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1 引言 生物信號的表現形式具有多樣性，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、高內阻、干擾因素多等等，可反映生物體的生命活動狀態，因此，生物信號的采集與處理是生物科學研究的重要手段之一。 而生物神經電極放大器系統(以下簡稱為肌電檢測系統)的應用方向即為手術中對于病患腦部神經區域進行監測，雖然國內外已有類似的儀器系統，但國內的設計多數只局限于其中前置放大器的部分，而缺少系統性；而國外的系統則已經比較成型，但價格昂貴，且信號的后續處理還未采用數字化。 比較而言，本肌電檢測系統強調了系統性，構成了一個完整的儀器，且采用了數字化的處理方法，對于系統將來的數字化改進提供了空間。同時，系統的成本大概在 2000元左右，而國外的產品，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，所以擁有知識產權。 2 神經／肌電信號簡介 肌電檢測系統的應用方向即為手術中對于病患腦部神經區域進行監測，所采用的方法如圖1所示。 首先產生一個連續的類神經信號作用于此神經的一端，再于該神經另一端所相連的肌肉上提取肌電信號進行放大、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是否在手術過程中被碰到。 因此，對于所需要設計的放大器系統，需要生成一個類神經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。 神經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。根據神經生物學的研究，神經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10kHz；且應為脈沖寬度為0．2ms的脈沖電流，峰值為0．05mA～1mA，頻率有3Hz及30Hz兩種選擇。 3 電路的設計 肌電檢測系統包括刺激電路、放大與濾波電路和顯示處理電路，而對于電極也進行了設計，包括探針等，預期結果如圖2所示。 圖2左邊為電信號激勵源部分，用來刺激神經，可產生頻率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；右邊為信號部分，用來處理接收肌肉產生的電信號。信號處理及顯示提示部分的具體參數指標如下：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。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。 3．1 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生，所以首先由脈沖產生電路產生電壓脈沖，頻率為3Hz和30Hz兩種，脈沖寬度為0．2ms。然后經過V／I轉換電路轉換成電流脈沖，轉換電路中包含可調旋鈕，控制輸出脈沖的峰值在0．05～5mA之間。 3．2 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行電壓信號放大，然后再經過高通濾波處理，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生的)。高通濾波后的電壓信號再經過低通濾波，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。 3．3 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過二級放大電路放大到合適的幅值，然后驅動LED，顯示肌電信號的強度。同時，電壓信號經放大處理后，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15V電源、隔離器之后部分的正負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。 4 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上，我們做了多種測試，以檢驗所設計系統的性能。 4．1 刺激電路的測試 (1)當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。證明了系統的脈沖電壓產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／電流轉換功能工作正常，當脈沖電壓為高電平時，可輸出恒定電流。 (3)在負載電阻恒定的情況下，改變電壓／電流轉換電路中的可變電阻值，發現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，所以設計要求中的輸出電流值的選擇功能可由此可變電阻實現，同時其調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。總結可得激勵信號產生正常，有峰值恒定的脈沖電流。 4．2 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，得穩定放大時，前置板的總放大倍數約為100。 4．3 揚聲器電路的測試 當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，而當頻率選擇端置低電平時，即選擇的為30Hz，則波形較為連續，所以兩種情況下所產生的音效不同；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。 總結得主板喇叭控制部分測試結果： 1)可以通過開關選擇通道。 2)可以根據激勵信號的工作頻率(3Hz／30Hz)控制輸出聲音的頻率。 3)可以通過一個可調電阻調節輸出聲音的音量。 4)可以隨著輸入信號的幅值增加而音量變高。 4．4 其它功能電路的測試 (1)電源測試結果：電源工作正常，輸出正負15 V電源，使整個系統可以正常工作。 (2)數碼管顯示電路測試結果：顯示正常。 5 總結與展望 通過仿真及實際電路板的測試，可驗證系統的大體功能已經完成，并運行性能較好，具體參數如下： 1)產生了符合要求的，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； 2)系統的整體放大增益在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，可以通過開關選擇通道，且可以根據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電阻調節。 肌電檢測系統的醫療應用前景廣泛，但由于將直接應用于人體，所以各種性能要求嚴格。目前系統的設計和測試的主體工作已經完成，且系統的運行性能也較為良好，但還有不少地方需要改進，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，系統還具有廣泛的改善空間，例如： (1)電路結構目前采用模擬電路，但其中某些模塊如脈沖源的產生及濾波電路等都可以采用數字化的設計，可使結構更整體化； (2)系統現在的應用方向還局限于對于手術的監控，但由于其放大增益范圍較大，所以可通過未來對細節的不斷改進，使應用不斷擴展，如系統所采集信號的種類可以增多而應用于不同生物體征的分析，而后端的顯示數據可以更復雜化，從而使系統可以應用于對重癥病人的監護等。 因此，項目還需要投入更多的努力，直到使系統進一步完善，以達到應用于實際醫療的要求，這就是肌電檢測系統的發展前景。 |
