??? 摘??要： 以TMS320VC5420 DSP為核心，設(shè)計了腦電神經(jīng)信號處理" title="信號處理">信號處理及傳輸系統(tǒng)。包括信號處理電路、神經(jīng)刺激信號產(chǎn)生電路及USB傳輸電路。以大白鼠為試驗對象驗證了方案的可行性。
??? 關(guān)鍵詞: 腦電信號" title="腦電信號">腦電信號? 信號處理? 刺激信號? DSP? USB
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??? 在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究中，經(jīng)常需要通過電極采用一定的導(dǎo)聯(lián)方式進行生物電信號的提取。腦是人類最重要的器官，是神經(jīng)系統(tǒng)的中樞，腦電信號包含了大量的生理與病理信息，大多數(shù)神經(jīng)電極的應(yīng)用都要著眼于腦部。
??? 現(xiàn)在運用電極研究的方法一般為根據(jù)已有的研究結(jié)果先將腦分為若干功能區(qū)，然后將電極通過外科手術(shù)植入，在記錄信號或發(fā)送電刺激的同時記錄病患的反應(yīng)。
但腦電信號的非平穩(wěn)性與背景噪聲都很強。對腦電信號的分析與處理一直是非常吸引人但又極其困難的研究課題。本系統(tǒng)設(shè)計主要包括生物神經(jīng)信號處理電路、能產(chǎn)生多種可調(diào)" title="可調(diào)">可調(diào)刺激信號的刺激電路和高速的信號傳輸電路。
1 系統(tǒng)原理
??? 系統(tǒng)以TI公司的TMS320VC5402 DSP為主控制器，主要分為神經(jīng)信號處理電路、神經(jīng)刺激電路和信號傳輸電路三部分。具有輸入阻抗高、共模抑制比大、不同頻率段相移相差小、高倍放大、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠等特點，解決了在進行人體信號檢測時遇到的信號微弱、工頻" title="工頻">工頻和極化電壓干擾強大等難題；同時可以根據(jù)所建的腦電信號數(shù)據(jù)庫，模擬產(chǎn)生與運動相應(yīng)的神經(jīng)信號，分別對不同的腦區(qū)域進行電刺激，達到治療的目的，并能將采集到的神經(jīng)信號數(shù)據(jù)通過USB口傳送到上位機，實現(xiàn)對電刺激的控制和腦信號的高速實時傳送。圖1為神經(jīng)信號處理及傳輸系統(tǒng)原理框圖。
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??? 當選擇神經(jīng)刺激模式時，用戶通過圖形接口界面將刺激命令經(jīng)USB接口送到DSP，DSP主板通過D/A、V/I轉(zhuǎn)換后，將刺激電流通過屏蔽電纜傳送到神經(jīng)微電極陣列，實現(xiàn)對腦細胞的神經(jīng)電刺激。當DSP收到結(jié)束命令時，停止電刺激。
??? 當選擇神經(jīng)記錄模式時，命令由圖形接口軟件經(jīng)USB接口送達DSP，在DSP的控制下，神經(jīng)信號經(jīng)過信號處理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理后，被保存在DSP的內(nèi)部存儲空間，并實時地將數(shù)據(jù)通過USB接口傳送到上位機，供上位機進行信號分析。當DSP接收到采集結(jié)束命令時，停止采樣。
2 硬件電路設(shè)計
2.1 神經(jīng)信號處理電路
??? 腦神經(jīng)電信號屬于強噪聲干擾下的低頻微弱信號，其幅值在正常情況下也僅有微伏級，極易受到極化電壓、工頻50Hz和高頻電磁等干擾，要測的有用信號往往會淹沒在噪聲中。對于這種微弱信號的提取就必須進行高增益放大和抑制噪聲的處理，即在信號放大過程中要同時排除50Hz工頻和10kHz以上的高頻干擾。另外考慮到極化電壓的影響，為避免電路出現(xiàn)飽和現(xiàn)象而導(dǎo)致系統(tǒng)失效，前置放大器的增益不能太高。因而本系統(tǒng)采用了前置放大電路" title="放大電路">放大電路、二級放大電路和增益調(diào)節(jié)放大電路三級放大的方法，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，是一款高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲低漂移的電路[3]。
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??? 前置放大電路由輸入緩沖和差動儀用放大器組成。對前置放大電路要求輸入阻抗高、失調(diào)溫漂小、共模抑制比高、輸入噪聲小。因此，為了提高輸入端的輸入阻抗，在信號輸入端增加了一個電壓跟隨器作為緩沖器；而儀用放大器的差動輸入可有效抑制共模噪聲。這種設(shè)計使電路具有很高的共模抑制比，并且輸入阻抗理論上可為無窮大，有效地減小了信號源高內(nèi)阻的影響。
??? 中間級處理電路包括帶通選頻網(wǎng)絡(luò)、二級放大電路、50Hz工頻陷波器和增益調(diào)節(jié)電路。帶通選頻網(wǎng)絡(luò)的作用是確定神經(jīng)信號頻帶，濾除高頻的干擾信號、直流的極化電壓及前置放大電路低漂的影響；二級放大電路主要對信號進行放大，由高性能的運放接成電壓串聯(lián)負反饋模式，并加以改進，增加了對高頻信號相位補償?shù)墓δ?，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定；50Hz工頻陷波器用于濾除工頻干擾；增益調(diào)節(jié)部分基本結(jié)構(gòu)與二級放大電路相同，用以實現(xiàn)對信號的進一步放大。
??? 后續(xù)電路為光電耦合。光電耦合將前端的模擬電路和后端的數(shù)字電路隔離，保證安全，降低干擾。
??? 根據(jù)神經(jīng)信號的幅值范圍，設(shè)置系統(tǒng)的總體增益約為400倍，低頻濾波截止頻率為10kHz，高頻濾波截止頻率為100Hz。其中，在前置放大中，增益設(shè)定為10倍，以避免極化電壓的影響。圖3為幅值為5mV、頻率為1kHz的輸入信號，經(jīng)信號處理電路后的輸出波形如圖4所示。
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2.2 神經(jīng)刺激信號電路
??? 由生物電信號的電學(xué)特性可知，對腦神經(jīng)細胞進行電刺激需采用0～100μA電流。且在進行電刺激的同時，要確保電荷平衡，否則隨著電荷的積累，將導(dǎo)致細胞擊穿，造成生命危險。因此對刺激信號（如圖5）有如下的要求：
??? ①正負周期的面積相等，幅值不同。即在一個刺激周期內(nèi)保持電荷守恒，且強度可調(diào)；
??? ②T和T′的比例可調(diào)；
??? ③T可調(diào)。
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??? 神經(jīng)刺激電路將DSP產(chǎn)生的數(shù)字信號經(jīng)過D/A、V/I轉(zhuǎn)換為刺激脈沖電流信號，通過屏蔽電纜送到32測點電極陣列某一測點進行采集或刺激。如需改變工作測點，首先關(guān)閉刺激電流，然后改變地址，否則電荷平衡將會被破壞。
??? 系統(tǒng)通過改變DSP輸出的數(shù)字信號，產(chǎn)生不同幅值的波形，以滿足對刺激信號強度的要求。該信號由DSP內(nèi)部的定時器進行精準定時而產(chǎn)生，且頻率可調(diào)。經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成三態(tài)電壓信號，最后經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為刺激脈沖電流信號。
??? 圖6為神經(jīng)刺激信號電路所產(chǎn)生的刺激電流：頻率為1kHz，幅值為+2V，-4V。該刺激信號T和T′的比例為1：3。滿足對神經(jīng)刺激信號的要求。
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2.3 USB傳輸
??? 實時神經(jīng)信號采集數(shù)據(jù)量龐大，為保證其數(shù)據(jù)處理質(zhì)量，必須采用具有較高傳輸速率的接口方式。本項目中選用Cypress公司的USB接口芯片CY7C68013，它包括1個8051處理器、1個串行接口引擎（SIE）、1個USB收發(fā)器、8.5KB片上RAM、4KB FIFO存儲器以及1個通用可編程接口（GPIF）。
??? CY7C68013與外設(shè)有主/從兩種接口方式：可編程接口GPIF和Slave FIFO。GPIF是主機方式，可以由軟件編寫讀寫控制時序，靈活方便，幾乎可以和所有8/16bit接口的控制器、存儲器和總線進行無縫連接。Slave FIFO方式是從機方式，外部控制器可以象對待普通FIFO一樣對CY7C68013內(nèi)的多個緩沖區(qū)進行讀寫。Slave FIFO接口也可以靈活配置以適應(yīng)不同的需要。在本項目中采用的是可編程接口GPIF方式。通過TMS320VC5402 HPI接口與CY7C68013進行數(shù)據(jù)交換。
??? TMS320VC5402增強的8bit主機接口將DSP設(shè)置為從模式來完成與主機之間的通信，使得主機和DSP均可以訪問DSP片上存儲器。它包括8條雙向數(shù)據(jù)總線和多條控制線，可以在不附加任何邏輯器件的情況下連接主機設(shè)備。HPI接口為主-從結(jié)構(gòu)的多處理器系統(tǒng)提供簡單、方便、廉價的信息交換平臺。
??? CY7C68013作為主機，是HPI的主控制者，它可以通過HPI接口直接訪問CPU的內(nèi)存空間。當CY7C68013收到來自DSP的數(shù)據(jù)后，通過USB總線將數(shù)據(jù)送給計算機，完成整個數(shù)據(jù)處理和傳送過程。HPI接口的硬件連接如圖7所示。
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??? 在訪問過程中，首先主機對HPIC寄存器進行初始化，然后再初始化HPIA寄存器，這樣主機就可以從HPID寄存器寫入或讀取數(shù)據(jù)。對HPI接口的三個寄存器的訪問是通過輸入引腳HCNTL[1:0]來實現(xiàn)的。由于要傳送16位的數(shù)據(jù)，而HPI接口的數(shù)據(jù)線只有8位，所以16位的數(shù)據(jù)要分兩次來傳送，因此利用HBIL引腳識別這兩個字節(jié)。
??? 主機的地址線與HCNTL[1:0]和HBIL引腳相連，可以通過對不同地址的訪問來實現(xiàn)對三個寄存器的訪問以及讀寫數(shù)據(jù)的高低字節(jié)的識別。HR/W#與CTL0相連，CTL0作為HPI接口的讀寫選通信號。HRDY#與輸入信號線RDY0連接，用于查詢HPI接口是否處于READY狀態(tài)。HINT作為外部中斷信號，與主機INT0相連[6]。
3 實驗結(jié)果
??? 使用大白鼠活體作為實驗對象。將探針陣列植入白鼠大腦皮層中，對其大腦細胞進行刺激和信號采集。采集到的數(shù)據(jù)存入PC機中，為進一步的研究建立數(shù)據(jù)庫。
手術(shù)步驟如下：
??? (1)選用健康SD大鼠兩只，體重（240±13）g。由天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院提供。
??? (2)用1%利多卡因腹腔麻醉。
??? (3)常規(guī)消毒手術(shù)器具。
??? (4)做大鼠腦頂部切口，植入電極采集信號。
??? 圖8為調(diào)用MATLAB對采集到的腦電信號數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換所得的神經(jīng)信號頻譜圖。
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??? 本次動物試驗是為了驗證電路的功能及系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性。主要開展了在SD大鼠的腦部進行電極的植入和神經(jīng)信號提取的試驗。實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)分析顯示，提取到了完整的神經(jīng)信號，電極和電路運行可靠，取得了很好的效果。
??? 本系統(tǒng)以DSP為核心，實現(xiàn)對腦細胞的刺激、腦電信號的采集和提取，包括對信號的放大、濾波、降噪處理。通過對CY7C68013的軟硬件設(shè)計滿足了系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，實現(xiàn)了腦電信號的實時處理與顯示?？赏ㄟ^PC機上的控制界面進行控制，該方法直觀易操作，圖形界面友好。整個系統(tǒng)可以集成到一個小盒子里，具有體積小、重量輕、易攜帶、成本低、易升級的優(yōu)點。具有一定的實用價值且對其他高速設(shè)備與主機通信有一定借鑒作用。
參考文獻
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[3]?林順華，周海峰，趙春宇.神經(jīng)束內(nèi)微電極提取大鼠坐骨神經(jīng)信號的實驗研究[J]，北京生物醫(yī)學(xué)工程，2006，25(4)：385-389.
[4]?張勇.C/C++語言硬件程序設(shè)計[M]，西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003:47-50.
[5]?錢峰.EZ-USB FX2單片機原理、編程及應(yīng)用[M]，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.
[6] 魏紅昀，李剛偉，張志俊. DSP超高速語音系統(tǒng)的USB接口設(shè)計[J],兵工自動化，2006，25(8):50-52.