基于SOPC的神經(jīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭俊淇 黃啟俊* 常 勝 毛雪瑩 馬啟明 周 游

1(武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)系，武漢 430072)

2(武漢科技大學(xué)附屬天佑醫(yī)院，武漢 430070)

引言

神經(jīng)外科手術(shù)作為廣泛應(yīng)用的臨床手術(shù)之一，近年來(lái)得到了迅速的發(fā)展。作為一種臨床手術(shù)，潛在的安全隱患可能導(dǎo)致手術(shù)的失敗。通過(guò)對(duì)神經(jīng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)來(lái)發(fā)現(xiàn)這些隱患，已成為醫(yī)生在手術(shù)中判斷病情的有力工具，此即為神經(jīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

手術(shù)中常用的神經(jīng)監(jiān)測(cè)方法分為自發(fā)性肌電圖(spontaneous EMG)和激發(fā)性肌電圖(triggered EMG)。自發(fā)性肌電圖也稱自由描記肌電圖，是在正常狀態(tài)下通過(guò)表面電極或針電極連續(xù)記錄肌肉靜息電活動(dòng)，手術(shù)中神經(jīng)有牽拉等刺激時(shí)就會(huì)引起該神經(jīng)所支配的肌肉產(chǎn)生動(dòng)作電位而收縮。激(誘)發(fā)性肌電圖是指有目的地用電刺激神經(jīng)的方法，使肌肉收縮以描記肌電圖。手術(shù)中的電刺激方法有恒流刺激和恒壓刺激，兩種方式各有利弊，但都是臨床手術(shù)中常用的、安全有效的刺激方法。利用自發(fā)肌電圖，結(jié)合誘發(fā)肌電圖，可以準(zhǔn)確定位面神經(jīng)，術(shù)中可以持續(xù)監(jiān)測(cè)自發(fā)面肌肌電圖，以及時(shí)提示術(shù)者可能出現(xiàn)的機(jī)械性損傷［1］?？傊?，兩種神經(jīng)監(jiān)測(cè)方法都是利用神經(jīng)元的電傳導(dǎo)特性［2］，提取神經(jīng)電信號(hào)中蘊(yùn)含的豐富信息，然后用儀器對(duì)神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，幫助外科醫(yī)生在手術(shù)過(guò)程中查找或監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)及神經(jīng)根，便于準(zhǔn)確及時(shí)了解神經(jīng)狀態(tài)，減輕醫(yī)生的工作壓力，幫助避免手術(shù)中的各種神經(jīng)損傷［3］。

利用上述兩種神經(jīng)元的電傳導(dǎo)特性，用于臨床的神經(jīng)監(jiān)測(cè)儀主要有兩類:一類是肌電圖描記系統(tǒng)，一類是機(jī)械壓力系統(tǒng)。其共同點(diǎn)是:當(dāng)刺激面神經(jīng)時(shí)，儀器會(huì)發(fā)出警報(bào)聲，以引起醫(yī)生注意。前者通過(guò)記錄面肌的肌電圖(肌肉的復(fù)合動(dòng)作電位)，把信號(hào)反映在示波儀上，同時(shí)發(fā)出警報(bào)聲;后者則通過(guò)將面肌的收縮與運(yùn)動(dòng)用壓力傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后將電信號(hào)顯示在示波儀上，并發(fā)出警報(bào)聲。相對(duì)而言，肌電圖系統(tǒng)比機(jī)械壓力系統(tǒng)更敏感，也是最常用的肌電檢測(cè)系統(tǒng)。近年來(lái)，英國(guó) Neurosign公司先后推出Neurosign 100/400/800/1000 系列神經(jīng)監(jiān)測(cè)儀器［4］，價(jià)格非常昂貴。Neurosign 100/400采用純模擬電路方式實(shí)現(xiàn)，在激勵(lì)源設(shè)計(jì)、信號(hào)獲取、分析和顯示等方面均有所不足。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)這方面的產(chǎn)品少且功能單一。針對(duì)Neurosign 100/400的不足及國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，本研究設(shè)計(jì)了一款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SOPC神經(jīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)的信號(hào)采集及放大采用模擬電路，結(jié)合數(shù)字電路在抗干擾、信號(hào)處理分析及顯示存儲(chǔ)上的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)合理的軟硬件劃分，充分發(fā)揮SOPC軟硬協(xié)同的長(zhǎng)處，還自定義加入了觸摸式的控制終端，方便實(shí)際使用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)目的:設(shè)計(jì)一款高集成度、低成本的神經(jīng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，用于解決術(shù)中安全隱患。

設(shè)計(jì)原理:對(duì)監(jiān)測(cè)的神經(jīng)組織持續(xù)產(chǎn)生一個(gè)可安全接受的極微小電流并刺激神經(jīng)［5］，根據(jù)神經(jīng)的電傳導(dǎo)特性，將產(chǎn)生一個(gè)神經(jīng)電信號(hào)，并作用于與該神經(jīng)組織相連的肌肉組織當(dāng)中。系統(tǒng)只要從這些肌肉組織中持續(xù)采集到與刺激信號(hào)同頻率的電信號(hào)，就可以說(shuō)明該神經(jīng)組織是導(dǎo)通的，即是安全的。反之，一旦電信號(hào)中斷，說(shuō)明該神經(jīng)組織受到了損害，可以及時(shí)提醒醫(yī)生進(jìn)行修復(fù)。

設(shè)計(jì)功能:首先能對(duì)神經(jīng)組織產(chǎn)生脈沖激勵(lì)信號(hào)，刺激產(chǎn)生神經(jīng)電信號(hào)，然后能把采集到的神經(jīng)電信號(hào)自適應(yīng)放大到AD的采樣范圍，對(duì)神經(jīng)電信號(hào)進(jìn)行工頻陷波，以消除電源噪聲影響，再對(duì)神經(jīng)電信號(hào)進(jìn)行參數(shù)分析，最后送到顯示器，進(jìn)行波形和參數(shù)動(dòng)態(tài)顯示以及儲(chǔ)存，達(dá)到在神經(jīng)外科手術(shù)中監(jiān)測(cè)的目的。功能設(shè)計(jì)還考慮了檢測(cè)儀器使用的便捷式和交互性，可供醫(yī)生方便地進(jìn)行功能操作，讓醫(yī)生省時(shí)省心，讓患者安心。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

圖1給出了基于SOPC的神經(jīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，整個(gè)設(shè)計(jì)分為模擬和數(shù)字兩大部分。模擬部分包括刺激電路、預(yù)放大電路、前置處理電路(兩通道CH0和CH1)及自適應(yīng)放大電路。數(shù)字部分可分為硬件和軟件兩部分:硬件部分包括刺激信號(hào)的產(chǎn)生、神經(jīng)電信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換控制、自適應(yīng)放大控制、參數(shù)分析、信號(hào)特征顯示;軟件部分包括數(shù)據(jù)總線接口、硬件與軟件接口控制、頻率和幅度參數(shù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及觸摸屏控制模塊。具體分為如下10大模塊:

·刺激電路產(chǎn)生模塊:由數(shù)字部分的FPGA產(chǎn)生特定頻率的脈沖刺激信號(hào)，經(jīng)模擬部分的電壓/電流源轉(zhuǎn)化后刺激神經(jīng)類信號(hào)。

·預(yù)放大及前置處理模塊:采集來(lái)自探針的神經(jīng)電信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)過(guò)高通濾波器處理，濾除極化電壓及低頻噪聲，再經(jīng)過(guò)低通濾波，濾除高頻噪聲。處理后的電壓信號(hào)整體增益約100倍，頻率響應(yīng)范圍為3～1 KHz，供后級(jí)信號(hào)處理及顯示提示電路使用。

· 自適應(yīng)放大模塊:用 FPGA控制 DAC0832，從而控制神經(jīng)電信號(hào)的放大增益，使信號(hào)的電壓范圍適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊的采集范圍。

·AD轉(zhuǎn)換模塊:由模擬電路和FPGA數(shù)字控制協(xié)同完成，用FPGA控制MAX197進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸入到一個(gè)先進(jìn)行出存儲(chǔ)器(FIFO)進(jìn)行緩存。

· 工頻陷波模塊:采用FPGA純硬件方式實(shí)現(xiàn)，提取緩存的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字預(yù)處理，去除電源等因素引起的噪聲，完成50 Hz的工頻陷波。

·參數(shù)分析模塊:包括測(cè)量幅度模塊和測(cè)量頻率模塊，對(duì)工頻陷波后數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)分析，由數(shù)字部分軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)完成。

· 特征顯示模塊:在觸摸屏(LTM)或在VGA上，F(xiàn)PGA控制還原后的神經(jīng)電信號(hào)頻率和幅度參數(shù)和放大的肌電信號(hào)數(shù)據(jù)以數(shù)字和波形形式顯示。脈沖刺激信號(hào)輸出頻率和幅度以靜態(tài)漢字顯示，神經(jīng)電信號(hào)以波形顯示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System block diagram

·硬件與軟件接口控制模塊:包括觸摸屏(LTM)與Avalon總線的接口模塊，以及信號(hào)處理后與Avalon總線的接口模塊。

· SD卡存儲(chǔ)模塊:能夠?qū)⑸窠?jīng)信號(hào)數(shù)據(jù)根據(jù)要求存儲(chǔ)入SD卡中，再由PC機(jī)讀取出數(shù)據(jù)并繪制成波形，以便后續(xù)集中分析和對(duì)比。

·觸摸屏控制模塊:通過(guò)自定義人機(jī)交互界面，進(jìn)行終端控制。

3 模擬電路部分

模擬電路包括電極、刺激電路和信號(hào)處理電路。

3.1 電極

采集神經(jīng)電信號(hào)時(shí)需要合適的電極，電極的性能優(yōu)良與否、電極的類型選擇是否適合，將直接影響電信號(hào)的采集結(jié)果，需要根據(jù)手術(shù)和實(shí)驗(yàn)的不同要求，選用不同類型的電極?？紤]到國(guó)外探針接口的專用性及購(gòu)買不便(如 1697—00 Triple needle electrode等)，以及SOPC的神經(jīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前處于實(shí)驗(yàn)室研制階段，電極選用針灸類的探針暫為替代，用 BNC接口刺刀螺母連接器(bayonet nut connector)和同軸電纜進(jìn)行連接。同軸電纜是一種屏蔽電纜，具有傳送信號(hào)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。以后儀器定型時(shí)，可考慮采用國(guó)外高性能的探針座。針灸探針的機(jī)械性質(zhì)和幾何形狀對(duì)生物體狀態(tài)的影響很小，接觸阻抗非常小，比較適合做電極。刺激電極有2個(gè)針端(V+)和(Vref)，供刺激電路使用;采集電極有3個(gè)針端(V+)、(Vref)、(V －)，供接收肌電信號(hào)使用。

3.2 刺激電路

由于要求輸出脈沖電流［6］，刺激頻率選擇3～30 Hz可調(diào)，脈沖寬度0.2 ms，而脈沖電流不易產(chǎn)生，所以首先由脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生電壓脈沖，頻率3～30 Hz，脈沖寬度0.2 ms。然后，經(jīng)過(guò)電壓/電流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電流脈沖，轉(zhuǎn)換電路利用可調(diào)旋鈕，控制輸出脈沖的峰值在0.05～5 mA之間。

3.3 前置處理盒電路

前置處理盒電路框圖如圖2所示，來(lái)自探針采集到的神經(jīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)前置處理盒后，送到數(shù)字電路部分進(jìn)行進(jìn)一步處理。

圖2 前置處理盒電路框圖Fig.2 Block diagram of pre-processing box

1)預(yù)放大模塊:為了對(duì)神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行各種處理和顯示，必須首先將神經(jīng)信號(hào)放大到所要求的強(qiáng)度，而預(yù)放大模塊是信號(hào)放大器的核心，具有輸入阻抗高、高增益、共模抑制比(CMRR值大)、低噪聲和低漂移等基本要求。

預(yù)放大電路如圖3所示，由輸入、濾波和儀用放大器3部分組成。首先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限流，然后經(jīng)過(guò)低通濾波，達(dá)到低噪聲的要求。同時(shí)，輸入緩沖器采用電壓負(fù)反饋，輸入阻抗無(wú)窮大，可有效地將人體與電路系統(tǒng)隔離，消除信號(hào)源內(nèi)阻高且不穩(wěn)定的影響。

圖3 預(yù)放大電路Fig.3 The circuit of Pre-amplifier

2)自適應(yīng)放大模塊［7］:預(yù)放大信號(hào)經(jīng)過(guò)低通和高通濾波器處理后，頻率保持不變，幅度增益約100倍，峰值達(dá)到mV級(jí)，但仍不滿足A/D采樣的要求，因而需要進(jìn)一步放大。由于信號(hào)幅度波動(dòng)較大，如果采用單一的放大增益，放大后的信號(hào)幅度可能超出所選 A/D芯片(MAX197)的量程。為了使信號(hào)符合MAX197的模擬輸入范圍(±5 V)，二級(jí)放大利用D/A芯片(DAC0832)的電阻加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)輸入信號(hào)的大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出增益的功能，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)放大功能。

3)光電隔離:為了避免后級(jí)數(shù)字電路出現(xiàn)的尖峰電壓脈沖及電流脈沖串入前級(jí)模擬電路，進(jìn)而傷害到人體，需要光電隔離保護(hù)。光電隔離電路的前級(jí)為模擬電路，后級(jí)為數(shù)字電路，前后級(jí)所用的電源不同，為此選用電容隔離芯片ISO124搭建光電隔離電路。

4)A/D轉(zhuǎn)換模塊:選用美國(guó)美信公司(MAXIM)的多輸入范圍、8通道12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX197。使用 MAX197內(nèi)部時(shí)鐘模式，在 CLK口外接100 pF電容，對(duì)應(yīng)內(nèi)部時(shí)鐘頻率為1.56 MHz，采用內(nèi)部采集控制，采集 CH0及 CH1這兩條通道 ±5 V范圍內(nèi)的模擬信號(hào)。同時(shí)，選用內(nèi)部參考電壓，利用 FPGA進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。

依據(jù)MAX197對(duì)時(shí)序要求，采用有限狀態(tài)機(jī)將轉(zhuǎn)換過(guò)程分為7個(gè)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)過(guò)程:(1)初始化，置模擬輸入通道選擇位為0;(2)根據(jù)通道選擇位，初始化狀態(tài)控制字;(3)產(chǎn)生WR_上升沿寫入命令字開始轉(zhuǎn)換;(4)判斷轉(zhuǎn)換是否完成，若完成則將狀態(tài)置為E，未完繼續(xù)等待;(5)將HEBN置0，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果低8位;(6)將HEBN置1，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果高4位，并根據(jù)通道選擇位，將結(jié)果存入對(duì)應(yīng)的寄存器中;(7)通道選擇位為+1，以便在下個(gè)循環(huán)中改變輸入信號(hào)通道，并在此狀態(tài)下跳轉(zhuǎn)至第二個(gè)狀態(tài)。以此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模擬通道的依次轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)讀取。

經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，所選模式的輸出數(shù)據(jù)格式為12位雙極性數(shù)。為方便后續(xù)處理，加入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將雙極性數(shù)變?yōu)閱螛O性數(shù)。同時(shí)，由于顯示終端的數(shù)據(jù)只需8位，因此該模塊轉(zhuǎn)換后的單極性數(shù)只取高8位。

4 數(shù)字電路部分

數(shù)字電路部分通過(guò)Altera公司提供的SOPC工具，將硬件電路和NIOSⅡ軟核結(jié)合起來(lái)，并通過(guò)合理的軟硬件劃分，對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的分析、處理、顯示和存儲(chǔ)，彌補(bǔ)了國(guó)外儀器的不足。

4.1 幅度和頻率

信號(hào)的幅度直接反映神經(jīng)信號(hào)的強(qiáng)弱。為了讓醫(yī)生更直觀地了解神經(jīng)是否異常，對(duì)采集來(lái)的刺激信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)分析將大大提高系統(tǒng)的實(shí)用性。為實(shí)現(xiàn)神經(jīng)信號(hào)的分析，通過(guò)FPGA對(duì)工頻陷波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行依次移位寄存，采用Moore型時(shí)序狀態(tài)機(jī)進(jìn)行波形判別。引入除去快速抖動(dòng)算法，排除干擾信號(hào)，準(zhǔn)確找出最大值(max_out)和最小值(min_out)，然后利用FPGA內(nèi)部的DSP資源，根據(jù)幅度與AD轉(zhuǎn)化的線性關(guān)系以及自動(dòng)增益放大的公式，還原神經(jīng)信號(hào)原始幅度參數(shù)。

信號(hào)的頻率直接反映神經(jīng)信號(hào)變化的快慢。設(shè)計(jì)中創(chuàng)新采用了NIOSⅡ軟核實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)頻法，相比傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，具有速度快、精度高、靈活性好的特點(diǎn)。通過(guò)硬件電路倍頻進(jìn)行同步計(jì)數(shù)，用NIOSⅡ進(jìn)行運(yùn)算處理。經(jīng)過(guò)測(cè)試，在使用硬件時(shí)鐘頻率50 MHz、NIOSⅡ時(shí)鐘頻率100 MHz的情況下，測(cè)頻精度可達(dá)小數(shù)點(diǎn)后3位。

4.2 工頻陷波

一般來(lái)說(shuō)，IIR濾波器［8］的系數(shù)是固定的。當(dāng)數(shù)據(jù)率很高時(shí)，如果數(shù)據(jù)/系數(shù)位數(shù)不高、濾波器的階數(shù)又不是特別多，用 FPGA要比用 DSP得到的FIR濾波器效率和性能高得多，并且在硬件資源夠用的情況下，用純硬件實(shí)現(xiàn)要比用NIOSⅡ軟件實(shí)現(xiàn)在速度和穩(wěn)定性上都有極大的提高。本研究采用純硬件方式，設(shè)計(jì)了一個(gè)二階、采樣率是20 kHz的帶阻濾波器單陷50 Hz，與FIR數(shù)字濾波器相比，用較低的階數(shù)就實(shí)現(xiàn)了陷波效果，并采用流水性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，仿真結(jié)果表明陷波效果良好。硬件綜合結(jié)果給出模塊的最高工作時(shí)鐘頻率達(dá)到117.03 MHz，性能穩(wěn)定可靠。

帶阻濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)采用 Matlab完成。在FPGA實(shí)現(xiàn)中，為節(jié)約邏輯資源并獲得高速信號(hào)處理性能，采用內(nèi)嵌的乘法器來(lái)完成乘累加運(yùn)算，并且加入流水線操作。為平衡面積和速度，運(yùn)算前系數(shù)擴(kuò)大了2～20倍，最終輸出數(shù)據(jù)時(shí)舍去輸出信號(hào)的低20位。

經(jīng)過(guò)Modelsim驗(yàn)證后的仿真如圖4所示，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)濾波器陷波后，Matlab產(chǎn)生的50 Hz激勵(lì)波形數(shù)據(jù)幾乎變成了一條直線。

圖4 IIR濾波器的Modelsim仿真Fig.4 Simulation of IIR filter on modelsim

4.3 SD卡存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

SD卡需要加入文件系統(tǒng)才能工作，純硬件難以實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)利用NIOS II軟核對(duì)文件系統(tǒng)支持的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)自定義組件與Avalon總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)SD卡對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)［9］。當(dāng)神經(jīng)監(jiān)測(cè)時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，只需觸發(fā)開關(guān)便可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中，再通過(guò) PC機(jī)還原波形，即可進(jìn)行集中分析和對(duì)比。

采集到的神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行模擬前端處理，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)化、數(shù)字工頻陷波后，一旦此時(shí)外部給系統(tǒng)一個(gè)存儲(chǔ)使能，數(shù)據(jù)流便會(huì)通過(guò) Avalon bus緩存到SDAM中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流從硬件到軟件的結(jié)合。接著由軟件對(duì)SD卡進(jìn)行寫操作，將數(shù)據(jù)流以文件的形式存儲(chǔ)到SD卡中。對(duì)于存儲(chǔ)到SD卡中的文件，可以方便地通過(guò)PC機(jī)上的Matlab軟件，將數(shù)據(jù)流還原成波形圖形，便于醫(yī)生以后進(jìn)行直觀的分析。

5 硬件實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證

5.1 模擬前置盒和封裝后的機(jī)箱

Ⅰ型機(jī)的模擬前置盒如圖5所示，包括刺激電路、AD轉(zhuǎn)化芯片、自動(dòng)增益放大模塊和電源等，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)信號(hào)的預(yù)處理(包括刺激信號(hào)的產(chǎn)生、采集、放大和轉(zhuǎn)化等)功能。探針用BNC接口和同軸電纜進(jìn)行連接。主機(jī)如圖6所示，面板上的功能主要有電源的開關(guān)、音量的調(diào)節(jié)、刺激脈沖的調(diào)節(jié)、多通道的切換等。前置盒與主機(jī)采用多芯屏蔽航空電纜和航空插頭連接。I型機(jī)由全模擬電路組成，已經(jīng)在武漢市漢陽(yáng)醫(yī)院進(jìn)行過(guò)3次動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)在兔子大腿肌肉的神經(jīng)旁插入檢測(cè)電極，利用激勵(lì)信號(hào)刺激神經(jīng)產(chǎn)生肌電信號(hào)，用所研制的神經(jīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將檢測(cè)到的肌電信號(hào)放大，測(cè)試出肌電信號(hào)的幅度和頻率，并與Neurosign 100監(jiān)測(cè)儀做對(duì)比測(cè)試，所測(cè)的結(jié)果與Neurosign 100的對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)一致。

圖5 前置盒(Ⅰ型機(jī))Fig.5 Front box(First generation product)

圖6 儀器主機(jī)(Ⅰ型機(jī))Fig.6 Mainframe(First generation product)

本研究給出的基于SOPC的神經(jīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為Ⅱ型機(jī)，是在Ⅰ型機(jī)的基礎(chǔ)上加入了數(shù)字部分的處理(包括數(shù)字濾波、顯示、存儲(chǔ)和回放)，設(shè)計(jì)參數(shù)(見表1)與I型機(jī)相同。目前在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，各模塊和整機(jī)的性能參數(shù)與Ⅰ型機(jī)相同。

5.2 自定義觸摸式控制終端

顯示終端如圖7所示，主要顯示頻率、幅度特性參數(shù)以及神經(jīng)脈沖波形，通過(guò)觸摸操作可以方便地進(jìn)行刺激頻率的調(diào)整、采樣率的調(diào)節(jié)、雙通道的切換、脈沖的動(dòng)靜轉(zhuǎn)化及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。顯示的漢字是16×16的點(diǎn)陣，顯示分辨率為800像素 ×480像素。

5.3 整體測(cè)試結(jié)果

圖7 觸摸式控制終端Fig.7 Touch control terminal

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用QuartusⅡ9.0進(jìn)行分析綜合，采用NiosII 9.0 IDE進(jìn)行軟件調(diào)試，利用嵌入式邏輯分析儀(SignalTapⅡ Logic Analyzer，Quartus軟件內(nèi)嵌，美國(guó)Altera公司)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試。由于整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)架比較大，所以先進(jìn)行子模塊 Modelsim驗(yàn)證，或在嵌入式邏輯分析儀測(cè)試通過(guò)后進(jìn)行整合，再完成整體實(shí)時(shí)測(cè)試。

利用Terasic公司的 DE 0平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行下載硬件測(cè)試，其顯示結(jié)果如圖7所示，數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。其中，Vout1為預(yù)放大輸出電壓峰值，Vout2為濾波(高通、低通)后輸出電壓峰值，A1為前置放大增益，Vout3為自適應(yīng)放大輸出峰值，A2為自適應(yīng)放大增益，Vout4為最終顯示峰值，A3為整體增益。嵌入式邏輯分析儀對(duì)關(guān)鍵路徑(數(shù)模轉(zhuǎn)換)的實(shí)時(shí)測(cè)試如圖8所示，其中dout1為雙通道的通道1，dout2為通道2。圖8中工作的是通道2，ad_data為模數(shù)轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)，ad_clk、int_、rd_和 wr_為模數(shù)轉(zhuǎn)化的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。

表1 技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters

表2 數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.2 Data results

圖8 模數(shù)轉(zhuǎn)化的SignalTap實(shí)時(shí)測(cè)試Fig.8 Real-time test of modulus transformation by SignalTap

6 討論和結(jié)論

本研究目前在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波、方波和脈沖波來(lái)模擬神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，表2中的數(shù)據(jù)為示波器結(jié)合嵌入式邏輯分析儀實(shí)測(cè)所得。嵌入式邏輯分析儀是Quartus軟件內(nèi)嵌的測(cè)試工具，可以對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，但受存儲(chǔ)的影響，不能同時(shí)對(duì)所有數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，故只列出部分關(guān)鍵路徑的實(shí)時(shí)測(cè)試圖(見圖8)。

和Ⅰ型機(jī)相比，Ⅱ型機(jī)采用了SOPC的設(shè)計(jì)思想、FPGA硬件和NIOSⅡ嵌入式軟件協(xié)同設(shè)計(jì)的方法。在Ⅰ型機(jī)的基礎(chǔ)上，加入了數(shù)字濾波、分析、顯示和存儲(chǔ)等，同時(shí)采用觸摸代替按鍵控制，彌補(bǔ)了Ⅰ型機(jī)在信號(hào)處理、分析和人機(jī)交互等方面的不足。

本研究針對(duì)神經(jīng)監(jiān)測(cè)的重要性，完成了一個(gè)基于FPGA的神經(jīng)監(jiān)測(cè)解決方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)外科手術(shù)中運(yùn)動(dòng)神經(jīng)的監(jiān)測(cè)，是現(xiàn)代信息技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)應(yīng)用。先通過(guò)恒定電流刺激肌肉誘發(fā)神經(jīng)電信號(hào)，再運(yùn)用現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)對(duì)其進(jìn)行采集、放大、濾波、分析、顯示和存儲(chǔ)等。在觸摸屏上實(shí)時(shí)觀察顯示的波形及其分析出來(lái)的參數(shù)，可以方便醫(yī)生在手術(shù)中操刀，避免不必要的損傷。以后如果加入U(xiǎn)SB或者其他外設(shè)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在數(shù)據(jù)處理單元引入小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理算法對(duì)神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行處理和分析，就可以提供更豐富的生物信息，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。此外，還可以調(diào)整電路設(shè)計(jì)，采用貼片電極，實(shí)現(xiàn)肌肉疲勞度測(cè)試等應(yīng)用。

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