22、高时空分辨率有源像素传感器多电极阵列技术解析

高时空分辨率有源像素传感器多电极阵列技术解析

1. 技术背景与概述

在神经活动记录领域，由于连续流传输的限制以及场效应晶体管（FET）传感器定期校准的需求，每次记录阶段之间会间隔数秒。2011 年，相关人员报道了一种重新设计的芯片，该芯片提供 256 × 128 个双向 FET 记录/刺激位点，总有效面积为 2.28 × 1.14 平方毫米，并具备完整的片上数字接口。整个阵列可以 2.4 kHz 的速率进行采样，也可以通过选择部分记录位点以更高的采样率运行。

有源像素传感器多电极阵列平台（APS - MEA）于 2001 年被引入，它能够在体外同时从集成在几平方毫米大面积阵列上的 4096 个微电极进行记录，电极间距为几十微米。该有源电极阵列采用高度可扩展的电路架构实现，平台由一次性芯片、实时硬件单元和用于记录、可视化和分析采集信号的软件应用程序组成。

2. APS - MEA 系统架构及硬件组件

APS - MEA 的硬件架构主要由三个组件组成，具体如下：
|组件名称|详细描述|
| ---- | ---- |
|CMOS 集成电路（IC）|提供 4096 个电极，通过 16 个多路复用模拟通道（每个通道 256 个电极）进行读取|
|现场可编程门阵列（FPGA）板|包含 16 个模数转换器（ADC）模块、用于操作和寻址 CMOS 芯片以及对信号进行实时滤波的处理器单元，还有用于通过相机链路标准协议进行高速通信的串行器（数据速率约为 60 MB/s）|
|主机计算机|配备高速帧采集器和用于快速数据存储的硬盘，通过串行通信（UART）与 FPGA 通信，运行的软件可实现数据在线可视化、数据挖掘、分析和管理等