[发明专利]基于非线性能量运算的脑电峰电位检测电路及其构造方法

说明书

技术领域

本发明涉及可植入式脑神经信号峰电位检测集成化技术领域，具体涉及基于亚阈值区域非线性能量运算的脑电峰电位检测电路及其构造方法。

背景技术

植入式无线脑电获取通常采用多电极信号采集方法，由于同时得到多通道峰电位信号，所以可以完成交互性的检测和处理。然而，不同电极采集的信号往往包含周围电极的信息以及大量的背景噪音，每个通道的信号都需要经过后期处理以及A/D转化，因此大量的冗余信息使得系统的后期处理以及无线发射数据量增加。同时由于无线通信对传输的信号带宽有限制，所以需要对脑电信号进行峰值检测，以准确检测到电极采集的神经元的动作电位，排除其他神经元和噪音的干扰。

为了更好地检测出脑电信号峰电位，目前已有多种检测电路被提出，如区域窗口检测、小波变换应用、阈值比较检测、非线性能量检测等。区域窗口检测、小波变换应用其算法复杂度过高，不易于硬件集成化实现，无法完成微小体积下高速、低功耗的植入式脑机接口的需求。阈值比较检测虽然易于集成化实现，但精度低、误差大的缺点限制了其的使用。非线性能量算法(nonlinear energy operator，NEO)主要包括微分器、模拟乘法器两个模块，其在检测效率上有较大的优势，尤其是在对低信噪比信号的处理中，但是仍需在低功耗、低面积性能上做更大的改进。

对现有技术的研究过程中，本发明的发明人利用基于亚阈值区和电流模式电路设计了一种低功耗、低面积的非线性能量峰值检测电路，实现了对脑电信号峰电位的有效提取，同时更加符合了植入式脑机接口系统对功耗、面积的要求。

发明内容

本发明针对现有技术采用非线性能量算法(Nonlinear Energy Operator，简称NEO)检测脑电峰电位，如何进一步实现低功耗、低面积性能的问题，提供一种基于非线性能量运算的脑电峰电位检测电路及其设计方法，可以在极低的功耗和面积条件下，实现对脑电信号峰电位的有效检测。

一种基于非线性能量运算的脑电峰电位检测电路，包括：两个全差分微分放大器、两个四象限电流模式模拟乘法器和一个电流信号减法器。通过第一全差分微分放大器得到原输入脑电信号的一阶时域微分信号，一阶时域微分信号再通过第二全差分微分放大器得到原输入脑电信号的二阶时域微分信号，两路一阶时域微分信号通过第一四象限电流模式模拟乘法器得到其平方信号，一路原输入脑电信号和一路二阶时域微分信号通过第二四象限电流模式模拟乘法器得到其乘积信号，两个四象限电流模式乘法器的输出信号输入给电流信号减法器计算差值，输出脑电信号的峰电位。

所述的全差分微分放大器主要包括双端输出的对称差分放大电路、电容C和源极跟随器，用于对差分输入信号进行微分运算，并进一步差分输出送入乘法器的正负输入端。

所述的四象限电流模式模拟乘法器包含两个全差分跨导放大电路、两个跨导线性环和偏置电路部分，输入四象限电流模式模拟乘法器的两对差分输入信号由全差分跨导放大电路转化成电流信号，转换的电流信号经过采用工作在亚阈值区的MOS管组成的跨导线性环输出两对差分输入信号的乘积信号。

所述的电流信号减法电路包含五对镜像管，对两个四象限电流模式乘法器的输出信号求差，通过双端转单端输出电路输出脑电信号的峰电位。

本发明提供的一种基于非线性能量运算的脑电峰电位检测电路的构造方法，具体如下：

第一步，设置两个全差分微分放大器，原输入脑电信号通过第一个全差分微分放大器得到其一阶时域微分信号，一阶时域微分信号再通过第二个全差分微分放大器得到原输入脑电信号的二阶时域微分信号。

第二步，设置两个四象限电流模式模拟乘法器，将两路原输入脑电信号的一阶时域微分信号输入一个四象限电流模式模拟乘法器得到其平方信号，将一路原输入脑电信号与一路二阶时域微分信号输入一个四象限电流模式模拟乘法器得到其乘积信号；所述的四象限电流模式模拟乘法器中采用CMOS管构造跨导线性环，MOS管工作在亚值域区。

第三步，设置一个电流信号减法器，将通过两个四象限电流模式模拟乘法器得到的一阶时域微分信号的平方信号与原输入脑电信号与其二阶时域微分信号的乘积信号输入给所述的电流信号减法器，电流信号减法器通过对两路输入信号计算差值得到脑电信号的峰电位并输出。