[发明专利]用于细胞生化信号检测和调控的多功能电极阵列系统

权利要求书

1.一种用于细胞生化信号检测和调控的多功能电极阵列系统，其特征在于，包括N×N阵列模块(1)、TDC计数模块(2)、阵列供电LDO模块(3)、电刺激发生器(4)、行列选择控制模块(5)、有限状态机和数字控制逻辑模块(6)；

所述的N×N阵列模块(1)，由N×N个像素单元组合而成，用于与神经细胞接触，并将采集到的模拟信号转为脉冲宽度调制信号(PWM波)；

所述的TDC计数模块(2)，用于将阵列中的脉冲宽度调制信号(PWM波)转换为数字信号，并传输至有限状态机和数字控制逻辑模块(6)；

所述的阵列供电LDO模块(3)，用于给所述的N×N阵列模块(1)的供电；

所述的电刺激发生器(4)，用于给所述的N×N阵列模块(1)中产生的电信号的刺激，并通过所述的行列选择控制模块(5)，选择性打开像素刺激的开关，进行单个点位的刺激；

所述的行列选择控制模块(5)，用于调控所述的N×N阵列模块(1)的工作次序和单个像素的工作状态；

所述的有限状态机和数字控制逻辑模块(6)，用于接收外部PC控制信号，并根据指令内容，控制N×N阵列模块(1)的工作状态，完成系统中的各个校准，将TDC计数模块(2)发出的并行数字信号转换为串行信号，输出至外部PC；

所述的N×N阵列模块(1)由N×N个像素单元组合而成，每个像素单元包括一个电学信号检测单元(7)、三个化学信号检测单元(8)、一个补偿单元(9)、一个光学检测单元(10)和一个刺激单元(11)；

所述的电学信号检测单元(7)通过电极采集到电信号，作为放大器的输入，前端放大器将电学信号放大，与三角波进行比较，在比较器的输出端将电学信号的大小转为为方波的脉冲宽度；所述的化学信号检测单元(8)通过使用三种不同的化学敏感膜，将化学离子浓度转化成MOS管的栅极电压，将该电压读出之后进行比较，同样转换为方波的脉冲宽度；所述的补偿单元(9)，采用干扰补偿电路，将化学信号检测单元中的电学干扰消除；所述的光学检测单元(10)采用光敏二极管检测光的强度，将光强转化为电信号，经过读出电路和比较器，转换为方波的脉冲宽度；所述的刺激单元(11)使用电刺激，将电学刺激信号通过电极输出至神经细胞，实现对神经细胞的定点刺激。

2.根据权利要求1所述的一种用于细胞生化信号检测和调控的多功能电极阵列系统，其特征在于，所述的TDC计数模块(2)包括粗计数部分、精计数部分、异步控制逻辑部分和热码转二进制部分；

所述的粗计数部分为异步数字计数器，计数脉冲为高时的时钟数，并将脉冲宽度转换成高位数字信号输出，

所述的精计数部分为延迟线，在不改变时钟频率的其情况下，将脉冲的边沿和时钟的边沿时间差读取出来，生成热码；

所述的热码转二进制部分，将热码转换成二进制数，作为低位数字信号输出；

所述的异步控制逻辑部分，用于控制精计数的开始、结束和符号位。

3.根据权利要求1所述的一种用于细胞生化信号检测和调控的多功能电极阵列系统，其特征在于，所述的电刺激发生器(4)接收有限状态机和数字控制逻辑模块(6)发出的指令，生成相应的刺激波形。

4.根据权利要求1所述的一种用于细胞生化信号检测和调控的多功能电极阵列系统，其特征在于，所述的行列选择控制模块(5)在信号读取方面，行列选择控制模块控制整行像素单元时分复用，轮流向总线发出信号；在刺激选择方面，行列选择控制模块根据数字系统给出的地址位，对单个像素内的刺激单元进行调控，控制开启或关断，实现单个点位的刺激；在边缘检测回路中，行列选择控制模块可以根据数字系统保存的地址位，关断指定位置的像素单元，节约阵列和TDC的功耗。

5.根据权利要求1所述的一种用于细胞生化信号检测和调控的多功能电极阵列系统，其特征在于，所述的有限状态机和数字控制逻辑模块(6)包括边缘检测单元(12)，位置记录单元(13)，存储数据精简单元(14)，控制信号生成单元(15)；回路的工作时，阵列内的光学传感单元将光的强度通过信号流传递至边缘检测单元(12)，边缘检测单元(12)检测不同像素单元之间的光强度大小，判断哪些模块位于神经细胞下方，从而确定神经细胞的边缘位置，并将位置信息记录在位置记录单元(13)，存储数据精简单元(14)根据位置记录单元(13)中所记录的地址位，删除存储器的指定位置数据，并且停止记录，控制信号生成单元(15)根据位置记录单元(13)中所记录的地址位，关闭未处于细胞下方的像素单元；在完成边缘检测之后，将地址位发送至PC端，使神经细胞边缘显示出来，控制刺激单元直接刺激神经细胞。