脑电神经信号处理及传输系统的研究
2008-07-15
作者：单秋云, 李醒飞, 钟 莹, 冯
摘 要： 以TMS320VC5420 DSP为核心，设计了脑电神经信号处理" title="信号处理">信号处理及传输系统。包括信号处理电路、神经刺激信号产生电路及USB传输电路。以大白鼠为试验对象验证了方案的可行性。
关键词: 脑电信号" title="脑电信号">脑电信号 信号处理 刺激信号 DSP USB
在现代医学研究中，经常需要通过电极采用一定的导联方式进行生物电信号的提取。脑是人类最重要的器官，是神经系统的中枢，脑电信号包含了大量的生理与病理信息，大多数神经电极的应用都要着眼于脑部。
现在运用电极研究的方法一般为根据已有的研究结果先将脑分为若干功能区，然后将电极通过外科手术植入，在记录信号或发送电刺激的同时记录病患的反应。
但脑电信号的非平稳性与背景噪声都很强。对脑电信号的分析与处理一直是非常吸引人但又极其困难的研究课题。本系统设计主要包括生物神经信号处理电路、能产生多种可调" title="可调">可调刺激信号的刺激电路和高速的信号传输电路。
1 系统原理
系统以TI公司的TMS320VC5402 DSP为主控制器，主要分为神经信号处理电路、神经刺激电路和信号传输电路三部分。具有输入阻抗高、共模抑制比大、不同频率段相移相差小、高倍放大、结构简单、稳定可靠等特点，解决了在进行人体信号检测时遇到的信号微弱、工频" title="工频">工频和极化电压干扰强大等难题；同时可以根据所建的脑电信号数据库，模拟产生与运动相应的神经信号，分别对不同的脑区域进行电刺激，达到治疗的目的，并能将采集到的神经信号数据通过USB口传送到上位机，实现对电刺激的控制和脑信号的高速实时传送。图1为神经信号处理及传输系统原理框图。
当选择神经刺激模式时，用户通过图形接口界面将刺激命令经USB接口送到DSP，DSP主板通过D/A、V/I转换后，将刺激电流通过屏蔽电缆传送到神经微电极阵列，实现对脑细胞的神经电刺激。当DSP收到结束命令时，停止电刺激。
当选择神经记录模式时，命令由图形接口软件经USB接口送达DSP，在DSP的控制下，神经信号经过信号处理、A/D转换、数据处理后，被保存在DSP的内部存储空间，并实时地将数据通过USB接口传送到上位机，供上位机进行信号分析。当DSP接收到采集结束命令时，停止采样。
2 硬件电路设计
2.1 神经信号处理电路
脑神经电信号属于强噪声干扰下的低频微弱信号，其幅值在正常情况下也仅有微伏级，极易受到极化电压、工频50Hz和高频电磁等干扰，要测的有用信号往往会淹没在噪声中。对于这种微弱信号的提取就必须进行高增益放大和抑制噪声的处理，即在信号放大过程中要同时排除50Hz工频和10kHz以上的高频干扰。另外考虑到极化电压的影响，为避免电路出现饱和现象而导致系统失效，前置放大器的增益不能太高。因而本系统采用了前置放大电路" title="放大电路">放大电路、二级放大电路和增益调节放大电路三级放大的方法，电路结构如图2所示，是一款高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声低漂移的电路[3]。
前置放大电路由输入缓冲和差动仪用放大器组成。对前置放大电路要求输入阻抗高、失调温漂小、共模抑制比高、输入噪声小。因此，为了提高输入端的输入阻抗，在信号输入端增加了一个电压跟随器作为缓冲器；而仪用放大器的差动输入可有效抑制共模噪声。这种设计使电路具有很高的共模抑制比，并且输入阻抗理论上可为无穷大，有效地减小了信号源高内阻的影响。
中间级处理电路包括带通选频网络、二级放大电路、50Hz工频陷波器和增益调节电路。带通选频网络的作用是确定神经信号频带，滤除高频的干扰信号、直流的极化电压及前置放大电路低漂的影响；二级放大电路主要对信号进行放大，由高性能的运放接成电压串联负反馈模式，并加以改进，增加了对高频信号相位补偿的功能，使系统更加稳定；50Hz工频陷波器用于滤除工频干扰；增益调节部分基本结构与二级放大电路相同，用以实现对信号的进一步放大。
后续电路为光电耦合。光电耦合将前端的模拟电路和后端的数字电路隔离，保证安全，降低干扰。
根据神经信号的幅值范围，设置系统的总体增益约为400倍，低频滤波截止频率为10kHz，高频滤波截止频率为100Hz。其中，在前置放大中，增益设定为10倍，以避免极化电压的影响。图3为幅值为5mV、频率为1kHz的输入信号，经信号处理电路后的输出波形如图4所示。
2.2 神经刺激信号电路
由生物电信号的电学特性可知，对脑神经细胞进行电刺激需采用0～100μA电流。且在进行电刺激的同时，要确保电荷平衡，否则随着电荷的积累，将导致细胞击穿，造成生命危险。因此对刺激信号（如图5）有如下的要求：
①正负周期的面积相等，幅值不同。即在一个刺激周期内保持电荷守恒，且强度可调；
②T和T′的比例可调；
③T可调。
神经刺激电路将DSP产生的数字信号经过D/A、V/I转换为刺激脉冲电流信号，通过屏蔽电缆送到32测点电极阵列某一测点进行采集或刺激。如需改变工作测点，首先关闭刺激电流，然后改变地址，否则电荷平衡将会被破坏。
系统通过改变DSP输出的数字信号，产生不同幅值的波形，以满足对刺激信号强度的要求。该信号由DSP内部的定时器进行精准定时而产生，且频率可调。经D/A转换成三态电压信号，最后经过V/I转换电路转化为刺激脉冲电流信号。
图6为神经刺激信号电路所产生的刺激电流：频率为1kHz，幅值为+2V，-4V。该刺激信号T和T′的比例为1：3。满足对神经刺激信号的要求。
2.3 USB传输
实时神经信号采集数据量庞大，为保证其数据处理质量，必须采用具有较高传输速率的接口方式。本项目中选用Cypress公司的USB接口芯片CY7C68013，它包括1个8051处理器、1个串行接口引擎（SIE）、1个USB收发器、8.5KB片上RAM、4KB FIFO存储器以及1个通用可编程接口（GPIF）。
CY7C68013与外设有主/从两种接口方式：可编程接口GPIF和Slave FIFO。GPIF是主机方式，可以由软件编写读写控制时序，灵活方便，几乎可以和所有8/16bit接口的控制器、存储器和总线进行无缝连接。Slave FIFO方式是从机方式，外部控制器可以象对待普通FIFO一样对CY7C68013内的多个缓冲区进行读写。Slave FIFO接口也可以灵活配置以适应不同的需要。在本项目中采用的是可编程接口GPIF方式。通过TMS320VC5402 HPI接口与CY7C68013进行数据交换。
TMS320VC5402增强的8bit主机接口将DSP设置为从模式来完成与主机之间的通信，使得主机和DSP均可以访问DSP片上存储器。它包括8条双向数据总线和多条控制线，可以在不附加任何逻辑器件的情况下连接主机设备。HPI接口为主-从结构的多处理器系统提供简单、方便、廉价的信息交换平台。
CY7C68013作为主机，是HPI的主控制者，它可以通过HPI接口直接访问CPU的内存空间。当CY7C68013收到来自DSP的数据后，通过USB总线将数据送给计算机，完成整个数据处理和传送过程。HPI接口的硬件连接如图7所示。
在访问过程中，首先主机对HPIC寄存器进行初始化，然后再初始化HPIA寄存器，这样主机就可以从HPID寄存器写入或读取数据。对HPI接口的三个寄存器的访问是通过输入引脚HCNTL[1:0]来实现的。由于要传送16位的数据，而HPI接口的数据线只有8位，所以16位的数据要分两次来传送，因此利用HBIL引脚识别这两个字节。
主机的地址线与HCNTL[1:0]和HBIL引脚相连，可以通过对不同地址的访问来实现对三个寄存器的访问以及读写数据的高低字节的识别。HR/W#与CTL0相连，CTL0作为HPI接口的读写选通信号。HRDY#与输入信号线RDY0连接，用于查询HPI接口是否处于READY状态。HINT作为外部中断信号，与主机INT0相连[6]。
3 实验结果
使用大白鼠活体作为实验对象。将探针阵列植入白鼠大脑皮层中，对其大脑细胞进行刺激和信号采集。采集到的数据存入PC机中，为进一步的研究建立数据库。
手术步骤如下：
(1)选用健康SD大鼠两只，体重（240±13）g。由天津医科大学总医院提供。
(2)用1%利多卡因腹腔麻醉。
(3)常规消毒手术器具。
(4)做大鼠脑顶部切口，植入电极采集信号。
图8为调用MATLAB对采集到的脑电信号数据进行快速傅里叶变换所得的神经信号频谱图。
本次动物试验是为了验证电路的功能及系统设计方案的可行性。主要开展了在SD大鼠的脑部进行电极的植入和神经信号提取的试验。实验结果和数据分析显示，提取到了完整的神经信号，电极和电路运行可靠，取得了很好的效果。
本系统以DSP为核心，实现对脑细胞的刺激、脑电信号的采集和提取，包括对信号的放大、滤波、降噪处理。通过对CY7C68013的软硬件设计满足了系统高速数据传输的要求，实现了脑电信号的实时处理与显示。可通过PC机上的控制界面进行控制，该方法直观易操作，图形界面友好。整个系统可以集成到一个小盒子里，具有体积小、重量轻、易携带、成本低、易升级的优点。具有一定的实用价值且对其他高速设备与主机通信有一定借鉴作用。
参考文献
[1] 白秀军.神经信号采集与刺激系统的研究[D]， 天津：天津大学，2006.
[2] 周海峰,赵春宇,陈大越.一种神经信号调理电路的设计[J]，电子技术应用，2005，31(2)：24-26.
[3] 林顺华，周海峰，赵春宇.神经束内微电极提取大鼠坐骨神经信号的实验研究[J]，北京生物医学工程，2006，25(4)：385-389.
[4] 张勇.C/C++语言硬件程序设计[M]，西安：西安电子科技大学出版社，2003:47-50.
[5] 钱峰.EZ-USB FX2单片机原理、编程及应用[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[6] 魏红昀，李刚伟，张志俊. DSP超高速语音系统的USB接口设计[J],兵工自动化，2006，25(8):50-52.