生物神經(jīng)電極放大器系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

0 引言
    生物信號的表現(xiàn)形式具有多樣性，如：既有物理的聲、光、電、力等類的變化；又有化學(xué)的濃度、氣體分壓、PH值等的變化。其特點是信號微弱、非線性、高內(nèi)阻、干擾因素多等等，可反映生物體的生命活動狀態(tài)，因此，生物信號的采集與處理是生物科學(xué)研究的重要手段之一。
    而生物神經(jīng)電極放大器系統(tǒng)(以下簡稱為肌電檢測系統(tǒng))的應(yīng)用方向即為手術(shù)中對于病患腦部神經(jīng)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，雖然國內(nèi)外已有類似的儀器系統(tǒng)，但國內(nèi)的設(shè)計多數(shù)只局限于其中前置放大器的部分，而缺少系統(tǒng)性；而國外的系統(tǒng)則已經(jīng)比較成型，但價格昂貴，且信號的后續(xù)處理還未采用數(shù)字化。
    比較而言，本肌電檢測系統(tǒng)強調(diào)了系統(tǒng)性，構(gòu)成了一個完整的儀器，且采用了數(shù)字化的處理方法，對于系統(tǒng)將來的數(shù)字化改進(jìn)提供了空間。同時，系統(tǒng)的成本大概在 2000元左右，而國外的產(chǎn)品，如德國的Neurosign100，價格約為10萬元，成本大大降低。另外，由于是自主研發(fā)，所以擁有知識產(chǎn)權(quán)。

1 神經(jīng)／肌電信號簡介
    肌電檢測系統(tǒng)的應(yīng)用方向即為手術(shù)中對于病患腦部神經(jīng)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，所采用的方法如圖1所示。

    首先產(chǎn)生一個連續(xù)的類神經(jīng)信號作用于此神經(jīng)的一端，再于該神經(jīng)另一端所相連的肌肉上提取肌電信號進(jìn)行放大、濾波等各種處理，最后以LED及聲音的形式顯示出來，用于實時檢測該神經(jīng)是否在手術(shù)過程中被碰到。
    因此，對于所需要設(shè)計的放大器系統(tǒng)，需要生成一個類神經(jīng)電信號作為刺激信號，而所需放大處理的生物信號為肌電信號。[!--empirenews.page--]
    神經(jīng)信號和人體的其它生物信號有相同的一些特點，也有其獨具的一些特征。根據(jù)神經(jīng)生物學(xué)的研究，神經(jīng)信號是一種形似脈沖的電信號，頻率一般為1kHz左右，高的可達(dá)10kHz；且應(yīng)為脈沖寬度為0．2ms的脈沖電流，峰值為0．05mA～1mA，頻率有3Hz及30Hz兩種選擇。

2 電路的設(shè)計
    肌電檢測系統(tǒng)包括刺激電路、放大與濾波電路和顯示處理電路，而對于電極也進(jìn)行了設(shè)計，包括探針等，預(yù)期結(jié)果如圖2所示。

    圖2左邊為電信號激勵源部分，用來刺激神經(jīng)，可產(chǎn)生頻率3Hz和30Hz兩種電流脈沖，脈沖的寬度為0．2ms，峰值在0．05～5mA之間可調(diào)；右邊為信號部分，用來處理接收肌肉產(chǎn)生的電信號。信號處理及顯示提示部分的具體參數(shù)指標(biāo)如下：分為兩個通道，可以獨立顯示、提示收到的肌電信號的強度。用LED 燈顯示肌電信號的強度，范圍在30 μV～20mV之間；用蜂鳴器提示肌電信號的強度，音量可調(diào)。而接收肌電信號的電極有三個腳(V+)、(Vref)、(V-)，供接收及處理部分使用。
2．1 刺激電路
    由于要求輸出脈沖電流，有3Hz及30Hz兩種選擇，且脈沖寬度為0．2ms，而脈沖電流不易直接產(chǎn)生，所以首先由脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生電壓脈沖，頻率為3Hz和30Hz兩種，脈沖寬度為0．2ms。然后經(jīng)過V／I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電流脈沖，轉(zhuǎn)換電路中包含可調(diào)旋鈕，控制輸出脈沖的峰值在0．05～5mA之間。
2．2 前置處理盒電路
    來自探針的肌電信號先送入前置放大電路進(jìn)行電壓信號放大，然后再經(jīng)過高通濾波處理，濾除極化電壓及低頻噪聲，低頻截止頻率為5Hz(極化電壓是由探針的V+和V－兩腳插入肌肉的深度不同而產(chǎn)生的)。高通濾波后的電壓信號再經(jīng)過低通濾波，濾除高頻噪聲，高頻截止頻率為1kHz。低通濾波后的電壓信號再經(jīng)過工頻陷波，濾除50Hz工頻的電信號。至此，前置處理盒的處理過程完畢，處理后的電壓信號供后級信號處理及顯示提示電路使用。
2．3 信號處理及顯示提示電路
    前置處理盒輸出的電壓信號首先經(jīng)過二級放大電路放大到合適的幅值，然后驅(qū)動LED，顯示肌電信號的強度。同時，電壓信號經(jīng)放大處理后，送入揚聲器電路，用以聲音提示。
    除上述蔓部分主要電路外，要完成一個整體系統(tǒng)還需要有電源電路及各接口電路，其中由于各部分電路對于電源的要求不同，電源電路將分為激勵電路的電源、隔離器之前部分的正負(fù)15V電源、隔離器之后部分的正負(fù)15V電源、A／D部分的電源、LED的電源和揚聲器的電源五個部分。

3 電路的測試
    通過PCB制圖后，我們制作了實驗板。在此次實驗板的基礎(chǔ)上，我們做了多種測試，以檢驗所設(shè)計系統(tǒng)的性能。
3．1 刺激電路的測試
    (1)當(dāng)頻率選擇端置高電平時，555定時器的3腳輸出電壓波形為峰值約為4．16V，頻率約為3．1Hz的脈沖波；當(dāng)頻率選擇端置低電平時，輸出則為峰值約為4．16V，頻率約為30 Hz的脈沖波。證明了系統(tǒng)的脈沖電壓產(chǎn)生及頻率選擇的功能工作正常。
    (2)選擇頻率選擇端置低電平，且在刺激電路的輸出兩端外接一個1kΩ的負(fù)載電阻，同時檢測兩端的電壓，得波形如圖3所示。

    其峰值約為4．64V，頻率仍為30Hz左右，可得輸出的電流峰值約為4．64mA，且替換負(fù)載電阻為300 Ω，輸出波形頻率不變，而峰值約為1．39V，得電流峰值仍約為4．64mA，證明了電壓／電流轉(zhuǎn)換功能工作正常，當(dāng)脈沖電壓為高電平時，可輸出恒定電流。[!--empirenews.page--]
    (3)在負(fù)載電阻恒定的情況下，改變電壓／電流轉(zhuǎn)換電路中的可變電阻值，發(fā)現(xiàn)輸出波形的峰值隨之改變，由于在可變電阻之前，為限流接入了一個1k Ω的電阻，所以測定得輸出的最大電流值約為4．6mA，而最小值約為0．04mA，所以設(shè)計要求中的輸出電流值的選擇功能可由此可變電阻實現(xiàn)，同時其調(diào)整范圍則可由限流電阻、限流電阻及可變電阻相加的最大阻值限定?？偨Y(jié)可得激勵信號產(chǎn)生正常，有峰值恒定的脈沖電流。
3．2 放大電路的測試
    于前置盒的輸入端輸入頻率為100Hz，峰值分別為200 μV，500 μV和1 mV的正弦波，逐級測試輸出波形，得穩(wěn)定放大時，前置板的總放大倍數(shù)約為100。
3．3 揚聲器電路的測試
    當(dāng)頻率選擇端置高電平時，即選擇的為3 Hz，揚聲器電路的輸出波形被選擇性截斷，而當(dāng)頻率選擇端置低電平時，即選擇的為30Hz，則波形較為連續(xù)，所以兩種情況下所產(chǎn)生的音效不同；同時無論何種情況，改變揚聲器電路中的可變電阻可改變輸出波形的峰值，即可改變輸出的音量大小。
    總結(jié)得主板喇叭控制部分測試結(jié)果：
    1)可以通過開關(guān)選擇通道。
    2)可以根據(jù)激勵信號的工作頻率(3Hz／30Hz)控制輸出聲音的頻率。
    3)可以通過一個可調(diào)電阻調(diào)節(jié)輸出聲音的音量。
    4)可以隨著輸入信號的幅值增加而音量變高。
3．4 其它功能電路的測試
    (1)電源測試結(jié)果：電源工作正常，輸出正負(fù)15 V電源，使整個系統(tǒng)可以正常工作。
    (2)數(shù)碼管顯示電路測試結(jié)果：顯示正常。

4 總結(jié)與展望
    通過仿真及實際電路板的測試，可驗證系統(tǒng)的大體功能已經(jīng)完成，并運行性能較好，具體參數(shù)如下：
    1)產(chǎn)生了符合要求的，頻率為3Hz或30Hz的，脈沖寬度為0．2ms的脈沖電流，且電流峰值恒定，在0．04～4．6mA可調(diào)；
    2)系統(tǒng)的整體放大增益在960～100007之間；
    3)聲音提示隨著輸入信號的幅值增加而音量變高，可以通過開關(guān)選擇通道，且可以根據(jù)激勵信號的工作頻率(3Hz／30Hz)控制輸出聲音的頻率，而輸出聲音的音量可通過一個可調(diào)電阻調(diào)節(jié)。
    肌電檢測系統(tǒng)的醫(yī)療應(yīng)用前景廣泛，但由于將直接應(yīng)用于人體，所以各種性能要求嚴(yán)格。目前系統(tǒng)的設(shè)計和測試的主體工作已經(jīng)完成，且系統(tǒng)的運行性能也較為良好，但還有不少地方需要改進(jìn)，如刺激電路的檢測部分，工頻陷波電路功能不佳等多個問題還有待解決。
    除此之外，系統(tǒng)還具有廣泛的改善空間，例如：
    (1)電路結(jié)構(gòu)目前采用模擬電路，但其中某些模塊如脈沖源的產(chǎn)生及濾波電路等都可以采用數(shù)字化的設(shè)計，可使結(jié)構(gòu)更整體化；
    (2)系統(tǒng)現(xiàn)在的應(yīng)用方向還局限于對于手術(shù)的監(jiān)控，但由于其放大增益范圍較大，所以可通過未來對細(xì)節(jié)的不斷改進(jìn)，使應(yīng)用不斷擴展，如系統(tǒng)所采集信號的種類可以增多而應(yīng)用于不同生物體征的分析，而后端的顯示數(shù)據(jù)可以更復(fù)雜化，從而使系統(tǒng)可以應(yīng)用于對重癥病人的監(jiān)護等。
    因此，項目還需要投入更多的努力，直到使系統(tǒng)進(jìn)一步完善，以達(dá)到應(yīng)用于實際醫(yī)療的要求，這就是肌電檢測系統(tǒng)的發(fā)展前景。