宋先騰， 徐聲偉， 王蜜霞， 張 松， 王 力， 蔡新霞

(1.中國科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點實驗室，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190)

基于微絲電極的神經(jīng)電信號檢測系統(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.中國科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點實驗室，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190)

研制了一種生物神經(jīng)電信號檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)采用微絲電極作為信號采集傳感器，經(jīng)過微弱信號調(diào)理儀器對微弱神經(jīng)信號進行放大、濾波等處理，開發(fā)基于LabVIEW的上位機軟件對所采集的信號進一步分析、顯示以及存儲等。實驗中儀器噪聲小于20 μV的條件下檢測到了幅值為160 μV神經(jīng)電信號，S/N≈8，結(jié)果表明：本檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)對微弱神經(jīng)電信號的檢測。

微絲電極； 神經(jīng)電信號； 微弱信號檢測； 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制組成。神經(jīng)元脈沖放電即神經(jīng)電信號是傳遞信息的一種重要方式，對這些具有時間序列和空間分布的多維信息加以全面、準(zhǔn)確、實時的檢測，對促進神經(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，市場上已出現(xiàn)的一些檢測神經(jīng)電信號的大型儀器幾乎都被國外廠商壟斷，價格昂貴維護繁瑣，且大型儀器在實際操作中比較復(fù)雜，對操作人員的要求比較高，給使用帶來了一定的困難[2]。針對目前的現(xiàn)狀，本文研制了包括微絲電極和微弱信號調(diào)理儀器的神經(jīng)電信號檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)綜合利用了微小信號放大技術(shù)、自動化控制技術(shù)和基于LabVIEW語言的編程技術(shù)，實現(xiàn)了低噪聲神經(jīng)電信號的檢測。檢測系統(tǒng)在體積上相比于成熟檢測系統(tǒng)也大大縮小，實現(xiàn)了儀器的便攜性，且上位機軟件根據(jù)實驗具體需求可以方便進行程序編寫、升級，在未來的發(fā)展中，具有很好的使用前景。

1 神經(jīng)電信號檢測原理

神經(jīng)元活動過程中所產(chǎn)生的電信號是在靜息電位的基礎(chǔ)上發(fā)生的動作脈沖。當(dāng)神經(jīng)元未受到刺激時，神經(jīng)元細胞膜內(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)致這些離子有透過細胞膜向外擴散的趨勢，這就是神經(jīng)元靜息電位和動作電位的離子基礎(chǔ)。若以膜外為參考點，則靜息電位大多處于-90～-30 mV之間。當(dāng)細胞在受到刺激而產(chǎn)生興奮時，細胞膜內(nèi)負電位會迅速轉(zhuǎn)為正電位，形成動作電位的上升部分，稱去極化過程。當(dāng)去極化電位上升到頂端開始下降時，形成動作電位的復(fù)極化部分，這一過程一般在2～3 ms之內(nèi)完成[3]。

微絲電極正是將這種離子信號轉(zhuǎn)換為電子信號，其簡化原理圖如圖1所示。Rn和Cn分別代表神經(jīng)細胞膜的等效電阻和電容，通過它們的并聯(lián)來模擬。Ze代表微絲電極接觸位點的等效阻抗，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)細胞膜和微電極的貼合距離有關(guān)。當(dāng)神經(jīng)細胞膜離子通道的電流流經(jīng)細胞膜和微絲電極之間等效電阻Rs時，會在電極上感應(yīng)出一定電壓，跟參比電極對比差分之后輸入放大器中進一步處理，從而完成神經(jīng)電信號的采集過程。

圖1 微絲電極檢測原理等效示意圖

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計與制作

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

圖2 檢測系統(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)元細胞電勢的微探針。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微米(μm)，即使多通道微絲電極植入生物組織也不會對生物體自身帶來很大的損傷,所以適合植入式微電極的設(shè)計制作。

微絲電極制作主要分為2個步驟：1)電極基底PCB板的設(shè)計制作；2)將金屬絲組裝成束的結(jié)構(gòu)。PCB設(shè)計制作采用專用電路設(shè)計軟件Altium Designer 09設(shè)計制作，18個接觸位點中包括16路信號端，1路接地端和1路參考端。電極前端為了實驗方便設(shè)計為中空結(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超細銅絲，與儀器連接端將微絲分別與PCB板上16個焊盤通過焊接連接，另一接觸信號端將16路微絲組合成一束穿過電極頂端的微孔，然后用碳鋼剪刀對電極絲進行裁剪。為了增強電極絲的強度，將除了電極接觸位點的植入端使用玻璃膠固定成束。實際在進行實驗測試之前要對電極絲的尖端使用電化學(xué)的方法進行尖端拋光，以提高微電極性能和所測數(shù)據(jù)信噪比[4]。微絲電極實物圖如圖3所示。

圖3 微絲電極實物圖

2.2 微弱信號調(diào)理儀器設(shè)計制作

微弱信號調(diào)理儀器主要分為2個部分:1)用以實現(xiàn)阻抗變換和信號初步放大的前置放大器;2)后端的信號調(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，約20 μm，所以電極的阻抗不可避免的會非常高，由于電極等效阻抗的實部所產(chǎn)生的熱噪聲和高阻抗傳輸會耦合更多的外界電磁噪聲，這對于微弱神經(jīng)電信號的檢測而言非常不利[5]。在設(shè)計中利用運放輸入阻抗很大、輸出阻抗很小的特點，將高阻變?yōu)榈妥?。實際的測試中將前置放大器置于動物的頭部，和植入的微絲電極直接相連，能夠在最靠近信號源的地方顯著抑制信號傳輸中所引入的噪聲干擾,而且實現(xiàn)了將信號初步放大10倍的功能。

2.2.2 信號調(diào)理分析模塊

神經(jīng)電信號的特征動作電位一般在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，來自前置放大器的神經(jīng)電模擬信號經(jīng)過20 dB放大增益的放大和阻抗變換后，在模/數(shù)轉(zhuǎn)換之前還要對信號進一步進行調(diào)理。此處的信號調(diào)理模塊作用主要包括兩點，其一是對信號進一步放大，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。另一個作用是通過帶通選頻將噪聲干擾濾除，以此增大最終檢測信號的信噪比。

信號調(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，主要用來通過與上位機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語言編程的下位機軟件代碼，通過C語言集成開發(fā)環(huán)境Keil uVision5進行燒入調(diào)試。數(shù)據(jù)采集部分采用NI USB—6210采集卡，用來采集記錄電生理和神經(jīng)遞質(zhì)電化學(xué)信號。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32位計數(shù)器。每通道有4個可編程輸入范圍(±0.2～±10 V)。根據(jù)神經(jīng)電信號的特征帶寬約為10～3 kHz，設(shè)定采樣率大于5 kHz。儀器工作過程中使用了16個通道，即16通道神經(jīng)電信號采集。

2.2.3 上位機軟件系統(tǒng)設(shè)計

對于一個完整的檢測系統(tǒng)，上位機是人機交互的關(guān)鍵，選擇虛擬儀器工程平臺LabVIEW作為上位機軟件設(shè)計的編程語言。LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡稱，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。LabVIEW采用圖形化編程語言—G語言，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，大大提高工作效率，是開發(fā)測量和控制系統(tǒng)的理想選擇。LabVIEW的功能十分強大，具有各種各樣、功能強大的函數(shù)庫，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)存儲等。

在本系統(tǒng)的設(shè)計中使用到了數(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 檢測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

檢測軟件可實現(xiàn)對16通道信號進行濾波，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動作電位的閾值以及Spike的數(shù)據(jù)長度等。對多通道神經(jīng)電信號、分離的Spike信號、場電位進行波形顯示、數(shù)據(jù)存儲，可分時間段選擇性地進行數(shù)據(jù)保存，數(shù)據(jù)格式為TXT格式。

在對神經(jīng)電信號的處理分析軟件程序中，根據(jù)信號分類可分為對Spike動作電位的提取和對場電位的處理。

1)動作電位是指神經(jīng)元受到一定刺激時，形成的膜內(nèi)外電勢差，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，所以，在動作電位提取時要選擇合適的頻帶。

2)對于場電位信號，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，動作電位往往淹沒于場電位之中。

以上設(shè)計在虛擬儀器工程平臺強大功能的支持下，在有限個界面實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集、處理、顯示和存儲，并對神經(jīng)電信號檢測儀器進行快速、精確控制。G語言種類豐富多樣的控件為用戶方便的創(chuàng)建檢測與操作界面提供了極大的簡化和方便[8]。

3 實驗測試

為了測試檢測系統(tǒng)的性能，進行了實驗驗證。

實驗對象與儀器：體重為250 g的Sprague-Dawley大鼠，本文所研制的檢測系統(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，電動微推進器等。

實驗過程與結(jié)果：

1)首先對儀器的基本的噪聲性能進行了測試，通過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)針對性設(shè)計下，系統(tǒng)對外界噪聲抑制效果較為明顯。

圖5 儀器噪聲性能圖

2)進行了活體的實驗測試。對SD大鼠進行麻醉開顱，通過電動微推進器將微絲電極緩慢植入到大鼠皮層中，過程中連接檢測儀器進行實時的觀測。為了屏蔽外界噪聲的干擾信號，提高儀器檢測信號的信噪比，將微絲電極接地端、儀器和大鼠頭皮統(tǒng)一接地。最后成功檢測到了電信號動作電位Spike發(fā)放，如圖6所示。提取的動作電位幅值約為160 μV，且波形具有比較典型的神經(jīng)電信號的特征。

圖6 神經(jīng)電信號動作電位發(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)電信號檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)可實現(xiàn)μV量級神經(jīng)電信號的檢測分析，且儀器噪聲較小。該系統(tǒng)由微絲電極，微弱信號調(diào)理儀器以及基于LabVIEW程序的上位機軟件構(gòu)成，相比于比較成熟的大型檢測儀器設(shè)備，在體積上的小型化極大地方便了實驗與研究。本檢測系統(tǒng)開發(fā)周期較短，操作簡單，測量準(zhǔn)確，所檢測信號信噪比高，在實際測試中取得了較好的實驗結(jié)果，可用于神經(jīng)電信號的檢測實驗中。

基于微電極的神經(jīng)電信號檢測系統(tǒng)對神經(jīng)電信號的采集處理進行了技術(shù)探索，初步實現(xiàn)了神經(jīng)電信號檢測的基本功能，進一步優(yōu)化電極設(shè)計、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

中國科學(xué)院重點部署項目(KJZD—EW—L11—2)；國家自然科學(xué)基金資助項目(61527815,31500800,61501426,61471342)；北京市科技計劃資助項目(Z141100000214002,Z141102003414014)；國家“973”計劃資助項目(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)微弱信號檢測儀器研究。

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