神經(jīng)元峰電位疊加波形圖；圖7為本發(fā)明開關(guān)陣列的軟件控制界面；圖8為本發(fā)明開關(guān)陣列的軟件控制流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明公開一種基于微電極陣列(如圖4)的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，其結(jié)合模擬開關(guān)陣列可以實現(xiàn)電極的雙向(檢測與刺激)功能切換，并通過電生理信號檢測模塊和電化學(xué)信號檢測模塊實現(xiàn)神經(jīng)元的雙模(電生理和電化學(xué)信息)多通道同步檢測。如圖5 所示，系統(tǒng)包括中央處理單元，協(xié)處理器單元，模擬開關(guān)陣列，溫度監(jiān)測電路，刺激信號產(chǎn)生電路，電生理檢測模塊，電化學(xué)檢測模塊，多通道并行采集模塊，高速緩存電路，高速USB通信接口，無線藍(lán)牙通訊接口和計算機(jī)軟件。其中，中央處理單元連接多通道采集模塊，高速緩存電路，并通過高速USB芯片與計算機(jī)進(jìn)行通信；協(xié)處理器單元連接電化學(xué)檢測模塊，溫度監(jiān)測電路，刺激信號產(chǎn)生電路，模擬開關(guān)陣列，偽跡消除電路，無線藍(lán)牙通訊接口 ；電生理信號檢測模塊由偽跡消除電路和前置放大器電路組成。本發(fā)明的模擬開關(guān)陣列是通過如圖2所示的原理框圖實現(xiàn)的，微電極陣列的引線連接到模擬開關(guān)陣列，通過計算機(jī)軟件可以控制各開關(guān)的狀態(tài)，從而控制各個電極的功能模式，這樣同一個電極分別可以復(fù)用為電生理信號檢測電極、電化學(xué)信號檢測電極、電刺激電極、參考電極、地電極。其中軟件采用Visual C++6.0和Keil C編寫，控制界面及流程如圖7,8所示。實驗時可根據(jù)具體的要求來靈活的調(diào)整微電極陣列的排布，可選擇任意一個電極對感興趣的組織區(qū)域進(jìn)行檢測或刺激，從而極大的提高了檢測的空間分辨率，可以獲取更加有價值的信號。本發(fā)明的前置放大電路是通過圖3所示電路實現(xiàn)的，該電路采用差分輸入形式， 選擇具有高共模抑制比的儀表放大器AD620作為第一級放大，為了避免電容的不匹配帶來的共模抑制比下降，采用的是直流耦合方式來放大微電極信號，但由于在體或離體的實驗中都會有幾十到幾百毫伏的直流極化電壓存在，為避免放大器飽和，放大倍數(shù)設(shè)置為10倍左右，在儀表放大器的后面連接高通濾波器以濾除直流信號，可根據(jù)具體要求設(shè)置截止頻率的大小，一般設(shè)為0. 1 IOHz，高通濾波器后面接截止頻率為3KHz左右的低通濾波器，以濾除高頻噪聲，保證記錄到神經(jīng)信號具有高信噪比，如圖6所示。根據(jù)不同類型的神經(jīng)細(xì)胞放電大小不同，還可以在后面接多級放大以調(diào)整總的放大倍數(shù)，一般為1000 5000倍。對于單極性的刺激脈沖，會對電極進(jìn)行充電，需要一段時間的放電，由此會在記錄時加入放電偽跡，并且也加速了電極在組織液或培養(yǎng)液中的電解，縮短電極的使用壽命。針對不同的實驗對象和不同類型的電極，刺激信號的大小和種類也不同，本發(fā)明設(shè)計了一種能夠產(chǎn)生雙極性刺激信號的電路，所產(chǎn)生的刺激信號脈沖包括正脈沖和負(fù)脈沖，因而可以保證施加在電極上的凈電荷為0，能夠避免由傳統(tǒng)刺激信號所帶來的諸多不良影響，并且所產(chǎn)生的刺激信號是可由用戶自定義參數(shù)的。如圖1所示，信號波形由工作于+/-5V的10位 DAC芯片MAX504產(chǎn)生，應(yīng)而可以產(chǎn)生雙極性(包括正脈沖和負(fù)脈沖)的波形，刺激信號的參數(shù)脈沖寬度、脈沖大小、脈沖形狀、脈沖個數(shù)、間隔時間等，可通過芯片的2號管腳DIN進(jìn)行設(shè)置。MAX504的輸出信號經(jīng)過運(yùn)算放大器AD8674跟隨電壓后分出兩路，其中一路接V/ I轉(zhuǎn)換電路，由R1-R5和兩個運(yùn)算放大器組成，其中輸出電流由電阻R4決定；另一路接電壓放大電路，由R6、R7和一個運(yùn)算放大器組成，以調(diào)整輸出電壓刺激的量程(大小由R6、R7的比值確定)，這兩路信號可接到一個2選1的開關(guān)，最終決定輸出是電壓刺激信號還是電流刺激信號。以上所述，僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員依據(jù)本發(fā)明的創(chuàng)造原理，可以做出許多變形和改進(jìn)，但這些均落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于微電極陣列的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，其特征在于，其結(jié)合模擬開關(guān)陣列實現(xiàn)電極的雙向功能切換，并通過電生理信號檢測模塊和電化學(xué)信號檢測模塊實現(xiàn)神經(jīng)元的雙模多通道同步檢測；多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，包括中央處理器單元，協(xié)處理器單元，模擬開關(guān)陣列，溫度監(jiān)測電路，刺激信號產(chǎn)生模塊，電生理信號檢測模塊，電化學(xué)信號檢測模塊，多通道并行采集模塊，高速緩存電路，高速USB通信接口，無線藍(lán)牙通訊接口和計算機(jī)軟件；其中，中央處理器單元連接多通道并行采集模塊、高速緩存電路、協(xié)處理器單元，并通過高速USB芯片與計算機(jī)進(jìn)行通信；協(xié)處理器單元連接無線藍(lán)牙通訊接口、電生理信號檢測模塊、模擬開關(guān)陣列、刺激信號產(chǎn)生模塊、電化學(xué)檢測模塊、溫度監(jiān)測電路；模擬開關(guān)陣列連接刺激信號產(chǎn)生模塊、電化學(xué)檢測模塊、微電極陣列、并通過電生理信號檢測模塊與并行采集模塊電連接；微電極陣列與溫度監(jiān)測電路電連接。
2.如權(quán)利要求1所述的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述電極的雙向功能， 為檢測與刺激功能；神經(jīng)元的雙模檢測，為電生理和電化學(xué)信息檢測；電生理信號檢測模塊包括偽跡消除電路和前置放大器電路，協(xié)處理器單元和模擬開關(guān)陣列分別與偽跡消除電路連接，偽跡消除電路經(jīng)前置放大器電路與中央處理器單元連接，通過控制模擬開關(guān)陣列的導(dǎo)通狀態(tài)，以對每個電極的使用功能進(jìn)行選擇。
3.如權(quán)利要求1所述的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬開關(guān)陣列，由計算機(jī)軟件控制，對微電極陣列所連接的模擬開關(guān)陣列進(jìn)行設(shè)置，從而使每個電極選擇不同的用途，分別連接到電生理信號檢測模塊、電化學(xué)信號檢測模塊、刺激信號產(chǎn)生模塊，參考或地，由此根據(jù)具體的實驗要求，方便的更改微電極陣列的功能排布。
4.如權(quán)利要求1所述的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述電化學(xué)檢測模塊與電生理檢測模塊配合，通過模擬開關(guān)陣列的控制，以選擇微電極陣列上的每個電極做電化學(xué)檢測或做電生理檢測，從而實現(xiàn)檢測位點(diǎn)設(shè)置的電化學(xué)信號和電生理信號多通道同步檢測。
5.如權(quán)利要求1所述的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述無線藍(lán)牙通訊接口和協(xié)處理器單元相連，是計算機(jī)直接通過協(xié)處理器單元來設(shè)置各模塊的參數(shù)，避免占用 USB的帶寬，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使得系統(tǒng)在處理龐大數(shù)據(jù)量的同時，及時響應(yīng)計算機(jī)的指令。
6.如權(quán)利要求1、2或5所述的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述協(xié)處理器單元，采用高速32位ARM芯片，通過電化學(xué)模塊檢測神經(jīng)遞質(zhì)的含量，并協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各模塊之間的工作，減輕中央處理器的工作量，提高系統(tǒng)的實時響應(yīng)速度。
7.如權(quán)利要求1所述的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述刺激信號產(chǎn)生模塊，采用雙電源供電的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)頻率、幅度和波形自定義的雙極性電壓或電流波形，使刺激后電極上的凈電荷為零，降低對神經(jīng)細(xì)胞的損傷，同時避免剩余電荷對電極的電解，延長電極的使用壽命。
8.如權(quán)利要求7所述的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述雙極性電壓或電流波形，是采用二選一的多路開關(guān)來實現(xiàn)，多路開關(guān)由計算機(jī)軟件進(jìn)行控制。
9.如權(quán)利要求1所述的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度檢測電路，采用靈敏度為0. rc的微型溫度傳感器，以實現(xiàn)對離體組織培養(yǎng)環(huán)境的準(zhǔn)確實時監(jiān)測，避免由于溫度過低或過高帶來的組織活性降低。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微電極陣列的多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)，涉及神經(jīng)生物學(xué)檢測技術(shù)，包括模擬開關(guān)陣列，電生理信號檢測電路，電化學(xué)信號檢測電路，電刺激信號發(fā)生電路，多路AD轉(zhuǎn)換電路，溫度檢測電路，高速USB傳輸電路，無線藍(lán)牙通訊模塊和計算機(jī)上運(yùn)行的數(shù)據(jù)處理軟件等。本發(fā)明多通道神經(jīng)信息檢測系統(tǒng)可用于在體動物或離體組織的電生理和電化學(xué)神經(jīng)信息獲取，其結(jié)合不同種類的微電極陣列可在二維或三維尺度上對多個神經(jīng)元的電生理信號和電化學(xué)信號進(jìn)行檢測，獲得更為全面和準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)神經(jīng)元雙向雙模的應(yīng)用實施。
文檔編號G01N33/483GK102247137SQ20101018344
公開日2011年11月23日 申請日期2010年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者劉軍濤, 劉春秀, 宋軼琳, 林楠森, 羅金平, 蔡新霞 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所