微机化神经阈值探测仪
作者：汤黎明 吴敏 戚仕涛
单位：南京军区南京总医院 南京210002
关键词：神经；阈值；探测
北京生物医学工程000411 摘 要 本文叙述了一种神经阈值探测仪的设计、组成和临床应用方法，它的应用为脑瘫病人的外科治疗提供了一条新方法。
0 概 述
痉挛性脑瘫病人的治疗康复一直是国内外医学专家、工程技术人员攻克难题之一。微机化神经阈值探测仪，主要用于脑瘫病人行选择性脊神经后根部切断神经纤维的强度探测，以达到治疗痉挛性脑瘫的目的。经临床手术治疗证明，在解除痉挛和改善病人自主功能等方面为脑瘫的外科治疗开拓了一条新路。
1 工作原理
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根据电生理神经反应原理，强度、时间双曲线显示探测神经阈值大小，可以通过肌肉组织间接反映。也就是说肌肉组织反应的强弱程度，反映出该部分神经对应控制的程度大小。在设计上我们通过产生一定幅度、频率的电信号对神经元进行刺激，使其对所控制的肌肉组织产生生理反应并观察生理反应，以确定神经组织阈值的大小。电路框图如图1示。
图1 电路框图
系统组成主要包括振荡器、计数器、数/模转换器、功率放大器及8098单片机。8098单片机是一种高性能单片机，其内部有1个16位中央处理器CPU，2个4位和8位并行I/O接口，4个输入通道的10位A/D转换器，1个脉冲宽度调制输出(PWM)和多路高速输入(HSI)/输出(HSO)通道。其功能可与一台微型计算机系统相媲美。
在振荡器与8098接口电路连接过程中为了不影响主机工作，我们选用8155与8098联接，其READ、WRITE、HOLD信号分别由8098的P20、P21、P25提供。中央处理器可以通过程序对5832进行写入操作，即设置初始振荡值，并通过程序对5832进行读操作，读出的数据送显示器显示。8098是通过8155与5832联接，因此在对5832进行读/写操作时，5832的读/写命令由P20、P21的置位来提供。P25置位使所有计数器锁定，即保持不变。
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计数器功能由8098内部程序进行计数，主要产生不同的频率和占空比的脉冲波，以便进行不同条件下的频率和占空比的选择。由于采用了单片机8098中设置有6个高速输出通道(HSO0—HSO5)，这6个通道可用来按程序规定的特定时刻触发一个或多个事件，即输出触发信号。其中外部条件有8种，触发信号由HSO0—HSO5输出。这样就可以使用HSO产生具有任意占空比的脉冲或宽度可调的方波。由于计数器的计数脉冲是系统信号程序规定设计的脉冲，该方波进行图示波形积分，可得到8位分辨率的模拟信号。其转换输出电路如图2所示。
图2 D/A转换模拟输出
图中CD4049是反向缓冲器，R和C的值决定于输出信号的频率。选择适当的R、C值，可获得最佳输出波形。实际使用DAC0832八位数/模转换器，DAC0832是一种8位单片D/A转换器，采用单缓冲器工作方式，也可选用8098单片机的联接，DAC0832的ILE接+5V电压，WR1和WR2接单片机的WR输出端，XFER接单片机的地线A0，片选信号CS接地址线。A15即线选法。DAC0832作为单片机的一个外围接口，可分配一个专门的口地址，譬如7FFEH。这样，单片机只要执行一条输出指令，就可以把数据直接送入DAC0832中的DAC寄存器，经D/A转换后由输出端输出一模拟的电压信号。单片机输出的数据不同，在输出端获得的电压信号也就不同。8098单片机输出程序如下：
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…
LD BX，#7FFEH
LDB AL,#DATA
STB AL,[BX]
…
其输出电压V0与Vref有如下关系：
调整Vref、Rf0和R0可见地参考电压不变的条件下，只要8098数字信号输出呈现变化，就可以改变输出电压的幅值，达到输出幅值调节的目的。由于采用单片机进行数字信号输出量的选择调整，其精度比以往的传统方式要准确得多。
功率放大器TDA2006放大信号经音频脉冲变压器输出对病人神经进行刺激。为了保持刺激信号幅度值的稳定，从功率输出反馈回8098ACH4信号，经A/D转换与设计参考数进行比较，以调整输出信号保持刺激值的恒定。
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2 临床应用
单片机调整分档多由输出级差激发，不仅可配合各种类型的肌电图仪准确测定各种神经纤维的阈值强度，也可通过肉眼观察相关肌肉收缩来探明各神经纤维束阈值强度的高低，肌肉收缩反应可以用来作为反映神经兴奋的标志，也是身体肌肉兴奋本身的直接标志，神经的刺激阈值低，导致下肢肌肉张力增加，因而临床也可分两种方法：
其一，单机实用。开颅后显露脊神经后根，并将每个后根分成粗细相近的细束(一般8～10束)后，将输出电极探针钩住某一细束，从零开始逐渐增大输出信号幅值，开始可分档输出较大级数调整，同时观察相关肌群，一旦肌群有收缩活动即停止信号增大输出，然后变换为较小级数档，在小范围内调节，达到最确切输出值，接记录键，存储该激发信号强度值，迅速下降输出到零。然后依次一一测量另外几根神经细束，探测全部神经细束完毕后，打印结果，寻找激发信号最低的细束，切去长2～4cm一段。最低细束一般切除20%～50%，若肌肉收缩可疑，则可与临床症状结合判断。倘若肌肉收缩持续痉挛或波及不相关的肌肉时也可作为切断的依据。
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其二，配合肌电图使用。首先以针形电极插入双下肢内收肌、股四头肌、胫前肌及腓肠肌以手术备用，对全麻患者提前不用或减少肌肉松弛药以减少药物对探测精度的影响。
探测时用输出电极探针钩住分好的神经小束，从零开始逐渐增大输出，注意观察肌电图记录反映，当出现肌电反应时，输出信号继续增大有肌电反应显示值的30%(目的是保证全部神经纤维束被激发)。若肌电反应增加呈痉挛性、多向性及持续性者则属异常，将神经细束给予切断，肌电反应扩展到不相关的及对侧肌群者也属异常，并可作为切断神经小束的依据。在肌电图反应可疑时，可结合病人的临床症状，每个病人需测试约60～70个神经小束，神经小束后根需切断约占20%～50%。
3 讨 论
1、该阈值探测仪，用第二种方法效果较之第一种显著，但为避免交流电干扰宜在屏蔽室操作，病人身体接地线，以防交流电从人体传入仪器，接地线位置靠引导电极越近，干扰越小。
2、该探测仪除作为脑瘫手术治疗外还可用以偏瘫病人刺激之用，即可作为康复理疗仪器进行较高精度上的刺激治疗。
3、神经阈值对于各种不同的波形(正弦波、锯齿波等)及可变占空比的反应程度如何还有待进一步的研究、探讨。
作者简介：汤黎明(1957—)，男，南京军区南京总医院医学工程器材科副主任，高级工程师。
(2000-02-17收稿，2000-03-21修回), http://www.100md.com
单位：南京军区南京总医院 南京210002
关键词：神经；阈值；探测
北京生物医学工程000411 摘 要 本文叙述了一种神经阈值探测仪的设计、组成和临床应用方法，它的应用为脑瘫病人的外科治疗提供了一条新方法。
0 概 述
痉挛性脑瘫病人的治疗康复一直是国内外医学专家、工程技术人员攻克难题之一。微机化神经阈值探测仪，主要用于脑瘫病人行选择性脊神经后根部切断神经纤维的强度探测，以达到治疗痉挛性脑瘫的目的。经临床手术治疗证明，在解除痉挛和改善病人自主功能等方面为脑瘫的外科治疗开拓了一条新路。
1 工作原理
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根据电生理神经反应原理，强度、时间双曲线显示探测神经阈值大小，可以通过肌肉组织间接反映。也就是说肌肉组织反应的强弱程度，反映出该部分神经对应控制的程度大小。在设计上我们通过产生一定幅度、频率的电信号对神经元进行刺激，使其对所控制的肌肉组织产生生理反应并观察生理反应，以确定神经组织阈值的大小。电路框图如图1示。
图1 电路框图
系统组成主要包括振荡器、计数器、数/模转换器、功率放大器及8098单片机。8098单片机是一种高性能单片机，其内部有1个16位中央处理器CPU，2个4位和8位并行I/O接口，4个输入通道的10位A/D转换器，1个脉冲宽度调制输出(PWM)和多路高速输入(HSI)/输出(HSO)通道。其功能可与一台微型计算机系统相媲美。
在振荡器与8098接口电路连接过程中为了不影响主机工作，我们选用8155与8098联接，其READ、WRITE、HOLD信号分别由8098的P20、P21、P25提供。中央处理器可以通过程序对5832进行写入操作，即设置初始振荡值，并通过程序对5832进行读操作，读出的数据送显示器显示。8098是通过8155与5832联接，因此在对5832进行读/写操作时，5832的读/写命令由P20、P21的置位来提供。P25置位使所有计数器锁定，即保持不变。
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计数器功能由8098内部程序进行计数，主要产生不同的频率和占空比的脉冲波，以便进行不同条件下的频率和占空比的选择。由于采用了单片机8098中设置有6个高速输出通道(HSO0—HSO5)，这6个通道可用来按程序规定的特定时刻触发一个或多个事件，即输出触发信号。其中外部条件有8种，触发信号由HSO0—HSO5输出。这样就可以使用HSO产生具有任意占空比的脉冲或宽度可调的方波。由于计数器的计数脉冲是系统信号程序规定设计的脉冲，该方波进行图示波形积分，可得到8位分辨率的模拟信号。其转换输出电路如图2所示。
图2 D/A转换模拟输出
图中CD4049是反向缓冲器，R和C的值决定于输出信号的频率。选择适当的R、C值，可获得最佳输出波形。实际使用DAC0832八位数/模转换器，DAC0832是一种8位单片D/A转换器，采用单缓冲器工作方式，也可选用8098单片机的联接，DAC0832的ILE接+5V电压，WR1和WR2接单片机的WR输出端，XFER接单片机的地线A0，片选信号CS接地址线。A15即线选法。DAC0832作为单片机的一个外围接口，可分配一个专门的口地址，譬如7FFEH。这样，单片机只要执行一条输出指令，就可以把数据直接送入DAC0832中的DAC寄存器，经D/A转换后由输出端输出一模拟的电压信号。单片机输出的数据不同，在输出端获得的电压信号也就不同。8098单片机输出程序如下：
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…
LD BX，#7FFEH
LDB AL,#DATA
STB AL,[BX]
…
其输出电压V0与Vref有如下关系：
调整Vref、Rf0和R0可见地参考电压不变的条件下，只要8098数字信号输出呈现变化，就可以改变输出电压的幅值，达到输出幅值调节的目的。由于采用单片机进行数字信号输出量的选择调整，其精度比以往的传统方式要准确得多。
功率放大器TDA2006放大信号经音频脉冲变压器输出对病人神经进行刺激。为了保持刺激信号幅度值的稳定，从功率输出反馈回8098ACH4信号，经A/D转换与设计参考数进行比较，以调整输出信号保持刺激值的恒定。
, 百拇医药
2 临床应用
单片机调整分档多由输出级差激发，不仅可配合各种类型的肌电图仪准确测定各种神经纤维的阈值强度，也可通过肉眼观察相关肌肉收缩来探明各神经纤维束阈值强度的高低，肌肉收缩反应可以用来作为反映神经兴奋的标志，也是身体肌肉兴奋本身的直接标志，神经的刺激阈值低，导致下肢肌肉张力增加，因而临床也可分两种方法：
其一，单机实用。开颅后显露脊神经后根，并将每个后根分成粗细相近的细束(一般8～10束)后，将输出电极探针钩住某一细束，从零开始逐渐增大输出信号幅值，开始可分档输出较大级数调整，同时观察相关肌群，一旦肌群有收缩活动即停止信号增大输出，然后变换为较小级数档，在小范围内调节，达到最确切输出值，接记录键，存储该激发信号强度值，迅速下降输出到零。然后依次一一测量另外几根神经细束，探测全部神经细束完毕后，打印结果，寻找激发信号最低的细束，切去长2～4cm一段。最低细束一般切除20%～50%，若肌肉收缩可疑，则可与临床症状结合判断。倘若肌肉收缩持续痉挛或波及不相关的肌肉时也可作为切断的依据。
, http://www.100md.com
其二，配合肌电图使用。首先以针形电极插入双下肢内收肌、股四头肌、胫前肌及腓肠肌以手术备用，对全麻患者提前不用或减少肌肉松弛药以减少药物对探测精度的影响。
探测时用输出电极探针钩住分好的神经小束，从零开始逐渐增大输出，注意观察肌电图记录反映，当出现肌电反应时，输出信号继续增大有肌电反应显示值的30%(目的是保证全部神经纤维束被激发)。若肌电反应增加呈痉挛性、多向性及持续性者则属异常，将神经细束给予切断，肌电反应扩展到不相关的及对侧肌群者也属异常，并可作为切断神经小束的依据。在肌电图反应可疑时，可结合病人的临床症状，每个病人需测试约60～70个神经小束，神经小束后根需切断约占20%～50%。
3 讨 论
1、该阈值探测仪，用第二种方法效果较之第一种显著，但为避免交流电干扰宜在屏蔽室操作，病人身体接地线，以防交流电从人体传入仪器，接地线位置靠引导电极越近，干扰越小。
2、该探测仪除作为脑瘫手术治疗外还可用以偏瘫病人刺激之用，即可作为康复理疗仪器进行较高精度上的刺激治疗。
3、神经阈值对于各种不同的波形(正弦波、锯齿波等)及可变占空比的反应程度如何还有待进一步的研究、探讨。
作者简介：汤黎明(1957—)，男，南京军区南京总医院医学工程器材科副主任，高级工程师。
(2000-02-17收稿，2000-03-21修回), http://www.100md.com