传感器阵列、用于操作传感器阵列的方法和执行用于操作传感器阵列的方法的计算机程序技术

一种传感器阵列，包括用于提供探测信号的基部和多个模块化记录位点。多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点被配置为接收信号，将信号转换为数字传感器信号并将数字传感器信号提供给基部。基部被配置为从多个模块化记录位点接收多个数字传感器信号，并处理多个数字传感器信号以便提供探测信号。

Sensor array, method for manipulating sensor array, and computer program for executing method for operating sensor array

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】传感器阵列、用于操作传感器阵列的方法和执行用于操作传感器阵列的方法的计算机程序
根据本专利技术的实施例涉及诸如神经元探针的传感器阵列、用于操作传感器阵列的方法、以及执行用于操作传感器阵列的方法的计算机程序。
技术介绍
在传感器应用中，例如在生物医学测量技术中，经常必须接触体内的大量(超过100个)传感器信号并将该传感器信号传送到外部电子设备。对于神经元传感器尤其如此，其中分别将尽可能大的多个小传感器和电极附接到用于检测脑组织中的神经元信号的设备。信号被传送到可以处理和存储信号的计算机控制系统的外部。这样的神经元传感器系统应用于神经科学或通常在涉及脑活动研究的应用领域。通常，神经元针由多个电极和将信号传送到针顶端处的基部的导电迹线组成。为此，附接了电缆以将信号传送到外部信号处理设备。通常，信号处理由一系列前置放大器、滤波器和模数转换器组成。在无源针中，没有在针中安装有源读出电子设备，而电子设备则部分或完全集成在有源针的基部中。神经元信号可分为两种主要类型，幅度达几毫伏的低频信号(局部场电位)和幅度达几百毫伏的高频信号(动作电位)。由于振幅非常小，因此振幅也容易受到干扰源的影响，特别是当将信号传送到外部的导体的长度为几厘米时更是如此。由于寄生效应(例如线路电容)，不同的信号会在一根针上相互干扰，从而无法再识别原始源/电极(串扰)。通常必须将神经元针引入脑组织的要求导致了该应用的另一个重要方面：将外科手术引入脑组织期间的组织损伤最小化。因此，针头的横截面积必须尽可能小。到目前为止，对于针杆这已经成功地实现了，但到目前为止，所有已发布的神经元针都具有较大的基部，由于其尺寸，该基部无法嵌入脑组织。因此，最大引入深度限于针的长度。评估神经元信号的另一种方法是使用多电极阵列(MEA)。在这样的系统中，可以将脑切片放置在神经元传感器的二维阵列上，并且可以测量脑切片的神经元活动。通常，已经存在大量可用于所描述的应用的不同设计的神经元探针。可以基于电子集成度对所有已知系统进行分类。神经元评估系统可以分为三组。一组包括无电子设备的无源系统。这样的系统由电极和电导体组成，其中导体将信号从传感器引导到外部接口。存在多种不同的实现方式，主要是在柔性基板上。概述可以在[1]中找到。这些系统仅限于少量电极。另一组包括无源电子系统。在无源CMOS传感器系统中，没有实现有源评估电子设备，而仅实现了电子控制的开关，允许将特定的传感器元件(例如电极)与通向输出接触件的导体之一连接。评估电子设备位于系统外部。可以被同时读出的电极的数量受到基部上接触件数量的限制。论文[2]和[3]描述了神经元针，而论文[4]介绍了一种基于被动概念的二维MEA系统。第三组包括有源电子系统。在有源针中，部分评估电子设备集成在芯片中[5、6]。此处，信号链(例如信号放大器、模数转换、数字处理/接口)集成在基部中。与[2]和[3]相似，针杆本身包括电子控制的开关和前置放大器，它们将神经元信号从选定的电极传送到基部。然而，在[7]中描述了一种类似的有源MEA系统。除了用于选择传感器节点的开关以外，评估电路的一部分还集成在传感器阵列(滤波器和前置放大器)中。从模拟到数字的转换不合理范围之外。已知的解决方案显现出缺点。所有已知的解决方案都具有非常大的基部(在可感测区域之外的电子设备)，因此在神经元针的情况下，无法将其完全浸入组织中。另外，基部的尺寸需要侵入性外科手术。可以并行读出的传感器节点(例如电极)的数量分别取决于针杆宽度和可用区域，用于将模拟信号从电极传送到基部电子设备。为了将信号传送到外部，其他解决方案具有许多端子，因此难以处理。在无源针中，端子数量与可同时读出的电极数量成正比。已知的解决方案将敏感的神经元信号从传感器传送到基部。因此，它们对外部干扰源特别敏感，并且容易受到通道之间的串扰的影响。与无源系统相比，有源概念通过在原位(电极原位/下方)对信号进行预放大来提高信号完整性。所有已知的概念都不适合于同时读出任意数量的电极。此外，针杆中的导体仍引导模拟信号，该信号实际上被放大了，但对干扰并不完全不敏感。随着电极数量的增加，常规设备要么需要在探针基部连接大量互连件，要么只能同时读出较少数量的电极[8、3]。因此，期望获得一种在减小基部的尺寸、实现能够同时读出任意数量的传感器节点和复杂度之间进行更好地折衷的概念。
技术实现思路
本专利技术的发现是通过将要测量的模拟信号，特别是生物信号，例如生物医学信号，例如生化信号，以及更具体地可从神经元、肌肉、大脑或其他部位(例如耳朵和/或眼睛)获得的神经元信号，局部(即例如，在电极处)转换成数字传感器信号，可以获得数字传感器信号。因此，当在将数字传感器信号提供给基部之前，如果由多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点接收的生物信号在每个模块化记录位点中直接转换成数字传感器信号，效率则可更高并且降低了复杂度。因此，通过省略预放大、放大和滤波来减少读出电子设备的信号链(如本领域中所述)，并由生物信号(例如传感器信号)的直接局部模数转换代替。由于从多个模块化记录位点的每个模块化记录位点(例如沿着针杆)仅传送数字传感器信号(也分别传送数字数据)，而不传送敏感信号(例如模拟信号)到基部，在每个模块化记录位点(例如传感器)之间(几乎)测量不到串扰，并且相对于外部干扰源(例如光源或电磁场)具有很高的鲁棒性。因此，数字传感器信号对于失真是鲁棒的和/或可以与允许小的通信接口的多个其他信号组合。此外，尽管可能有大量的记录位点传送用于测量的传感器元件，但仍获得了小的基部。根据实施例的传感器阵列，例如神经元探针，可以通过保持高效率而以小尺寸的基部来实现，由此，通过将生物信号在多个模块化记录位点的每个模块化记录位点处局部转换成数字信号，可以降低复杂度。这种转换允许接触大量或甚至任意数量的模块化记录位点。根据本专利技术的实施例涉及一种传感器阵列，其包括被配置用于提供探测信号的基部。传感器阵列还包括多个模块化记录位点。多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点被配置为接收信号，用于将信号转换为数字传感器信号并将数字传感器信号提供给基部。基部被配置为从多个模块化记录位点接收多个数字传感器信号，并处理多个数字传感器信号以提供探测信号。多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点接收例如表示信号的生物信号。换句话说，根据实施例，该信号是生物信号。生物信号是模拟信号，因此从生物信号到数字传感器信号的转换是通过模数转换执行的。例如，这是通过在每个模块化记录位点中实现的模数转换器来实现的。来自多个模块化记录中的每个模块化记录位点的数字传感器信号例如由基部接收。因此，例如，基部不必像本领域中所述的有源传感器阵列那样包括模数转换器。因此，例如，由于与本领域中所述的传感器阵列的基部相比，所述基部需要更少的组件(例如分别用于所有记录位点和/或ADC(模数转换器)和/或滤波器和/或放大器的导体)，所以基部以较小的尺寸实现。多个模块化记录位点中的每个模块化记录位点将生物信号直接转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，960，1100，1300)包括：/n基部(110，210，330，966，1310)，用于提供探测信号(112)；/n多个(120，220)模块化记录位点(122

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180209 DE 102018202073.61.一种传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，960，1100，1300)包括：
基部(110，210，330，966，1310)，用于提供探测信号(112)；
多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的每个模块化记录位点(1221至122n，122e；2241到224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)被配置为：接收信号(1321至132n，130)，将所述信号(1321至132n，130)转换为数字传感器信号(1341至134n)，并将所述数字信号传感器信号(1341至134n)提供给所述基部(110，210，330，966，1310)，
其中，所述基部(110，210，330，966，1310)被配置为：从所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)接收多个数字传感器信号(1341至134n)，并处理所述多个数字传感器信号(1341至134n)以提供所述探测信号(112)。


2.根据权利要求1所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述信号(1321至132n，130)是生物信号。


3.根据权利要求1或2所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的每个模块化记录位点(1221至122n，122e；2241到224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)包括通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)，所述通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)被配置为从所述基部(110，210，330，966，1310)接收配置数据，其中，所述模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)被配置为基于接收到的配置数据来适配与所述模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的操作有关的参数。


4.根据权利要求1至3中的一项所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的每个模块化记录位点(1221至122n，122e；2241到224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)被配置为使用所述模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)将所述数字传感器信号(1341至134n)提供给所述基部(110，210，330，966，1310)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)彼此串联连接并且连接到所述基部(110，210，330，966，1310)。


5.根据权利要求3至4中的一项所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的每个模块化记录位点(1221至122n，122e；2241到224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)包括通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)，其中，所述通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)包括串行接口，
其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)彼此连接成串行通信链，所述串行通信链包括从所述基部(110，210，330，966，1310)到所述传感器阵列的传感器阵列端点(230，310)的向前路径(352)、和从所述传感器阵列端点(230，310)到所述基部(110，210，330，966，1310)的后向路径(354)，其中，对于由第一模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)和相邻的第二模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)构成的每个对，所述第一模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)连接到所述前向路径(352)，并且所述第二模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)连接到所述后向路径(354)。


6.根据权利要求3至5中的一项所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述基部(110，210，330，966，1310)被配置为从所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)接收组合的传感器信号，所述组合的传感器信号包括所述模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的每个模块化记录位点的数字传感器信号(1341至134n)。


7.根据权利要求1至6中的一项所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的每个模块化记录位点(1221至122n，122e；2241到224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)包括通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的通信接口(2281至228n，3281至328n，440，460，550)彼此并联连接并连接到所述基部(110，210，330，966，1310)。


8.根据权利要求1至7中的一项所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的每个模块化记录位点(1221至122n，122e；2241到224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)包括Δ-∑模数转换器(2261至226n)。


9.根据权利要求1至8中的一项所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的每个模块化记录位点(1221至122n，122e；2241到224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)包括被配置为将所述信号(1321至132n，130)直接转换为所述数字传感器信号(1341至134n)的积分器(3241至324n，420，510，921)和量化器(3251至325n，430，520，928)。


10.根据权利要求1至9中的一项所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的每个模块化记录位点(1221至122n，122e；2241到224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)被配置为独立于相邻的模块化记录位点(1221至122n，122e；2241到224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)将所述信号(1321至132n，130)转换为所述数字传感器信号(1341至134n)。


11.根据权利要求1至10中的一项所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)中的一个模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)包括至少一个传感器元件(2221至222n，3221至322n，410，511，964)，所述至少一个传感器元件被配置为检测信号(1321至132n，130)。


12.根据权利要求1至11中的一项所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)沿轴向方向布置并沿所述轴向方向形成阵列；
其中，所述基部(110，210，330，966，1310)沿与所述轴向方向垂直的第一垂直方向的延伸最多是所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)沿所述第一垂直方向的延伸；以及
其中，所述基部(110，210，330，966，1310)沿与所述轴向方向垂直的第二垂直方向的延伸最多是所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)沿所述第二垂直方向的延伸。


13.根据权利要求1至12中的一项所述的传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)，其中，所述多个(120，220)模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)在与所述传感器阵列(100，200，300，700，800，940，950，1100，1300)的轴向延伸垂直的平面中的横截面与模块化记录位点(1221至122n，122e；2241至224n；3201至320n；3211至3213；400；500，514；900)的数量无关。

【专利技术属性】
技术研发人员：扬诺斯·马诺利，丹尼尔·德多里戈，克里斯蒂安·莫兰兹，哈根·格兰夫，
申请(专利权)人：阿尔伯特路德维希弗莱堡大学，
类型：发明
国别省市：德国;DE