多通道神经电生理信号采集系统设计与制作【字数：9623】
摘 要神经信号检测仪器在基础神经科学研究中的迫切需要，开展神经电生理采集系统研究，对于神经科学研究具有重要的科学意义。神经信号记录系统已成为神经科学研究中最重要的方法之一，随着脑科学的发展，对仪器通道数量要求和附加功能需求也越来越多。本文以FPGA为核心，制作用Headstage作为采集前端，并且板上带有TTL电平打标信号的输入输出，并预留8个通道大信号采集端口的多通道采集电路，并通讯以JUCE库开发的软件上位机，使之显示信号波形并加以保存，以完成多通道神经电生理信号的采集系统。其中，Headstage内置32通道前端放大和AD转换电路，并集成有SPI通讯电路。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2研究现状 1
1.3本设计研究的主要内容 2
第二章 采集板电路设计 3
2.1电源模块 3
2.1.1主电源供电 3
2.1.2前端接口供电 4
2.2信号采集 4
2.2.1前端Headstage 4
2.2.2 ADC采集 6
2.2.3参考电压设计 6
2.3事件标记 7
2.3.1外部触发事件 7
2.3.2同步输出 8
2.4核心模块 8
2.5布局设计 9
2.5.1接口布局 9
2.5.2功能模块布局 9
2.6电磁兼容性设计 10
2.6.1多层板制图 10
2.6.2滤波电路 10
2.6.3走线和过孔设置 11
第三章 上位机方案设计 12
3.1主要技术指标 12
3.1.1波形显示 12
3.1.2数据类型 13
3.2信号显示 13
3.2.1上位机功能按钮 13
3.2.2 LFP和SPIKE信号 14
3.3插件结构设计 14
3.4 GUI界面 14
第四章 系统调试 16
4.1调试总结 16
4.1.1硬件 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
焊接调试 16
4.1.2软件编译测试 16
4.2系统对比测试 17
结束语 18
1.总结 18
2.展望 18
致 谢 19
参考文献 20
第一章 绪论
1.1课题研究的背景及意义
随着神经科学的发展，医院的医疗水平不断上升，人的平均寿命比过去都要长。阿尔茨海默病，就是通常说的痴呆，在老年人中比较常见，这种病是一种神经系统退行性疾病，目前发病的原因都不清楚[1]。治疗这类神经类疾病，目前所有的办法有创的侵入式治疗，通过在病灶处电刺激，不过这样治疗的价格昂贵，而且可能会引起一些严重的神经副作用，会导致情感冷漠的表现，甚至会发生人格改变这种情况，目前国内的患者，对于这种治疗都是非常谨慎的，都不希望冒这种风险[2]。
如今，神经科学的研究发展为精神类疾病的治疗提供了许多治疗的可能办法[3]，为了更好得到实验产生的场电位分布，并通过MATLAB等分析工具计算实验得到的现象，得以知晓所使用的医疗手段对于精神疾病有哪些有利的方面[4]。在动物行为研究中，一般实行办法为，将动物限定在安全区域，在其特定的行为发生时，记录其神经元动作电位，这需要在其头颅内植入电极，要求电极可采集100uV左右的SPIKE信号。并且在采集的过程中，不能引入过大的工频干扰，一般干扰是从电源部分引入的，有时是由于地线的连接问题，地线一般接在头骨上的颅钉，如果工频太大可选择加锡箔纸来去除干扰[5]。在采集的过程中，有时需要对动物加以外界的刺激，刺激的种类有声音、光、交直流电等常用手段，在实验结束后，可以给动物一些食物以表示奖励，以便多次实验动物会表现的越来越配合[6]。
1.2研究现状
细胞外电是神经科学研究中常见的手段之一[8]，它使用特殊的电极来检测大脑不同脑区，大小由几十微伏至几毫伏电压的信号。这类实验需要稳定性极高，并且能同时测量多个通道，自身本体噪声非常小的仪器。并且这类神经研究对采样率要求较高，从而使得采集的数据量也非常大，对于采集系统来说，需要很高的运行速度和非常快的通讯接口。一般研究机构都是在PC机上用MATLAB进行数据分析，所以还得有相应的数据格式，或者有相应的脚本工具能把系统规定的数据转换成MATLAB适用的.mat格式文件[9]。目前，国外生产的这类系统较多，且价格昂贵，最重要的是，国外的仪器设备和国人的使用习惯相差甚远，也不会提供较好的技术支持，使得国内用进口的这些设备实验时会遇到很多麻烦。这些国外的设备通常是商用的，他们不会进行产品定制，需要附加功能只能依靠供应商提供的方式来选购[7]。
此外，任何相关的数据和实验只能与使用相同设备的人进行交流。随着神经科学的发展，研究的东西变得越来越多，这种不通用的局限性大大阻碍了国内实验的进度[10]。对于实验过程中保存的特定格式的实验数据，严重影响了实验的交流发展和复制性。一般来说，科研机构很少有人有能力和精力来推动这些不同厂商产品的互通。为了使神经科学家们更方便的使用设备并与他人共同分享设备的数据，我们开发了此软件，这是一款基于FPGA的数据采集系统，并配有相应的数据显示保存软件。GUI利用JUCE库，通过C++编写，和硬件电路板联通顺畅，并开发了许多当前和通用的软件开发实践[11]。
研究人员在使用该系统时可以自行添加必要的功能接口。在设计闭环实验时尤其重要，其中测量的活动用于确定对所研究系统的时间或类型（例如，电，光遗传或环境）干扰反馈。潜在的闭环扰动空间非常大，因此每个实验都需要一个独特的协议[12]。
采集系统需要较高采样率，才能够采得SPIKE信号。几十年来，学者们一直在研究神经系统如何编码和解码刺激信息，频率编码和时间编码被广泛接受。外周神经系统的结果支持频率编码理论，这使得频率编码方法更加公认[13]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2研究现状 1
1.3本设计研究的主要内容 2
第二章 采集板电路设计 3
2.1电源模块 3
2.1.1主电源供电 3
2.1.2前端接口供电 4
2.2信号采集 4
2.2.1前端Headstage 4
2.2.2 ADC采集 6
2.2.3参考电压设计 6
2.3事件标记 7
2.3.1外部触发事件 7
2.3.2同步输出 8
2.4核心模块 8
2.5布局设计 9
2.5.1接口布局 9
2.5.2功能模块布局 9
2.6电磁兼容性设计 10
2.6.1多层板制图 10
2.6.2滤波电路 10
2.6.3走线和过孔设置 11
第三章 上位机方案设计 12
3.1主要技术指标 12
3.1.1波形显示 12
3.1.2数据类型 13
3.2信号显示 13
3.2.1上位机功能按钮 13
3.2.2 LFP和SPIKE信号 14
3.3插件结构设计 14
3.4 GUI界面 14
第四章 系统调试 16
4.1调试总结 16
4.1.1硬件 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
焊接调试 16
4.1.2软件编译测试 16
4.2系统对比测试 17
结束语 18
1.总结 18
2.展望 18
致 谢 19
参考文献 20
第一章 绪论
1.1课题研究的背景及意义
随着神经科学的发展，医院的医疗水平不断上升，人的平均寿命比过去都要长。阿尔茨海默病，就是通常说的痴呆，在老年人中比较常见，这种病是一种神经系统退行性疾病，目前发病的原因都不清楚[1]。治疗这类神经类疾病，目前所有的办法有创的侵入式治疗，通过在病灶处电刺激，不过这样治疗的价格昂贵，而且可能会引起一些严重的神经副作用，会导致情感冷漠的表现，甚至会发生人格改变这种情况，目前国内的患者，对于这种治疗都是非常谨慎的，都不希望冒这种风险[2]。
如今，神经科学的研究发展为精神类疾病的治疗提供了许多治疗的可能办法[3]，为了更好得到实验产生的场电位分布，并通过MATLAB等分析工具计算实验得到的现象，得以知晓所使用的医疗手段对于精神疾病有哪些有利的方面[4]。在动物行为研究中，一般实行办法为，将动物限定在安全区域，在其特定的行为发生时，记录其神经元动作电位，这需要在其头颅内植入电极，要求电极可采集100uV左右的SPIKE信号。并且在采集的过程中，不能引入过大的工频干扰，一般干扰是从电源部分引入的，有时是由于地线的连接问题，地线一般接在头骨上的颅钉，如果工频太大可选择加锡箔纸来去除干扰[5]。在采集的过程中，有时需要对动物加以外界的刺激，刺激的种类有声音、光、交直流电等常用手段，在实验结束后，可以给动物一些食物以表示奖励，以便多次实验动物会表现的越来越配合[6]。
1.2研究现状
细胞外电是神经科学研究中常见的手段之一[8]，它使用特殊的电极来检测大脑不同脑区，大小由几十微伏至几毫伏电压的信号。这类实验需要稳定性极高，并且能同时测量多个通道，自身本体噪声非常小的仪器。并且这类神经研究对采样率要求较高，从而使得采集的数据量也非常大，对于采集系统来说，需要很高的运行速度和非常快的通讯接口。一般研究机构都是在PC机上用MATLAB进行数据分析，所以还得有相应的数据格式，或者有相应的脚本工具能把系统规定的数据转换成MATLAB适用的.mat格式文件[9]。目前，国外生产的这类系统较多，且价格昂贵，最重要的是，国外的仪器设备和国人的使用习惯相差甚远，也不会提供较好的技术支持，使得国内用进口的这些设备实验时会遇到很多麻烦。这些国外的设备通常是商用的，他们不会进行产品定制，需要附加功能只能依靠供应商提供的方式来选购[7]。
此外，任何相关的数据和实验只能与使用相同设备的人进行交流。随着神经科学的发展，研究的东西变得越来越多，这种不通用的局限性大大阻碍了国内实验的进度[10]。对于实验过程中保存的特定格式的实验数据，严重影响了实验的交流发展和复制性。一般来说，科研机构很少有人有能力和精力来推动这些不同厂商产品的互通。为了使神经科学家们更方便的使用设备并与他人共同分享设备的数据，我们开发了此软件，这是一款基于FPGA的数据采集系统，并配有相应的数据显示保存软件。GUI利用JUCE库，通过C++编写，和硬件电路板联通顺畅，并开发了许多当前和通用的软件开发实践[11]。
研究人员在使用该系统时可以自行添加必要的功能接口。在设计闭环实验时尤其重要，其中测量的活动用于确定对所研究系统的时间或类型（例如，电，光遗传或环境）干扰反馈。潜在的闭环扰动空间非常大，因此每个实验都需要一个独特的协议[12]。
采集系统需要较高采样率，才能够采得SPIKE信号。几十年来，学者们一直在研究神经系统如何编码和解码刺激信息，频率编码和时间编码被广泛接受。外周神经系统的结果支持频率编码理论，这使得频率编码方法更加公认[13]。
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