自适应脑电信号闭环调控刺激器、芯片和系统

1.本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种自适应脑电信号闭环调控刺激器、芯片和系统。


背景技术：

2.针对如帕金森、癫痫等神经功能失调疾病，闭环脑深部刺激器克服了开环脑深部刺激器中刺激参数调整不及时、刺激效率低等问题，通过对采集到的脑电信号进行分析处理，再动态调整刺激参数，以提高患者疗效。其中，脑电信号幅值通常为数十微伏数到数毫伏，而电刺激伪影幅值却高达数毫百伏，则需要采集电路处理的脑电信号范围从45db提高到75db，即，脑电信号闭环调控系统要求采集电路能在很短时间内能够响应高动态范围的脑电信号。
3.现有技术中，一般采用低增益的模拟前端放大器和高分辨率的模数转换器以快速响应高动态范围的脑电信号的采集。然而，脑电信号的采集电路仅在电刺激之后信号范围才会变大，而大多数情况下则处于较小信号范围，若采用高分辨率的模数转换器，脑电信号范围固定，且导致闭环调控刺激器的整体尺寸和功耗较大，因此，同时满足调整采集电路的动态范围且降低闭环调控刺激器的功耗是目前亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种自适应脑电信号闭环调控刺激器、芯片和系统，用以解决现有技术中无法同时满足不同时刻的信号范围和功耗较小的缺陷，实现对不同脑电信号的动态范围调整，同时，减小刺激器的整体尺寸和功耗。
5.本发明提供一种自适应脑电信号闭环调控刺激器，包括：至少两个电极和数据分析与控制模块，其中：
6.所述电极用于接收脑电信号或输出刺激电流，针对每个所述电极，所述电极的电极端口连接有采集模块和刺激模块，所述采集模块连接所述数据分析与控制模块，所述采集模块用于采集不同范围的脑电信号并输入所述数据分析与控制模块；
7.所述采集模块包括放大器电路和电压范围检测单元，所述电极端口连接所述放大器电路和所述电压范围检测单元，所述电压范围检测单元连接所述放大器电路，所述电压范围检测单元用于基于不同范围的脑电信号生成增益控制信号，所述放大器电路用于基于所述增益控制信号确定采集的脑电信号的放大倍数；
8.所述刺激模块连接所述数据分析与控制模块，所述数据分析与控制模块用于基于所述脑电信号生成刺激参数控制信号，所述刺激模块用于基于所述刺激参数控制信号生成刺激电流，并输出至各所述电极。
9.根据本发明提供的自适应脑电信号闭环调控刺激器，所述电压范围检测单元包括：峰峰值检测电路和阈值电压比较器，其中：
10.所述峰峰值检测电路连接所述电极端口和所述阈值电压比较器，所述峰峰值检测
电路用于确定所述电极端口接收的脑电信号对应的峰值电压，所述阈值电压比较器用于基于所述峰值电压和预设电压的比较结果，确定增益控制信号，并输出至所述放大器电路。
11.根据本发明提供的自适应脑电信号闭环调控刺激器，所述增益控制信号包括：二进制数0或二进制数1；
12.在所述增益控制信号包括二进制数0的情况下，所述放大器电路基于所述二进制数0确定的脑电信号的放大倍数大于1；
13.在所述增益控制信号包括二进制数1的情况下，所述放大器电路基于所述二进制数1确定的脑电信号的放大倍数小于1。
14.根据本发明提供的自适应脑电信号闭环调控刺激器，所述放大器电路包括：固定增益放大器、低通滤波器和可变增益放大器，其中：
15.所述固定增益放大器的输入端连接所述电极端口，且所述固定增益放大器的输出端连接低通滤波器的输入端，所述固定增益放大器用于基于固定放大倍数对采集的脑电信号进行放大，所述低通滤波器用于对放大后的脑电信号进行滤波，所述可变增益放大器的输入端连接所述低通滤波器的输出端和所述阈值电压比较器的输出端，所述可变增益放大器的输出端连接n选1模拟选择器，所述可变增益放大器用于基于所述电压范围检测单元生成的增益控制信号，对滤波后的脑电信号进行放大，所述n选1模拟选择器用于输出任意一个所述电极对应的脑电信号。
16.根据本发明提供的自适应脑电信号闭环调控刺激器，所述低通滤波器包括：跨导gm电容c低通滤波器或电流分裂跨导gm低通滤波器。
17.根据本发明提供的自适应脑电信号闭环调控刺激器，所述刺激模块包括：局部逻辑控制电路、数模转换器、电流驱动器和电极选择开关阵列，其中：
18.所述局部逻辑控制电路连接所述数据分析与控制模块、所述数模转换器、所述电流驱动器和所述电极选择开关阵列，所述数模转换器连接所述电流驱动器，所述电流驱动器连接所述电极选择开关阵列，其中：
19.所述局部逻辑控制电路用于接收所述数据分析与控制模块生成的刺激参数控制信号，并确定电流极性控制信号、电流大小控制信号和电极选择控制信号，所述数模转换器用于基于所述电流大小控制信号调节输出至所述电流驱动器的刺激电流的大小，所述电流驱动器用于基于所述电流极性控制信号改变所述刺激电流的极性，所述电极选择开关阵列用于基于所述电极选择控制信号向确定的各所述电极输出刺激电流。
20.根据本发明提供的自适应脑电信号闭环调控刺激器，所述数模转换器包括电流型数模转换器，其中：
21.在匹配精度小于或等于预设阈值的情况下，所述电流型数模转换器包括二进制加权型电流阵列；
22.在匹配精度大于预设阈值的情况下，所述电流型数模转换器包括温度计码型电流阵列和二进制加权型电流阵列的组合结构。
23.根据本发明提供的自适应脑电信号闭环调控刺激器，所述采集模块还包括：模数转换单元，所述模数转换单元连接n选1模拟选择器和所述数据分析与控制模块，所述模数转换单元用于将所述n选1模拟选择器输出的模拟的脑电信号转换为数字的脑电信号。
24.本发明还提供一种自适应脑电信号闭环调控刺激芯片，包括如上述任一项所述的
自适应脑电信号闭环调控刺激器。
25.本发明还提供一种自适应脑电信号闭环调控刺激系统，包括如上述任一项所述的自适应脑电信号闭环调控刺激芯片。
26.本发明提供的自适应脑电信号闭环调控刺激器、芯片和系统，通过各电极采集脑电信号，并通过采集模块中的电压范围检测单元在电刺激后基于不同范围的脑电信号生成增益控制信号，以使放大器电路基于增益控制信号确定采集的脑电信号的放大倍数，在放大后的脑电信号经过数据分析与控制模块高效分析处理后，动态调整刺激参数控制信号，以使刺激模块基于刺激参数控制信号生成刺激电流，并通过电极进行电刺激，实现对不同脑电信号的迅速采集和动态范围调整，且降低刺激器的整体尺寸和功耗。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是本发明提供的自适应脑电信号闭环调控刺激器的连接示意图；
29.图2是本发明提供的电压范围检测单元的连接示意图；
30.图3是本发明提供的阈值电压比较器的电路示意图；
31.图4是本发明提供的放大器电路的电路示意图；
32.图5是本发明提供的可变电阻r2的电阻阵列示意图；
33.图6是本发明提供的电流分裂跨导gm低通滤波器的电路示意图；
34.图7是本发明提供的刺激模块的电路示意图；
35.图8是本发明提供的64通道自适应脑电信号闭环调控刺激器的示例连接示意图。
具体实施方式
36.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.为快速响应高动态范围的脑电信号，目前一般采用低增益的模拟前端放大器和高分辨率的模数转换器，模拟前端放大器的低增益避免了电刺激伪影带来的饱和问题，高分辨率的模数转换器可将高动态范围的脑电信号数字化后进行数字信号处理。对于低频率的脑电信号，低采样率的模数转换器通常采用逐次逼近型模数转化器和sigma delta型模数转化器，且信号范围较为固定。逐次逼近型模数转化器的面积和功耗较小，但高分辨率确存在精度较低的缺陷。sigma delta型模数转化器具有较高的精度，但过采样导致功耗过高。而脑电信号采集电路仅在电刺激之后信号范围才会变大，大多数情况下信号范围较小。若采用高动态范围的模数转换器，则需要16位以上的分辨率，导致需要传输的数据率增加，且随着采集的通道的增多，闭环调控刺激器的整体尺寸和功耗也成倍增加。
38.针对现有技术中闭环调控刺激器中的采集电路无法同时满足采集电路的动态范
围，以及考虑到闭环调控刺激器的整体尺寸和功耗的问题，本发明实施例提供一种自适应脑电信号闭环调控刺激器，图1是本发明提供的自适应脑电信号闭环调控刺激器的连接示意图，如图1所示，该自适应脑电信号闭环调控刺激器包括：至少两个电极和数据分析与控制模块，其中：
39.所述电极用于接收脑电信号或输出刺激电流，针对每个所述电极，所述电极的电极端口连接有采集模块和刺激模块，所述采集模块连接所述数据分析与控制模块，所述采集模块用于采集不同范围的脑电信号并输入所述数据分析与控制模块；
40.所述采集模块包括放大器电路和电压范围检测单元，所述电极端口连接所述放大器电路和所述电压范围检测单元，所述电压范围检测单元连接所述放大器电路，所述电压范围检测单元用于基于不同范围的脑电信号生成增益控制信号，所述放大器电路用于基于所述增益控制信号确定采集的脑电信号的放大倍数；
41.所述刺激模块连接所述数据分析与控制模块，所述数据分析与控制模块用于基于所述脑电信号生成刺激参数控制信号，所述刺激模块用于基于所述刺激参数控制信号生成刺激电流，并输出至各所述电极。
42.具体地，现有技术中闭环调控刺激器中的采集电路无法同时满足采集电路的动态范围，以及考虑到闭环调控刺激器的整体尺寸和功耗，因此，本发明实施例中，在各电极采集到脑电信号后，由采集模块中的电压范围检测单元根据不同脑电信号的范围来确定增益控制信号，使得放大器电路根据增益控制信号调节放大器电路对脑电信号的放大倍数，使得后续放大的脑电信号的摆幅可满足电压转换的动态范围，同时，通过放大器电路，进一步降低自适应脑电信号闭环调控刺激器的整体尺寸和功耗。在放大器电路对脑电信号进行滤波和放大后，将脑电信号传输至数据分析与控制模块进行处理分析，生成刺激参数控制信号，以使刺激模块基于刺激参数控制信号动态调整刺激电流，使得刺激电流通过选中的电极进行电刺激后，进一步提高电刺激效率，以提高患者疗效。
43.此外，电压范围检测单元仅在受到电刺激时才启动，其他时候该电压范围检测单元一直处于关闭状态，进一步降低采集模块的电路功耗。
44.可选地，图2是本发明提供的电压范围检测单元的连接示意图，如图2所示，所述电压范围检测单元包括：峰峰值检测电路和阈值电压比较器，其中：
45.所述峰峰值检测电路连接所述电极端口和所述阈值电压比较器，所述峰峰值检测电路用于确定所述电极端口接收的脑电信号对应的峰值电压，所述阈值电压比较器用于基于所述峰值电压和预设电压的比较结果，确定增益控制信号，并输出至所述放大器电路。
46.具体地，在收到电刺激时，电压范围检测单元启动，通过峰峰值检测电路提取不同脑电信号对应的峰值电压，以使阈值电压比较器将峰值电压与预设电压进行比较，并基于比较结果确定增益控制信号，以使放大器电路基于增益控制信号对不同脑电信号的放大倍数进行动态调整，即，基于不同的脑电信号，自动调整采集模块的动态范围。
47.可选地，图3是本发明提供的阈值电压比较器的电路示意图，如图3所示，阈值电压比较器包括：mos管m1、mos管m2、mos管m3、mos管m4、mos管m5、mos管m6、非门d1、非门d2和电流源i1，其中：
48.峰峰值检测电路的输出端连接mos管m2的栅极，用于输入峰值电压vpeak，mos管m2的源极和mos管m1的源极均连接电流源i1，mos管m2的漏极连接非门d2的输入端、mos管m5的
漏极、mos管m4的漏极和栅极，以及mos管m6的栅极，非门d2的输出端连接可变增益放大电路的输入端，mos管m1的栅极连接预设电压端，mos管m1的漏极连接非门d1的输入端、mos管m6的漏极、mos管m3的漏极和栅极，以及mos管m5的栅极，mos管m3的源极、mos管m6的源极、mos管m5的源极和mos管m4的源极均接地。
49.可选地，所述增益控制信号包括：二进制数0或二进制数1；
50.在所述增益控制信号包括二进制数0的情况下，所述放大器电路基于所述二进制数0确定的脑电信号的放大倍数大于1；
51.在所述增益控制信号包括二进制数1的情况下，所述放大器电路基于所述二进制数1确定的脑电信号的放大倍数小于1。
52.具体地，在峰峰值检测电路提取到电极端口接收的脑电信号中的峰值电压v
peak
后，通过阈值电压比较器，将峰值电压v
peak
和预设电压vref进行比较后，输出增益控制信号d
out
，该增益控制信号d
out
为二进制数，即，该增益控制信号d
out
为0或1，若峰值电压v
peak
低于预设电压vref时，增益控制信号d
out
为0，表明此时刺激电流产生的电压比较低，可通过可变增益放大电路将放大倍数设置为大于1的值。若峰值电压v
peak
高于预设电压vref时，增益控制信号d
out
为1，表明此时刺激电流产生的电压比较高，可通过可变增益放大电路将放大倍数设置为小于1的值。
53.需要说明的是，上述mos管m1和mos管m2均为pmos管，mos管m3、mos管m4、mos管m5和mos管m6均采用nmos管。上述非门d1的输出端也可作为阈值电压比较器的输出端。
54.可选地，如图1所示，所述放大器电路包括：固定增益放大器、低通滤波器和可变增益放大器，其中：
55.所述固定增益放大器的输入端连接所述电极端口，且所述固定增益放大器的输出端连接低通滤波器的输入端，所述固定增益放大器用于基于固定放大倍数对采集的脑电信号进行放大，所述低通滤波器用于对放大后的脑电信号进行滤波，所述可变增益放大器的输入端连接所述低通滤波器的输出端和所述阈值电压比较器的输出端，所述可变增益放大器的输出端连接n选1模拟选择器，所述可变增益放大器用于基于所述电压范围检测单元生成的增益控制信号，对滤波后的脑电信号进行放大，所述n选1模拟选择器用于输出任意一个所述电极对应的脑电信号。
56.具体地，为了降低电路面积和功耗，在放大器电路中，采用三级放大器结构，且固定增益放大器、低通滤波器和可变增益放大器依次连接，固定增益放大器以固定放大倍数对采集的脑电信号进行放大，低通滤波器对放大后的脑电信号进行滤波，实现较低的截至频率，可变增益放大器可基于电压范围检测单元生成的增益控制信号，对滤波后的脑电信号以可变的放大倍数进行再次放大，使得后续模数转换单元的输入电压的摆幅可满足电压转换的动态范围。
57.可选地，图4是本发明提供的放大器电路的电路示意图，如图4所示，放大器电路中，固定增益放大器可以采用电容耦合固定增益放大器，低通滤波器可以采用跨导gm电容c低通滤波器，可变增益放大器可以采用电阻反馈可变增益放大器，其中：
58.电容耦合固定增益放大器包括：运算放大器q1、两个电容cin、两个反馈电阻rf和两个电容cf，其中：两个电容cin分别连接运算放大器q1的同相输入端和反相输入端，其中一个电容cin输入连接的电极的脑电信号，另一个电容cin输入脑电参考信号，通过脑电信
号和脑电参考信号的耦合输入，两个电容cin抑制了对应电极产生的数百毫伏的直流失调电压。两个反馈电阻rf分别与一个电容cf并联连接，生成两组并联组，其中一组并联组的一端连接运算放大器q1的同相输入端，且另一端连接运算放大器q1的输出端，另外一组并联组的一端连接运算放大器q1的反相输入端，且另一端vcm端连接电阻反馈可变增益放大器中运算放大器q2的同相输入端，其中，vcm端的电压为电源电压的一半。其中，电容耦合固定增益放大器的中频带放大倍数am由cin/cf电容比值确定，高通滤波的低频截至频率fl由反馈电阻rf和电容cf确定，即，fl＝1/2πrfcf。
59.此外，上述反馈电阻rf是由两个工作在截至区的两个串联的pmos管mf等效的电阻确定的，提供了运算放大器q1的直流偏置电压，即，对于其中一个反馈电阻rf，两个pmos管mf的源极连接，其中一个pmos管mf的栅极连接该pmos管mf的漏极、电容cf的一端和运算放大器q1的同相输入端，另一个pmos管mf的栅极连接该pmos管mf的漏极、电容cf的另一端和运算放大器q1的输出端。对于另外一个反馈电阻rf，两个pmos管mf的源极连接，其中一个pmos管mf的栅极连接该pmos管mf的漏极、电容cf的一端和运算放大器q1的反相输入端，另一个pmos管mf的栅极连接该pmos管mf的漏极、电容cf的另一端和vcm端。
60.跨导gm电容c低通滤波器包括：运算放大器q
gm
和负载电容c1，运算放大器q
gm
的同相输入端作为跨导gm电容c低通滤波器的输入端，且连接电容耦合固定增益放大器中运算放大器q1的输出端，运算放大器q
gm
的反相输入端连接运算放大器q
gm
的输出端和负载电容c1的一端，负载电容c1的另一端接地，运算放大器q
gm
的输出端作为跨导gm电容c低通滤波器的输出端。其中，高频截至频率fh为gm/2πc，通过降低放大器偏置电流来降低输入对管的跨导gm值或者增大负载电容c1，以实现较低的截至频率。
61.电阻反馈可变增益放大器包括：运算放大器q2、可变电阻r1和电阻r2，运算放大器q2的同相输入端连接连接电容耦合固定增益放大器中的vcm端，运算放大器q2的反相输入端作为电阻反馈可变增益放大器的输入端，且通过电阻r1连接运算放大器q
gm
的输出端，即，运算放大器q2的反相输入端连接电阻r1的一端和可变电阻r2的一端，电阻r1的另一端连接运算放大器q
gm
的输出端，可变电阻r2的另一端连接运算放大器q2的输出端，且运算放大器q2的输出端作为电阻反馈可变增益放大器的输出端。其中，电路的放大倍数为-r2/r1。通过调节电路中的可变电阻r2的大小，从而调节该电阻反馈可变增益放大器中的放大倍数。
62.可选地，图5是本发明提供的可变电阻r2的电阻阵列示意图，如图5所示，可变电阻r2的开关阵列分为增益大于1和增益小于1的两部分，且通过开关kh和kl来选择的。而kh和kl的导通则是由电压检测电路的输出dout来控制，即，dout＝0，选择开关kh导通，此时可变增益放大器的增益大于1；dout＝1，选择开关kl导通，此时可变增益放大器的增益小于1。其中：
63.1)电阻rh1-电阻rhm，以及开关kh1-开关khm组成增益大于1的电阻阵列，电阻rh1-电阻rhm的阻值均大于电阻r1，通过开关kh1-开关khm的导通选择具体阻值，相应的，此时增益为-rhi/r1(i＝1,2,
…
，m)。
64.2)电阻rl1-电阻rlm，以及开关kl1-klm组成增益小于1的电阻阵列，电阻rl1-电阻rlm的阻值均小于电阻r1，通过开关kl1-开关kln的导通选择具体阻值，相应的，此时增益为-rli/r1(i＝1,2，
…
，n)。
65.可选地，所述低通滤波器包括：跨导gm电容c低通滤波器或电流分裂跨导gm低通滤
波器。
66.可选地，在植入式脑电信号的频率低于10khz的情况下，低通滤波器可采用跨导gm电容c低通滤波器。在非植入式脑电信号的频率低于100hz时，通过增大负载电容c1会增大电路面积，而通过降低跨导gm则又会影响低通滤波器的线性度，因此，低通滤波器可采用电流分裂跨导gm低通滤波器。在对称结构放大器的基础上，增加了连接成负反馈的两个串联的nmos管m15和nmos管m16，用以提高电路的线性度。
67.可选地，图6是本发明提供的电流分裂跨导gm低通滤波器的电路示意图，如图6所示，电流分裂跨导gm低通滤波器包括：mos管m7-mos管16和电流源iss，其中：
68.mos管m13的栅极连接mos管m13的漏极、mos管m14的栅极和mos管10的漏极，mos管m13的源极连接mos管m14的源极和电流源iss的一端，mos管m14的漏极连接mos管m12的漏极，且作为电流分裂跨导gm低通滤波器的输出端，电流源iss的另一端连接mos管m7的源极、mos管m8的源极和mos管m15的漏极，mos管m7和mos管m8作为两个输入差分对管，mos管m7的栅极作为电流分裂跨导gm低通滤波器的输入端，mos管m7的漏极连接mos管m15的栅极、mos管m9的漏极、mos管m9的栅极和mos管m10的栅极，mos管m8的栅极连接vip端，mos管m8的漏极连接mos管m16的栅极、mos管m11的漏极、mos管m11的栅极和mos管m12的栅极，mos管m15通过源极和mos管m16的漏极连接以实现mos管m15和mos管m16串联连接形成负反馈，mos管m9的源极、mos管m10的源极、mos管m16的源极、mos管m11的源极和mos管m12的源极均接地。
69.此外，电流分裂跨导gm低通滤波器在进行滤波时，当电流分裂跨导gm低通滤波器的输入信号变大后，第一级差分输出a点和b点的电压也随之升高，则流过mos管m15和mos管m16的电流增大，而电流源iss输出固定电流，使得流过两个输入差分对管mos管m7和mos管m8的偏置电流降低，反过来降低了a点和b点的电压，导致电流分裂跨导gm低通滤波器输出信号不会由于输入信号的增大而失真，即增大了电流分裂跨导gm低通滤波器的线性度。同时，串联的mos管m15和mos管m16进一步降低了两个输入差分对管mos管m7和mos管m8的电流，在同样的截至频率下需要更小电容，进而减小了电路面积。综上所述，电流分裂跨导gm低通滤波器可以更低的偏置电流和更小的负载电容，以更小的功耗和面积得到更低的截至频率，特别适于作为低于100hz的脑电信号的滤波电路。
70.需要说明的是，上述mos管m7、mos管m8、mos管m13和mos管m14均采用pmos管，mos管m9-mos管m12、mos管m15和mos管m16均采用nmos管。
71.可选地，图7是本发明提供的刺激模块的电路示意图，如图7所示，所述刺激模块包括：局部逻辑控制电路、数模转换器、电流驱动器和电极选择开关阵列，其中：
72.所述局部逻辑控制电路连接所述数据分析与控制模块、所述数模转换器、所述电流驱动器和所述电极选择开关阵列，所述数模转换器连接所述电流驱动器，所述电流驱动器连接所述电极选择开关阵列，其中：
73.所述局部逻辑控制电路用于接收所述数据分析与控制模块生成的刺激参数控制信号，并确定电流极性控制信号、电流大小控制信号和电极选择控制信号，所述数模转换器用于基于所述电流大小控制信号调节输出至所述电流驱动器的刺激电流的大小，所述电流驱动器用于基于所述电流极性控制信号改变所述刺激电流的极性，所述电极选择开关阵列用于基于所述电极选择控制信号向确定的各所述电极输出刺激电流。
74.具体地，刺激模块可采用恒定电流源的电刺激方式，在局部逻辑控制电路接收到
数据分析与控制模块发送的刺激参数控制信号后，根据刺激参数控制信号，通过数模转换器及时调节刺激电流的大小，并通过电流驱动器及时调节刺激电流的极性，并在确定刺激电流后，通过电极选择开关阵列实现将刺激电流输出至各电极，以及时调整电刺激的效率，进而提高患者的疗效。其中，多个电极可共用一个数模转换器和电流驱动器。
75.可选地，如图7所示，数模转换器可采用电流型数模转换器，电流型数模转换器可采用5位二进制加权方式的电流源阵列以调节输出电流大小，单个电流源控制阵列确保了电刺激期间的电荷平衡，也减少了电极和神经组织的损伤。电流型数模转换器可以包括：基准电流源、电流源i_ref、mos管m17-mos管m22、开关k0-开关k4，其中：
76.基准电流源的输出端连接电流源i_ref，电流源i_ref一端连接低电压供电电源vddl，电流源i_ref的另一端连接mos管m17的漏极、mos管m17的栅极-mos管m22的栅极，mos管m17的源极-mos管m22的源极均连接vssl端，该vssl端与vddl端为一套电源，且该vssl端表示低压供电电源的接地端，mos管m18的漏极连接开关k0的一端，mos管m19的漏极连接开关k1的一端，mos管m20的漏极连接开关k2的一端，mos管m21的漏极连接开关k3的一端，mos管m22的漏极连接开关k4的一端，开关k0的另一端-开关k4的另一端连接后，作为电流型数模转换器的输出端，且连接电流驱动器的输入端。上述mos管m17-mos管m22均采用nmos管。
77.可选地，如图7所示，电流驱动器包括：mos管m23、mos管m24、mos管m25、mos管md、mos管ms、开关k5和开关k6，其中：
78.mos管m23的栅极连接mos管m23的漏极、mos管m24的栅极和mos管md的栅极，且作为电流驱动器的输入端，mos管m23的源极连接mos管m24的源极、mos管md的源极和高电压供电电源vddh，mos管m24的漏极连接mos管m25的漏极、mos管m25的栅极和mos管ms的栅极，mos管m25的源极连接mos管ms的源极和vssh端，该vssh端与vddh端为一套电源，且该vssh端表示高压供电电源的负电源端，mos管md的漏极连接开关k5的一端，开关k5的另一端连接开关k6的一端，且作为电流驱动器的输出端，输出刺激电流，且连接电极选择开关阵列的输入端，开关k6的另一端连接mos管ms的漏极，局部逻辑控制电路可根据需要，按照一定时序依次打开或关闭电流驱动器中的开关k5和开关k6，即，按照一定时序依次打开或关闭电流驱动器中的mos管ms和mos管md。上述mos管m23、mos管m24和mos管md均采用pmos管，mos管m25和mos管ms均采用nmos管。
79.此外，上述电流驱动器采用高电压供电电源vddh，电流型数模转换器、局部逻辑控制电路和电极选择开关阵列均采用低电压供电电源vddl，降低了刺激模块的功耗。
80.可选地，所述数模转换器包括电流型数模转换器，其中：
81.在匹配精度小于或等于预设阈值的情况下，所述电流型数模转换器包括二进制加权型电流阵列；
82.在匹配精度大于预设阈值的情况下，所述电流型数模转换器包括温度计码型电流阵列和二进制加权型电流阵列的组合结构。
83.具体地，本发明实施例中，该自适应脑电信号闭环调控刺激器存在双向两个刺激电流输出，两个方向刺激电流的匹配精度即为电刺激的电流控制精度。在对匹配精度小于或等于预设阈值时，即对电刺激的电流控制精度要求较低，则上述电流型数模转换器可采用5位二进制加权方式的二进制加权型电流阵列来配置输出电流。在匹配精度大于预设阈值时，即对电刺激的电流控制精度要求较高时，一般需要8位电流型数模转换器，若仍采用8
位二进制控制方式来配置输出的刺激电流，对于二进制加权电流阵列的匹配要求很高。因此，本发明实施例中，对于更精细的电刺激应用时，对于8位电流型数模转换器，在不容易达到匹配度要求的高5位采用温度计码型电流阵列，低3位则采用二进制加权型电流阵列，其中，温度计码型电流阵列的匹配度要求较低，且具有较好的动态特性，在结合二进制加权型电流阵列后，在提高电流控制精度的同时，又减小了电路面积。
84.可选地，如图1所示，所述采集模块还包括：模数转换单元，所述模数转换单元连接n选1模拟选择器和所述数据分析与控制模块，所述模数转换单元用于将所述n选1模拟选择器输出的模拟的脑电信号转换为数字的脑电信号。
85.具体地，采集到的脑电信号属于模拟信号，为提高对脑电信号的调整效率和刺激效率，在对脑电信号进行放大和滤波后，在通过n选1模拟选择器选择其中一个脑电信号输出后，需通过模数转换器将模拟的脑电信号转换为数字的脑电信号。
86.示例地，图8是本发明提供的64通道自适应脑电信号闭环调控刺激器的示例连接示意图，如图8所示，共计从64个电极处获取脑电信号，64个电极采集到脑电信号后，输入至4个并行的16通道采集模块中，即，每16个电极共用一个采集模块，每个16通道采集模块包括：16个放大器电路、16个电压范围检测单元、16选1模拟选择器、输入驱动器和逐次逼近型模数转换器，每个电极连接一个放大器电路和一个电压范围检测单元，16通道采集模块中，16个电极采集得到脑电信号后，经过电压范围检测单元确定增益控制信号，并通过固定增益放大器、低通滤波器和由增益控制信号控制的可变增益放大器进行放大、滤波后，脑电信号输出至16选1模拟选择器，并由16选1模拟选择器选中其中一个通道的脑电信号，并将选中的该脑电信号通过输入驱动器传输至逐次逼近型模数转换器，由逐次逼近型模数转换器将模拟的脑电信号转换为数字的脑电信号。在确定数字的脑电信号后，通过4选1数字选择器将其中一个采集模块确定的目标数字脑电信号传输至数据分析与控制模块，生成刺激参数控制信号，并将刺激参数控制信号传输至16通道刺激模块，16通道刺激模块通过刺激参数控制信号，通过局部控制电路分别控制电流型数模转换器和电流驱动器得到可调的刺激电流，并通过电极选择开关阵列选择16通道刺激模块连接的其中一个电极进行电刺激。上述16通道刺激模块的数量为4个，即，4个并行的16通道刺激模块。
87.本发明提供的自适应脑电信号闭环调控刺激器，通过各电极采集脑电信号，并通过采集模块中的电压范围检测单元在电刺激后基于不同范围的脑电信号生成增益控制信号，以使放大器电路基于增益控制信号确定采集的脑电信号的放大倍数，在放大后的脑电信号经过数据分析与控制模块高效分析处理后，动态调整刺激参数控制信号，以使刺激模块基于刺激参数控制信号生成刺激电流，并通过电极进行电刺激，实现对不同脑电信号的迅速采集和动态范围调整，且降低刺激器的整体尺寸和功耗。
88.本发明还提供一种自适应脑电信号闭环调控刺激芯片，包括如上述任一项所述的自适应脑电信号闭环调控刺激器。
89.本发明实施例还提供一种自适应脑电信号闭环调控刺激系统，包括如上述任一项所述的自适应脑电信号闭环调控刺激芯片。该自适应脑电信号闭环调控刺激系统可应用于医疗器械。
90.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可
以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种自适应脑电信号闭环调控刺激器，其特征在于，包括：至少两个电极和数据分析与控制模块，其中：所述电极用于接收脑电信号或输出刺激电流，针对每个所述电极，所述电极的电极端口连接有采集模块和刺激模块，所述采集模块连接所述数据分析与控制模块，所述采集模块用于采集不同范围的脑电信号并输入所述数据分析与控制模块；所述采集模块包括放大器电路和电压范围检测单元，所述电极端口连接所述放大器电路和所述电压范围检测单元，所述电压范围检测单元连接所述放大器电路，所述电压范围检测单元用于基于不同范围的脑电信号生成增益控制信号，所述放大器电路用于基于所述增益控制信号确定采集的脑电信号的放大倍数；所述刺激模块连接所述数据分析与控制模块，所述数据分析与控制模块用于基于所述脑电信号生成刺激参数控制信号，所述刺激模块用于基于所述刺激参数控制信号生成刺激电流，并输出至各所述电极。2.根据权利要求1所述的自适应脑电信号闭环调控刺激器，其特征在于，所述电压范围检测单元包括：峰峰值检测电路和阈值电压比较器，其中：所述峰峰值检测电路连接所述电极端口和所述阈值电压比较器，所述峰峰值检测电路用于确定所述电极端口接收的脑电信号对应的峰值电压，所述阈值电压比较器用于基于所述峰值电压和预设电压的比较结果，确定增益控制信号，并输出至所述放大器电路。3.根据权利要求2所述的自适应脑电信号闭环调控刺激器，其特征在于，所述增益控制信号包括：二进制数0或二进制数1；在所述增益控制信号包括二进制数0的情况下，所述放大器电路基于所述二进制数0确定的脑电信号的放大倍数大于1；在所述增益控制信号包括二进制数1的情况下，所述放大器电路基于所述二进制数1确定的脑电信号的放大倍数小于1。4.根据权利要求2或3所述的自适应脑电信号闭环调控刺激器，其特征在于，所述放大器电路包括：固定增益放大器、低通滤波器和可变增益放大器，其中：所述固定增益放大器的输入端连接所述电极端口，且所述固定增益放大器的输出端连接低通滤波器的输入端，所述固定增益放大器用于基于固定放大倍数对采集的脑电信号进行放大，所述低通滤波器用于对放大后的脑电信号进行滤波，所述可变增益放大器的输入端连接所述低通滤波器的输出端和所述阈值电压比较器的输出端，所述可变增益放大器的输出端连接n选1模拟选择器，所述可变增益放大器用于基于所述电压范围检测单元生成的增益控制信号，对滤波后的脑电信号进行放大，所述n选1模拟选择器用于输出任意一个所述电极对应的脑电信号。5.根据权利要求4所述的自适应脑电信号闭环调控刺激器，其特征在于，所述低通滤波器包括：跨导gm电容c低通滤波器或电流分裂跨导gm低通滤波器。6.根据权利要求1-3任一项所述的自适应脑电信号闭环调控刺激器，其特征在于，所述刺激模块包括：局部逻辑控制电路、数模转换器、电流驱动器和电极选择开关阵列，其中：所述局部逻辑控制电路连接所述数据分析与控制模块、所述数模转换器、所述电流驱动器和所述电极选择开关阵列，所述数模转换器连接所述电流驱动器，所述电流驱动器连接所述电极选择开关阵列，其中：
所述局部逻辑控制电路用于接收所述数据分析与控制模块生成的刺激参数控制信号，并确定电流极性控制信号、电流大小控制信号和电极选择控制信号，所述数模转换器用于基于所述电流大小控制信号调节输出至所述电流驱动器的刺激电流的大小，所述电流驱动器用于基于所述电流极性控制信号改变所述刺激电流的极性，所述电极选择开关阵列用于基于所述电极选择控制信号向确定的各所述电极输出刺激电流。7.根据权利要求6所述的自适应脑电信号闭环调控刺激器，其特征在于，所述数模转换器包括电流型数模转换器，其中：在匹配精度小于或等于预设阈值的情况下，所述电流型数模转换器包括二进制加权型电流阵列；在匹配精度大于预设阈值的情况下，所述电流型数模转换器包括温度计码型电流阵列和二进制加权型电流阵列的组合结构。8.根据权利要求1-3任一项所述的自适应脑电信号闭环调控刺激器，其特征在于，所述采集模块还包括：模数转换单元，所述模数转换单元连接n选1模拟选择器和所述数据分析与控制模块，所述模数转换单元用于将所述n选1模拟选择器输出的模拟的脑电信号转换为数字的脑电信号。9.一种自适应脑电信号闭环调控刺激芯片，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的自适应脑电信号闭环调控刺激器。10.一种自适应脑电信号闭环调控刺激系统，其特征在于，包括如权利要求9所述的自适应脑电信号闭环调控刺激芯片。

技术总结
本发明提供一种自适应脑电信号闭环调控刺激器、芯片和系统，涉及医疗器械技术领域，所述刺激器包括：至少两个电极和数据分析与控制模块，其中：针对每个电极，电极的电极端口连接有采集模块和刺激模块，采集模块连接数据分析与控制模块；采集模块包括放大器电路和电压范围检测单元，电极端口连接放大器电路和电压范围检测单元，电压范围检测单元连接放大器电路，电压范围检测单元用于基于不同范围的脑电信号生成增益控制信号，放大器电路用于基于增益控制信号确定采集的脑电信号的放大倍数；刺激模块连接数据分析与控制模块。本发明可实现对不同脑电信号的动态范围调整，同时，减小刺激器的整体尺寸和功耗。激器的整体尺寸和功耗。激器的整体尺寸和功耗。


技术研发人员：陶小妍 张志伟
受保护的技术使用者：中国科学院自动化研究所
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/7/19