生物神经电极放大器系统的设计与实现

0 引言
    生物信号的表现形式具有多样性，如：既有物理的声、光、电、力等类的变化；又有化学的浓度、气体分压、PH值等的变化。其特点是信号微弱、非线性、高内阻、干扰因素多等等，可反映生物体的生命活动状态，因此，生物信号的采集与处理是生物科学研究的重要手段之一。
    而生物神经电极放大器系统(以下简称为肌电检测系统)的应用方向即为手术中对于病患脑部神经区域进行监测，虽然国内外已有类似的仪器系统，但国内的设计多数只局限于其中前置放大器的部分，而缺少系统性；而国外的系统则已经比较成型，但价格昂贵，且信号的后续处理还未采用数字化。
    比较而言，本肌电检测系统强调了系统性，构成了一个完整的仪器，且采用了数字化的处理方法，对于系统将来的数字化改进提供了空间。同时，系统的成本大概在 2000元左右，而国外的产品，如德国的Neurosign100，价格约为10万元，成本大大降低。另外，由于是自主研发，所以拥有知识产权。

1 神经／肌电信号简介
    肌电检测系统的应用方向即为手术中对于病患脑部神经区域进行监测，所采用的方法如图1所示。

    首先产生一个连续的类神经信号作用于此神经的一端，再于该神经另一端所相连的肌肉上提取肌电信号进行放大、滤波等各种处理，最后以LED及声音的形式显示出来，用于实时检测该神经是否在手术过程中被碰到。
    因此，对于所需要设计的放大器系统，需要生成一个类神经电信号作为刺激信号，而所需放大处理的生物信号为肌电信号。
    神经信号和人体的其它生物信号有相同的一些特点，也有其独具的一些特征。根据神经生物学的研究，神经信号是一种形似脉冲的电信号，频率一般为1kHz左右，高的可达10kHz；且应为脉冲宽度为0．2ms的脉冲电流，峰值为0．05mA～1mA，频率有3Hz及30Hz两种选择。

2 电路的设计
    肌电检测系统包括刺激电路、放大与滤波电路和显示处理电路，而对于电极也进行了设计，包括探针等，预期结果如图2所示。

    图2左边为电信号激励源部分，用来刺激神经，可产生频率3Hz和30Hz两种电流脉冲，脉冲的宽度为0．2ms，峰值在0．05～5mA之间可调；右边为信号部分，用来处理接收肌肉产生的电信号。信号处理及显示提示部分的具体参数指标如下：分为两个通道，可以独立显示、提示收到的肌电信号的强度。用LED 灯显示肌电信号的强度，范围在30 μV～20mV之间；用蜂鸣器提示肌电信号的强度，音量可调。而接收肌电信号的电极有三个脚(V+)、(Vref)、(V-)，供接收及处理部分使用。
2．1 刺激电路
    由于要求输出脉冲电流，有3Hz及30Hz两种选择，且脉冲宽度为0．2ms，而脉冲电流不易直接产生，所以首先由脉冲产生电路产生电压脉冲，频率为3Hz和30Hz两种，脉冲宽度为0．2ms。然后经过V／I转换电路转换成电流脉冲，转换电路中包含可调旋钮，控制输出脉冲的峰值在0．05～5mA之间。
2．2 前置处理盒电路
    来自探针的肌电信号先送入前置放大电路进行电压信号放大，然后再经过高通滤波处理，滤除极化电压及低频噪声，低频截止频率为5Hz(极化电压是由探针的V+和V－两脚插入肌肉的深度不同而产生的)。高通滤波后的电压信号再经过低通滤波，滤除高频噪声，高频截止频率为1kHz。低通滤波后的电压信号再经过工频陷波，滤除50Hz工频的电信号。至此，前置处理盒的处理过程完毕，处理后的电压信号供后级信号处理及显示提示电路使用。
2．3 信号处理及显示提示电路
    前置处理盒输出的电压信号首先经过二级放大电路放大到合适的幅值，然后驱动LED，显示肌电信号的强度。同时，电压信号经放大处理后，送入扬声器电路，用以声音提示。
    除上述蔓部分主要电路外，要完成一个整体系统还需要有电源电路及各接口电路，其中由于各部分电路对于电源的要求不同，电源电路将分为激励电路的电源、隔离器之前部分的正负15V电源、隔离器之后部分的正负15V电源、A／D部分的电源、LED的电源和扬声器的电源五个部分。

3 电路的测试
    通过PCB制图后，我们制作了实验板。在此次实验板的基础上，我们做了多种测试，以检验所设计系统的性能。
3．1 刺激电路的测试
    (1)当频率选择端置高电平时，555定时器的3脚输出电压波形为峰值约为4．16V，频率约为3．1Hz的脉冲波；当频率选择端置低电平时，输出则为峰值约为4．16V，频率约为30 Hz的脉冲波。证明了系统的脉冲电压产生及频率选择的功能工作正常。
    (2)选择频率选择端置低电平，且在刺激电路的输出两端外接一个1kΩ的负载电阻，同时检测两端的电压，得波形如图3所示。

    其峰值约为4．64V，频率仍为30Hz左右，可得输出的电流峰值约为4．64mA，且替换负载电阻为300 Ω，输出波形频率不变，而峰值约为1．39V，得电流峰值仍约为4．64mA，证明了电压／电流转换功能工作正常，当脉冲电压为高电平时，可输出恒定电流。
    (3)在负载电阻恒定的情况下，改变电压／电流转换电路中的可变电阻值，发现输出波形的峰值随之改变，由于在可变电阻之前，为限流接入了一个1k Ω的电阻，所以测定得输出的最大电流值约为4．6mA，而最小值约为0．04mA，所以设计要求中的输出电流值的选择功能可由此可变电阻实现，同时其调整范围则可由限流电阻、限流电阻及可变电阻相加的最大阻值限定。总结可得激励信号产生正常，有峰值恒定的脉冲电流。
3．2 放大电路的测试
    于前置盒的输入端输入频率为100Hz，峰值分别为200 μV，500 μV和1 mV的正弦波，逐级测试输出波形，得稳定放大时，前置板的总放大倍数约为100。
3．3 扬声器电路的测试
    当频率选择端置高电平时，即选择的为3 Hz，扬声器电路的输出波形被选择性截断，而当频率选择端置低电平时，即选择的为30Hz，则波形较为连续，所以两种情况下所产生的音效不同；同时无论何种情况，改变扬声器电路中的可变电阻可改变输出波形的峰值，即可改变输出的音量大小。
    总结得主板喇叭控制部分测试结果：
    1)可以通过开关选择通道。
    2)可以根据激励信号的工作频率(3Hz／30Hz)控制输出声音的频率。
    3)可以通过一个可调电阻调节输出声音的音量。
    4)可以随着输入信号的幅值增加而音量变高。
3．4 其它功能电路的测试
    (1)电源测试结果：电源工作正常，输出正负15 V电源，使整个系统可以正常工作。
    (2)数码管显示电路测试结果：显示正常。

4 总结与展望
    通过仿真及实际电路板的测试，可验证系统的大体功能已经完成，并运行性能较好，具体参数如下：
    1)产生了符合要求的，频率为3Hz或30Hz的，脉冲宽度为0．2ms的脉冲电流，且电流峰值恒定，在0．04～4．6mA可调；
    2)系统的整体放大增益在960～100007之间；
    3)声音提示随着输入信号的幅值增加而音量变高，可以通过开关选择通道，且可以根据激励信号的工作频率(3Hz／30Hz)控制输出声音的频率，而输出声音的音量可通过一个可调电阻调节。
    肌电检测系统的医疗应用前景广泛，但由于将直接应用于人体，所以各种性能要求严格。目前系统的设计和测试的主体工作已经完成，且系统的运行性能也较为良好，但还有不少地方需要改进，如刺激电路的检测部分，工频陷波电路功能不佳等多个问题还有待解决。
    除此之外，系统还具有广泛的改善空间，例如：
    (1)电路结构目前采用模拟电路，但其中某些模块如脉冲源的产生及滤波电路等都可以采用数字化的设计，可使结构更整体化；
    (2)系统现在的应用方向还局限于对于手术的监控，但由于其放大增益范围较大，所以可通过未来对细节的不断改进，使应用不断扩展，如系统所采集信号的种类可以增多而应用于不同生物体征的分析，而后端的显示数据可以更复杂化，从而使系统可以应用于对重症病人的监护等。
    因此，项目还需要投入更多的努力，直到使系统进一步完善，以达到应用于实际医疗的要求，这就是肌电检测系统的发展前景。