虚拟仪器技术在神经传导检测中的应用
陈海峰 1 邓亲恺 2 汤黎明 ( 1 南京军区药品仪器检验所 江苏南京
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第一军医大学生物医学工程系 广东广州
南京军区南京总医院 江苏南京)
引言:自 1791 年 Galvani 通过青蛙实验证实了生物电的存在后,各国学者便通过电生理学来研究 人类自身.神经传导信号中包含了大量的生理和疾病信息,综合反映了神经系统功能,对于神经病变尤 其是早期病变诊断价值较大.由于神经传导信号比较微弱,外部噪声对信号干扰很大,信号提取比较困 难. 我们利用虚拟仪器技术构建神经传导信号检测平台并用 LabVIEW 进行信号处理, 取得了较好效果. 一,神经传导检测概述: 神经系统通过动作电位传递信息,应用这个原理我们可以通过电生理检查获得神经系统信息,判断 疾病情况.神经传导检测(Nerve Conduction Studies) ,即先给予刺激使神经纤维除极,然后记录所诱 发的响应.神经传导检测可以客观评价周围神经的功能特征,对神经病变准确定位. 神经传导一般可分为运动神经传导和感觉神经传导,在神经传导检测中常用的电信号有复合肌肉动 作电位(compound muscle action potentials; CMAP,也称 M 波) ,感觉神经动作电位(sensory nerve action potentials; SNAP) ,另外还有一些晚反应和反射测定如 F 波(F wave ) 反射等.其中 CMAP ,H 最容易定量,是记录区域神经支配肌纤维电活动总和,用于评价支配躯体肌肉的周围神经运动轴突功能. SNAP 检测用于探测早期神经损害-即显示脱髓鞘的,髓鞘再生的或变性纤维的小晚成分.F 波是前角 细胞逆向兴奋的回返放电(backfiring) ,即兴奋运动神经的逆向冲动,传入相应的脊髓前角细胞,经过 中间神经元或树突网,而直接或间接地兴奋其他前角细胞,然后再经该运动神经传出,到达所支配的肌 肉,出现一个晚反应,主要用于近端段神经检测. 二,系统硬件设计 神经传导检测样机由神经信号采集电路和 NI 公司的数据采集卡 PCMCIA-6024E 组成,使用虚拟仪 器软件 LabVIEW 制作人机交互操作界面,负责发出操作指令,接收和处理数据,显示信号波形.神经 信号采集电路包含信号放大电路,滤波电路,恒流刺激电路和电源电路等硬件电路.整机设计如图 1 所
数据采 集卡 (6024E) 地 隔 离 滤波 前置放大 浮 恒流刺激器 传感器
PC 机
示. 图 1 整机设计框图 神经传导检测所需的刺激脉冲周期为 1～2s,刺激脉宽为 0.1～1ms,刺激电流为 10～40mA.神经 传导信号的频率较高,所以采样频率设为 1,000～10,000Hz 可调.神经传导检测记录的是刺激后的诱 发响应,一般只要采集刺激后 20~60ms 数据.6024E 带有 16 路 12 位分辨率的模拟输入通道,采样率 最高为 200kS/s, 2 路 12 位分辨率的模拟输出通道和 2 个 24 位定时器,完全满足神经传导检测需要. 为保证精度,神经传导检测的刺激脉冲由定时器控制输出. 神经信号采集电路可直接使用板载 5V 电源,滤波后经 DC-DC 变换产生±5V 和±12V 浮地电源,与 人体接触部分电源全部浮地,从而既降低了噪声,又能符合医疗器械安全规范. 1,前置放大电路设计 众所周知,微弱生理信号检测的最难之处是如何解决干扰问题.神经传导信号中 SNAP 信号幅度约 为 20V,而且信号频带较宽(20～3,000Hz) ,极易受到外界干扰(主要是工频干扰)和系统内刺激器的 干扰,因此前置放大器设计是对整个系统性能具有根本性的影响.
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R1056 +5 4 C107 1 2 U103D 12 SNAP R1055 -5 R132 14 13 11 C118 R1054 C1031 R1053 R1052 R1051 R128 11 +5 U102A 3 +5 R130 R131 R129 4 U103A 3 1 2 R127 10k R1271 C117
U4
C106
R11 C103 R105 J1 7 1 2 3 4 1 R101 1 C101 1 D101 D102 2 C104 4 R102 C102 R104 2 6 3 5 R121 R107 C109 6 R111 U101 8 C105 R106 U102B 5 7 R103 +5 R108 C108 R109 C110 R113 U102D 12 14 R110 U102C 10 8 9 R112 CMAP 1 R114 1 2 C111 2 13 6 C112 C113 5

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