基於usb的簇狀放電提取分析系統的製作方法
2024-02-24 04:52:15
專利名稱：基於usb的簇狀放電提取分析系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基於USB的簇狀放電提取分析裝置，特別是涉及使用細胞外記錄技術提取簇狀放電信號領域。
背景技術：
神經元放電形式具有多樣性，這种放電可能具有周期性或者呈簇狀形式出現—— 即放電頻率較高，單個放電信號時間間隔較短的一串放電信號。這種簇狀放電信號反映了 神經元放動作電位在時間上的排列，其形式多樣，蘊含著豐富的信息，並且其還會隨著神經 元細胞所處環境的變化而隨之變化，因此具有非常重要的生理意義(見參考文獻1)作為進 一步研究簇狀放電生理意義的基礎，簇狀放電的定義，統計和分析顯得尤為重要。但是對於 這种放電信號的分析存在一些難題。(1)由於電生理實驗記錄生物神經元放電信號所需時程通常較長，因此會產生十 分龐大的數據量，並且由於外界環境，生物實驗系統內部，生物機體本身都會引入幹擾信 號，這使得記錄到的信號摻雜著大量噪聲，人工從如此海量的試驗數據中進行簇狀放電的 提取非常困難。(2)由於在定義簇狀放電信號時，關鍵參數簇狀放電內部分峰峰間隔(ISI)大小 的確切數值說法各有不同存在爭議，因此在進行簇狀放電信號提取時很難達成定義上的一 致共識。(3)在細胞外引導提取放電信號的時候，由於放電神經元與玻璃微電極距離的不 同，會產生放電幅值不同的波形，這裡我們暫且把幅值比較大的放電稱為主波，幅值比較小 的放電稱為次波。在採集到的原始信號中，這些主波和次波常常相互摻雜彼此覆蓋，因此在 信號提取時很難針對主次波各自特點分別進行提取、分離和分析。目前主流生理電信號採集試驗設備可以快速，準確的採集並顯示生理放電信號， 他們抗幹擾能力很強，信號採集種類很多(如肌電，腦電，心電等)。但是這都只是對信號進 行採集工作，並沒有針對各种放電信號的特點進行數據分析工作，因此他們都無法進行簇 狀放電信號的提取並且解決簇狀放電信號提取過程中所存在的問題。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題是提供了一種基於USB的簇狀放電提取分析系 統，該系統能夠準確提取簇狀放電信號，有效濾除噪聲幹擾，提供簇狀放電信號所包含的主 波放電時刻，主波ISI，主波中簇狀放電的個數以及每組簇狀放電中包含的放電個數，次波 放電時刻，次波ISI，次波中簇狀放電的個數以及每組簇狀放電中包含的放電個數，工程量 和維護量較小，監測自動化程度高。本實用新型所採用的技術方案是該系統包括簇狀放電提取裝置和上位機，簇狀 放電提取裝置包括在絕緣外殼中銀質信號傳導觸頭、簇狀放電信號放大單元、噪聲濾除單 元，數據處理單元相互連接，銀質信號傳導觸頭前端外接玻璃微電極，後端與簇狀放電信號放大單元輸入端連接，簇狀放電信號放大單元輸出端與噪聲濾除單元輸入端連接，噪聲濾 除單元輸出端與數據處理單元連接；簇狀放電提取裝置通過USB接口技術與上位機建立通 信連接；基於USB的簇狀放電提取分析系統，其特徵在於所述簇狀放電信號放大單元包括 儀表運算放大電路。相對於現有技術，本系統具有以下優點1)全面反應簇狀放電信號的內部信息。2)有效提取rnTmv級生理電信號，並且同時濾除外界噪聲幹擾。3)動態設置不同簇狀放電中所包含的ISI參數，這樣可以全面提取簇狀放電，不 產生任何遺漏。4)自動分辨主波信號和次波信號，分別提取他們各自所包含的簇狀放電。5)實現了簇狀放電信號監測的自動化、智能化和信息化。
圖1神經元細胞放電信號圖。圖2簇狀放電信號放大單元內部結構圖。圖3銀質信號傳導觸頭結構圖。圖4數據處理單元固件設計流程圖。圖5USB全雙工讀寫時序圖。圖6是系統結構圖。圖7Ln(ISI)直方圖。圖8不同ISI設置方法下簇狀放電信號的提取效果對比圖。圖9主波簇狀放電信號和次波簇狀放電信號的提取圖。圖10主波簇狀放電信號和次波簇狀放電信號的數據分析結果圖。
具體實施方式
大量的實驗數據表明，雖然每次噪聲類型可能有所不同，但是絕大多數簇狀放電 信號放電幅值一般都要大於其中包含的噪聲信號如圖1所示，當然也不排除存在個別大 幅值噪聲的可能，針對這種噪聲系統將在上位機對其進行分析處理。簇狀放電信號一般為 uv^mv級生理電信號，然而數據處理單元處理能力僅僅限制於伏安級信號，因此簇狀放電信 號放大單元採用精度高，放大倍數大(可調增益廣1000)，共模抑制比較大(大於IOOdb) 的儀表運算放大電路如圖2所示。電路輸入端由玻璃微電極接入，玻璃微電極尖端阻抗為 5 12ΜΩ，填充物為5%醋酸鈉溶液如圖3所示，輸出端接入噪聲濾除單元，濾波以後進入 數據處理單元進行分析處理。數據處理到單元包含USB2. 0傳輸模塊，支持12MB/S的全速 傳輸，本系統USB實現2個批量傳輸，端的1用於批量傳輸IN，端點2用於批量傳輸OUT，端 點0用於單緩衝模式下控制傳輸。傳入內容主要為下傳控制命令和上傳的採樣數據。控 制命令主要是開始採樣和停止採樣兩個部分，其中開始採樣中帶有三個參數通道，採樣範 圍，採樣率如圖4所示，系統默認採樣率為5KHZ。USB採用全雙工模式進行命令和數據交換 如圖5所示。簇狀放電提取裝置絕緣外殼中銀質信號傳導觸頭、簇狀放電信號放大單元、噪聲濾除單元，數據處理單元相互連接，銀質信號傳導觸頭前端外接玻璃微電極，後端與簇狀放 電信號放大單元輸入端連接，簇狀放電信號放大單元輸出端與噪聲濾除單元輸入端連接， 噪聲濾除單元輸出端與數據處理單元連接，簇狀放電提取裝置通過USB接口技術與上位機 建立通信連接如圖6所示。簇狀放電信號定義為即放電頻率較高單個放電信號峰峰間隔較短的一串放電，但 是目前對於不同類型的簇狀放電並沒有一個確定的峰峰間隔(ISI)。長期以來大多數研究 者採用，取整段信號中所有ISI平均值的方法來確定不同類型簇狀放電各自具有的ISI。但 是這種方法的缺點是經常會漏檢一部分簇狀放電信號。本系統為了避免這類情況的發生， 採用最新的神經生物學方法，採用繪製Ln(ISI)直方圖的方法，來確定不同種類簇狀放電 信號的具體ISI數值如下圖6所示。可以 看出圖7中有兩個明顯峰值存在，其中第一個峰坐標為(0.01,2000)0.01即代表 簇狀放電內部的ISI數值。根據Ln(ISI)直方圖的方法相比ISI平均值的方法可以明顯提 高簇狀放電的檢測準確率。對於同一簇狀放電信號使用Ln(ISI)直方圖方法可以檢測出來 然而使用ISI平均值的方法就會產生遺漏如圖8所示。本系統採用玻璃微電極進行簇狀放電信號的採集，由於神經細胞成網絡狀存在， 玻璃微電極插入位置不可能與其相鄰的每個放電神經細胞的距離都完全相同，那麼這就必 然會導致由玻璃微電極所採集到的放電信號，幅值大小存在一定差異。當放電細胞與玻璃 微電極距離比較近的時候，放電信號幅值相對較大，相反當放電細胞與玻璃微電極的距離 較遠的時候，記錄到的放電幅值相對較小。並且不同放電細胞的放電時間不存在先後順序 性，採集到的放電信號很有可能是主波此波相互摻雜彼此覆蓋的。系統針對玻璃微電極採 集特點設計數據處理單元內部自動識別循環，將兩種波形分別處理如圖9所示。系統數據分析單元提供簇狀放電信號所包含的主波放電時刻，主波ISI，主波中簇 狀放電的個數以及每組簇狀放電中包含的放電個數，次波放電時刻，次波ISI，次波中簇狀 放電的個數以及每組簇狀放電中包含的放電個數6個方面的信息，為進一步的數據工作分 析提供可靠準確全面的支持。主波次波放電時刻的檢測便於確定在採集到的信號中細胞放 電的起始點與終止點，以及放電頻率等數據。主波，次波中ISI的檢測便於核對簇狀放電信 號是否提取完整，是否滿足Ln (ISI)直方圖所確定的ISI要求。主波，次波中簇狀放電的個 數以及每組簇狀放電中包含的放電個數的檢測可以從整體上觀察簇狀放電信號的分布特 性，數據分析結果如圖10所示。按照本專利提出的一種基於USB的簇狀放電提取分析系統，可以實現通過簇狀放 電提取裝置提取信號，並且使用數據處理單元自動分析簇狀放電信號得出其全面的數據分 析結果。實施例某生理電信號採集實驗室長期進行簇狀放電信號的採集工作，該實驗環境不斷變 化，經常發生簇狀放電信號漏檢錯檢事件，可以使用一套基於USB的簇狀放電提取分析系 統進行數據採集分析工作。使用3 4月齡的雄性Wistar大鼠體重250 300g進行廣動 力範圍神經元簇狀放電信號提取分析，實驗在需要記錄觀察簇狀放電數據實驗室安裝上位 機，實時監測數據採集工作進展情況。該系統主要功能性能指標如下簇狀放電信號放大單元可調增益廣1000，共模抑制比> lOOdb。[0035]玻璃微電極尖端阻抗為5 12M Ω。噪聲濾除單元輸出信號信噪比彡80db。簇狀放電信號提取準確性> 98 %。系統信號採樣率5 20KHZ。在當前乃至今後相當長的一段時間，簇狀放電信號提取的準確性都是衡量簇狀放 電提取分析系統的最主要因素，USB接口進行數據傳輸也是其必然發展趨勢。使用USB接 口進行數據傳輸極大的提高了系統數據的傳輸速度。本系統的應用對簇狀放電信號完整提 取，全面分析發揮了巨大作用。參考文獻1、劉向明等，龍血竭抑制大鼠脊髓背角廣動力範圍神經元誘發放電的藥效物質。
權利要求一種基於USB的簇狀放電提取分析系統，其特徵在於該系統包括簇狀放電提取裝置和上位機，簇狀放電提取裝置包括在絕緣外殼中銀質信號傳導觸頭、簇狀放電信號放大單元、噪聲濾除單元，數據處理單元相互連接，銀質信號傳導觸頭前端外接玻璃微電極，後端與簇狀放電信號放大單元輸入端連接，簇狀放電信號放大單元輸出端與噪聲濾除單元輸入端連接，噪聲濾除單元輸出端與數據處理單元連接；簇狀放電提取裝置通過USB接口技術與上位機建立通信連接。
2.如權利要求1所述基於USB的簇狀放電提取分析系統，其特徵在於所述簇狀放電 信號放大單元包括儀表運算放大電路。
專利摘要本實用新型涉及使用細胞外記錄技術針對簇狀放電信號進行提取分析工作，提供了一種基於USB的簇狀放電提取分析系統。該系統包括簇狀放電提取裝置和上位機，簇狀放電提取裝置包括在絕緣外殼中銀質信號傳導觸頭、簇狀放電信號放大單元、噪聲濾除單元，數據處理單元以及通信單元相互連接，銀質信號傳導觸頭前端外接玻璃微電極，後端與簇狀放電信號放大單元輸入端連接，簇狀放電信號放大單元輸出端與噪聲濾除單元輸入端連接，噪聲濾除單元輸出端與數據處理單元連接；簇狀放電提取裝置通過USB接口技術與上位機建立通信連接，該提取分析系統工程量和維護量小，自動化程度高。
文檔編號A61B5/04GK201701205SQ20092022903
公開日2011年1月12日 申請日期2009年10月26日 優先權日2009年10月26日
發明者劉向明, 白雲, 馬楠 申請人:馬楠;劉向明;白雲