[发明专利]一种数字化频域近红外脑功能采集电路

说明书

一种数字化频域近红外脑功能采集电路，包括：混频前置的模拟前端电路，用于将光电流降频并转为电压信号；幅度数字转换电路，其输入端与所述的模拟前端电路的输出端相连，用于数字化模拟前端输出信号的幅度信息；和相位数字转换电路，其输入端与所述的模拟前端电路的输出端相连，用于数字化模拟前端输出信号的相位信息。本发明功耗混频前置模拟前端电路增益高达141dBΩ，采用Σ‑△架构相位检测器实现了0.0096°相位量化噪声，总功耗仅为6.8毫瓦，实现了一款可以在10.01024低载波频率工作的FD‑NIRS读出芯片。

技术领域

本发明属于可穿戴脑机接口技术领域，具体涉及一种数字化频域近红外脑功能采集电路。

背景技术

近红外光谱(NIRS)的光学成像技术是一种监测人类大脑皮层血流动力学的非侵入性、非电离的神经成像技术，已广泛应用于功能脑成像和脑机接口。虽然可以使用许多成像方式，如正电子发射断层扫描(PET)、脑电图(EEG)、脑磁图(MEG)、磁共振成像(MRI)和超声，但基于NIRS的光学成像技术可以用来提供皮层的功能信息，而无需使用额外的有害辐射、放射性物质或笨重的仪器。因此，NIRS可以实现在不受任何环境限制下的脑成像，这在许多可穿戴应用中是至关重要的。

连续波(CW)、频域(FD)和时域(TD)是近红外光谱的三种不同形式。CW-NIRS十分常用，因为其实现简单，即向大脑中射入恒定强度的光，检测出射光的幅度变化，得到吸收系数的相对变化。由于光源不需要调制，且读出电路的带宽只需要覆盖超低频，CW-NIRS的功耗只有微瓦级。然而，CW-NIRS只测量组织中的光幅度的衰减，这导致它对在大脑中光子飞行的时间所反映的神经活动的信息不敏感。因此，CW-NIRS不能将吸收与散射效应分离，也不能检测吸收系数或衰减散射系数的绝对值，这限制了在不同时间或不同受试者之间定量比较测量结果的能力。此外，神经影像学的许多应用关注血红蛋白浓度的基线值和绝对值的变化。从这个角度来看，FD-NIRS是CW-NIRS的升级技术。FD-NIRS调节光源频率到兆赫兹，并检测幅度和相位，因此可以检测吸收系数和衰减散射系数的绝对值。由于FD-NIRS光源调制在高频，低频的环境光可以被电路过滤，这是一个很大的优势相比于CW-NIRS或TD-NIRS技术，因为这使得FD-NIRS适用于在非防光环境中的可穿戴应用中。此外，与只有幅度信息的CW-NIRS相比，具有相位信息的FD-NIRS具有更高的深层灵敏度和空间分辨率。NIRS第三种方式是TD-NIRS，它使用脉冲光源发射持续时间为几十皮秒的光脉冲，探测仪器的时间分辨率在亚纳秒级。虽然TD-NIRS比FD-NIRS和CW-NIRS可以测量大脑更深组织的信息，但由于体积庞大的皮秒激光驱动器，TD-NIRS不可穿戴。因此，本发明采用FD-NIRS技术路线。

然而，对于现在先进的FD-NIRS芯片，存在前端芯片功耗大，片外相位数字转换器能效低，片外幅度数字转换器功耗大，载波频率大造成驱动功耗大，集成度低的问题。

1、前端芯片功耗大问题：Y.Miao and V.J.Koomson,“A CMOS-BasedBidirectional Brain Machine Interface System With Integrated fdNIRS and tDCSfor Closed-Loop Brain Stimulation,”IEEE Transactions on Biomedical Circuitsand Systems,vol.12,no.3,pp.554–563,2018.中采用的模拟前端存在功耗大的问题，原因在于高频光电流首先由跨阻抗放大器放大转为电压信号后，滤波器滤波，然后用混频器外差降低频率，放大延时。高带宽的跨阻放大器和滤波器功耗巨大，约为30毫瓦。