基于微絲電極的神經(jīng)電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)研制*

宋先騰， 徐聲偉， 王蜜霞， 張 松， 王 力， 蔡新霞

(1.中國(guó)科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100190)

基于微絲電極的神經(jīng)電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)研制*

宋先騰1,2， 徐聲偉1,2， 王蜜霞1， 張 松1,2， 王 力1,2， 蔡新霞1,2

(1.中國(guó)科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100190)

研制了一種生物神經(jīng)電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。該檢測(cè)系統(tǒng)采用微絲電極作為信號(hào)采集傳感器，經(jīng)過(guò)微弱信號(hào)調(diào)理儀器對(duì)微弱神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，開發(fā)基于LabVIEW的上位機(jī)軟件對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)一步分析、顯示以及存儲(chǔ)等。實(shí)驗(yàn)中儀器噪聲小于20 μV的條件下檢測(cè)到了幅值為160 μV神經(jīng)電信號(hào)，S/N≈8，結(jié)果表明：本檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱神經(jīng)電信號(hào)的檢測(cè)。

微絲電極； 神經(jīng)電信號(hào)； 微弱信號(hào)檢測(cè)； 嵌入式控制； LabVIEW

0 引 言

神經(jīng)系統(tǒng)是生物體內(nèi)最為復(fù)雜也是最為重要的系統(tǒng)之一，由大量的神經(jīng)元和多種感官信息傳遞機(jī)制組成。神經(jīng)元脈沖放電即神經(jīng)電信號(hào)是傳遞信息的一種重要方式，對(duì)這些具有時(shí)間序列和空間分布的多維信息加以全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的檢測(cè)，對(duì)促進(jìn)神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展、神經(jīng)性疾病的預(yù)防和診治等具有重要的意義[1]。

目前，市場(chǎng)上已出現(xiàn)的一些檢測(cè)神經(jīng)電信號(hào)的大型儀器幾乎都被國(guó)外廠商壟斷，價(jià)格昂貴維護(hù)繁瑣，且大型儀器在實(shí)際操作中比較復(fù)雜，對(duì)操作人員的要求比較高，給使用帶來(lái)了一定的困難[2]。針對(duì)目前的現(xiàn)狀，本文研制了包括微絲電極和微弱信號(hào)調(diào)理儀器的神經(jīng)電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)綜合利用了微小信號(hào)放大技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和基于LabVIEW語(yǔ)言的編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低噪聲神經(jīng)電信號(hào)的檢測(cè)。檢測(cè)系統(tǒng)在體積上相比于成熟檢測(cè)系統(tǒng)也大大縮小，實(shí)現(xiàn)了儀器的便攜性，且上位機(jī)軟件根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體需求可以方便進(jìn)行程序編寫、升級(jí)，在未來(lái)的發(fā)展中，具有很好的使用前景。

1 神經(jīng)電信號(hào)檢測(cè)原理

神經(jīng)元活動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的電信號(hào)是在靜息電位的基礎(chǔ)上發(fā)生的動(dòng)作脈沖。當(dāng)神經(jīng)元未受到刺激時(shí)，神經(jīng)元細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)的離子差異形成的電位差稱靜息電位。由于膜內(nèi)外Na+，K+離子分布不均，導(dǎo)致這些離子有透過(guò)細(xì)胞膜向外擴(kuò)散的趨勢(shì)，這就是神經(jīng)元靜息電位和動(dòng)作電位的離子基礎(chǔ)。若以膜外為參考點(diǎn)，則靜息電位大多處于-90～-30 mV之間。當(dāng)細(xì)胞在受到刺激而產(chǎn)生興奮時(shí)，細(xì)胞膜內(nèi)負(fù)電位會(huì)迅速轉(zhuǎn)為正電位，形成動(dòng)作電位的上升部分，稱去極化過(guò)程。當(dāng)去極化電位上升到頂端開始下降時(shí)，形成動(dòng)作電位的復(fù)極化部分，這一過(guò)程一般在2～3 ms之內(nèi)完成[3]。

微絲電極正是將這種離子信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，其簡(jiǎn)化原理圖如圖1所示。Rn和Cn分別代表神經(jīng)細(xì)胞膜的等效電阻和電容，通過(guò)它們的并聯(lián)來(lái)模擬。Ze代表微絲電極接觸位點(diǎn)的等效阻抗，其值的大小與制作微絲電極的材料(電阻率)、接觸面積等有關(guān)。Rs代表神經(jīng)細(xì)胞膜和電極之間溶液的等效電阻，其大小與溶液的種類、濃度，以及神經(jīng)細(xì)胞膜和微電極的貼合距離有關(guān)。當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞膜離子通道的電流流經(jīng)細(xì)胞膜和微絲電極之間等效電阻Rs時(shí)，會(huì)在電極上感應(yīng)出一定電壓，跟參比電極對(duì)比差分之后輸入放大器中進(jìn)一步處理，從而完成神經(jīng)電信號(hào)的采集過(guò)程。

圖1 微絲電極檢測(cè)原理等效示意圖

2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作

1)基于微絲電極的神經(jīng)電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)主要分為3個(gè)部分：前端用于信號(hào)采集的傳感器，使用超細(xì)金屬絲制作的16通道植入式微絲電極；2)后端微弱信號(hào)調(diào)理儀器，功能包括對(duì)前端采集的微弱模擬信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配、放大濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等；3)基于LabVIEW虛擬儀器控制的計(jì)算機(jī)上位機(jī)軟件。系統(tǒng)的總體布局如圖2所示。在系統(tǒng)工作過(guò)程中，微絲電極采集到的微弱神經(jīng)電信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器的阻抗匹配和初步放大輸入下一級(jí)信號(hào)調(diào)理模塊，經(jīng)過(guò)多級(jí)處理的模擬信號(hào)通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)通用串行總線USB2.0與計(jì)算機(jī)上位機(jī)軟件通信，還可以通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)儀器發(fā)出控制指令進(jìn)行其他有關(guān)儀器的操作。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 微絲電極制作

神經(jīng)微絲電極是能夠記錄神經(jīng)元細(xì)胞電勢(shì)的微探針。微絲電極品種有很多，成本低，使用范圍廣。微絲電極的制作一般是利用商用的金屬絲制備而成，金屬絲(比如，銅、鎢、鉑、鉑銥合金和鎳鉻合金等)的直徑一般為幾十個(gè)微米(μm)，即使多通道微絲電極植入生物組織也不會(huì)對(duì)生物體自身帶來(lái)很大的損傷,所以適合植入式微電極的設(shè)計(jì)制作。

微絲電極制作主要分為2個(gè)步驟：1)電極基底PCB板的設(shè)計(jì)制作；2)將金屬絲組裝成束的結(jié)構(gòu)。PCB設(shè)計(jì)制作采用專用電路設(shè)計(jì)軟件Altium Designer 09設(shè)計(jì)制作，18個(gè)接觸位點(diǎn)中包括16路信號(hào)端，1路接地端和1路參考端。電極前端為了實(shí)驗(yàn)方便設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，頂端開直徑為1.5 mm的孔用以穿入16路成束微絲。

微絲選用包裹有絕緣層的直徑20 μm超細(xì)銅絲，與儀器連接端將微絲分別與PCB板上16個(gè)焊盤通過(guò)焊接連接，另一接觸信號(hào)端將16路微絲組合成一束穿過(guò)電極頂端的微孔，然后用碳鋼剪刀對(duì)電極絲進(jìn)行裁剪。為了增強(qiáng)電極絲的強(qiáng)度，將除了電極接觸位點(diǎn)的植入端使用玻璃膠固定成束。實(shí)際在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試之前要對(duì)電極絲的尖端使用電化學(xué)的方法進(jìn)行尖端拋光，以提高微電極性能和所測(cè)數(shù)據(jù)信噪比[4]。微絲電極實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 微絲電極實(shí)物圖

2.2 微弱信號(hào)調(diào)理儀器設(shè)計(jì)制作

微弱信號(hào)調(diào)理儀器主要分為2個(gè)部分:1)用以實(shí)現(xiàn)阻抗變換和信號(hào)初步放大的前置放大器;2)后端的信號(hào)調(diào)理分析模塊。

2.2.1 前置放大器

由于微絲電極直徑屬于μm量級(jí)，約20 μm，所以電極的阻抗不可避免的會(huì)非常高，由于電極等效阻抗的實(shí)部所產(chǎn)生的熱噪聲和高阻抗傳輸會(huì)耦合更多的外界電磁噪聲，這對(duì)于微弱神經(jīng)電信號(hào)的檢測(cè)而言非常不利[5]。在設(shè)計(jì)中利用運(yùn)放輸入阻抗很大、輸出阻抗很小的特點(diǎn)，將高阻變?yōu)榈妥琛?shí)際的測(cè)試中將前置放大器置于動(dòng)物的頭部，和植入的微絲電極直接相連，能夠在最靠近信號(hào)源的地方顯著抑制信號(hào)傳輸中所引入的噪聲干擾,而且實(shí)現(xiàn)了將信號(hào)初步放大10倍的功能。

2.2.2 信號(hào)調(diào)理分析模塊

神經(jīng)電信號(hào)的特征動(dòng)作電位一般在100～200 μV的范圍內(nèi)，頻率范圍為10～3 000 Hz[6]。根據(jù)這一特征，來(lái)自前置放大器的神經(jīng)電模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)20 dB放大增益的放大和阻抗變換后，在模/數(shù)轉(zhuǎn)換之前還要對(duì)信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)理。此處的信號(hào)調(diào)理模塊作用主要包括兩點(diǎn)，其一是對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大，在前置放大器放大10倍的情況下再次放大100倍，使得最后的輸出到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的幅值大小滿足ADC的輸入范圍。另一個(gè)作用是通過(guò)帶通選頻將噪聲干擾濾除，以此增大最終檢測(cè)信號(hào)的信噪比。

信號(hào)調(diào)理模塊核心控制器采用意法半導(dǎo)體公司的微控制器STM32，主要用來(lái)通過(guò)與上位機(jī)軟件通信控制儀器的電源使能、系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示以及一些其他儀器操控。STM32微控制器內(nèi)部嵌入基于C語(yǔ)言編程的下位機(jī)軟件代碼，通過(guò)C語(yǔ)言集成開發(fā)環(huán)境Keil uVision5進(jìn)行燒入調(diào)試。數(shù)據(jù)采集部分采用NI USB—6210采集卡，用來(lái)采集記錄電生理和神經(jīng)遞質(zhì)電化學(xué)信號(hào)。NI USB—6210采集卡具有16路模擬輸入(16位,250 kS/s)，4路數(shù)字輸入線，4路數(shù)字輸出線，2個(gè)32位計(jì)數(shù)器。每通道有4個(gè)可編程輸入范圍(±0.2～±10 V)。根據(jù)神經(jīng)電信號(hào)的特征帶寬約為10～3 kHz，設(shè)定采樣率大于5 kHz。儀器工作過(guò)程中使用了16個(gè)通道，即16通道神經(jīng)電信號(hào)采集。

2.2.3 上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)，上位機(jī)是人機(jī)交互的關(guān)鍵，選擇虛擬儀器工程平臺(tái)LabVIEW作為上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)的編程語(yǔ)言。LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡(jiǎn)稱，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。LabVIEW采用圖形化編程語(yǔ)言—G語(yǔ)言，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，大大提高工作效率，是開發(fā)測(cè)量和控制系統(tǒng)的理想選擇。LabVIEW的功能十分強(qiáng)大，具有各種各樣、功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)，包括數(shù)據(jù)采集、GPIB串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中使用到了數(shù)據(jù)采集、串口通信等功能。整體軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

檢測(cè)軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)16通道信號(hào)進(jìn)行濾波，具體參數(shù)設(shè)置包括采樣率采樣數(shù)，帶通濾波器的高截止頻率和低截止頻率，提取Spike動(dòng)作電位的閾值以及Spike的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等。對(duì)多通道神經(jīng)電信號(hào)、分離的Spike信號(hào)、場(chǎng)電位進(jìn)行波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可分時(shí)間段選擇性地進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，數(shù)據(jù)格式為TXT格式。

在對(duì)神經(jīng)電信號(hào)的處理分析軟件程序中，根據(jù)信號(hào)分類可分為對(duì)Spike動(dòng)作電位的提取和對(duì)場(chǎng)電位的處理。

1)動(dòng)作電位是指神經(jīng)元受到一定刺激時(shí)，形成的膜內(nèi)外電勢(shì)差，這主要是由于膜離子的通透性發(fā)生變化而引起的[7]。一般多為高頻信號(hào)，所以，在動(dòng)作電位提取時(shí)要選擇合適的頻帶。

2)對(duì)于場(chǎng)電位信號(hào)，它反映的是局部組織群體神經(jīng)元突觸后電位的線性總和，是神經(jīng)元集群所發(fā)放電位的疊加，頻率處于0.1～100 Hz之間，動(dòng)作電位往往淹沒于場(chǎng)電位之中。

以上設(shè)計(jì)在虛擬儀器工程平臺(tái)強(qiáng)大功能的支持下，在有限個(gè)界面實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、顯示和存儲(chǔ)，并對(duì)神經(jīng)電信號(hào)檢測(cè)儀器進(jìn)行快速、精確控制。G語(yǔ)言種類豐富多樣的控件為用戶方便的創(chuàng)建檢測(cè)與操作界面提供了極大的簡(jiǎn)化和方便[8]。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了測(cè)試檢測(cè)系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象與儀器：體重為250 g的Sprague-Dawley大鼠，本文所研制的檢測(cè)系統(tǒng)，手術(shù)設(shè)備(手術(shù)刀，止血鉗，牙科鉆，鑷子等)，麻醉劑，注射器，屏蔽箱，立體定位儀，電動(dòng)微推進(jìn)器等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果：

1)首先對(duì)儀器的基本的噪聲性能進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)將微絲電極的輸入端全部短接，得到了小于20 μV的儀器噪聲，如圖5所示，表明在電路以及儀器結(jié)構(gòu)針對(duì)性設(shè)計(jì)下，系統(tǒng)對(duì)外界噪聲抑制效果較為明顯。

圖5 儀器噪聲性能圖

2)進(jìn)行了活體的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。對(duì)SD大鼠進(jìn)行麻醉開顱，通過(guò)電動(dòng)微推進(jìn)器將微絲電極緩慢植入到大鼠皮層中，過(guò)程中連接檢測(cè)儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀測(cè)。為了屏蔽外界噪聲的干擾信號(hào)，提高儀器檢測(cè)信號(hào)的信噪比，將微絲電極接地端、儀器和大鼠頭皮統(tǒng)一接地。最后成功檢測(cè)到了電信號(hào)動(dòng)作電位Spike發(fā)放，如圖6所示。提取的動(dòng)作電位幅值約為160 μV，且波形具有比較典型的神經(jīng)電信號(hào)的特征。

圖6 神經(jīng)電信號(hào)動(dòng)作電位發(fā)放示意圖

4 結(jié) 論

本文研制了一種基于微絲電極的神經(jīng)電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)μV量級(jí)神經(jīng)電信號(hào)的檢測(cè)分析，且儀器噪聲較小。該系統(tǒng)由微絲電極，微弱信號(hào)調(diào)理儀器以及基于LabVIEW程序的上位機(jī)軟件構(gòu)成，相比于比較成熟的大型檢測(cè)儀器設(shè)備，在體積上的小型化極大地方便了實(shí)驗(yàn)與研究。本檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)周期較短，操作簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確，所檢測(cè)信號(hào)信噪比高，在實(shí)際測(cè)試中取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可用于神經(jīng)電信號(hào)的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中。

基于微電極的神經(jīng)電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)神經(jīng)電信號(hào)的采集處理進(jìn)行了技術(shù)探索，初步實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)電信號(hào)檢測(cè)的基本功能，進(jìn)一步優(yōu)化電極設(shè)計(jì)、提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性是下一步的研究方向。

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Research and fabrication of neuro-electrical signal detection system based on micro-wire electrode*

SONG Xian-teng1,2, XU Sheng-wei1,2, WANG Mi-xia1, ZHANG Song1,2, WANG Li1,2, CAI Xin-xia1,2

(1.State Key Laboratory of Transducer Technology,Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China; 2.University of Chinese Academy of Science,Beijing 100190,China)

A neuro-electrical signal detection system is researched and faricated.The system uses self-made micro-wire electrode as signal acquisition sensor,amplification and filtering are carried out on weak neuro-electrical signal is realized by weak signal conditioning instrument,upper PC software is developed based on LabVIEW to achieve further analysis,display,and storage of the collected signals. In experiment,160 μV neuro-electrical signal is detected in condition of less than 20 μV noise，signal-to-noise(S/N)ratio is about 8.Experimental results show that the detection system can be used for weak neural-electrical signal detection.

micro-wire electrode; neuro-electrical signal; weak signal detection; embedded control; LabVIEW

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0117—04

2016—04—28

中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KJZD—EW—L11—2)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61527815,31500800,61501426,61471342)；北京市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(Z141100000214002,Z141102003414014)；國(guó)家“973”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014CB744600)

TP 216

A

1000—9787(2017)04—0117—04

宋先騰(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向神經(jīng)微弱信號(hào)檢測(cè)儀器研究。

蔡新霞(1966-)，通訊作者，女，研究員，主要從事生物傳感器及檢測(cè)微系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，E-mail:xxcai@mail.ie.ac.cn。