Windows95/98環(huán)境下神經(jīng)信號的采集和分析系統

摘要：介紹了神經(jīng)放電信號的一些特征，并介紹了針對Windows95/98操作系統的特點(diǎn)所設計的一種神經(jīng)信號實(shí)時(shí)采集和分析硬、軟件系統，該系統為分析神經(jīng)信號提供了一種基本的方法。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)信號 神經(jīng)信號的甄別 中斷 虛擬設備驅動(dòng)程序

在神經(jīng)生物學(xué)研究中，常常需要把微電極插到腦中神經(jīng)細胞附近，記錄單個(gè)神經(jīng)細胞的放電（即動(dòng)作電位）活動(dòng)，以了解神經(jīng)細胞的正常功能和異常變化。神經(jīng)細胞的放電是一種尖峰狀脈沖式數字信號，波幅約100~150mV，持續時(shí)間約1~2ms，重復頻率最高可達數百赫茲。神經(jīng)細胞在靜息時(shí)存在不規則的基礎放電活動(dòng)，在受到刺激后會(huì )發(fā)生反應，表現為其放電頻率在基礎放電背景上的增高或者降低，而這些增高或降低的部分則代表有效的神經(jīng)信息。由于神經(jīng)細胞對刺激的反應會(huì )在刺激后某個(gè)固定的時(shí)間段出現，而基礎放電則是隨機出現的，因而目前常用的處理神經(jīng)信息的辦法是對神經(jīng)細胞進(jìn)行多次重復的刺激，同時(shí)把某對每次刺激的反應結果疊加起來(lái)，做成所謂“刺激后的時(shí)間直方圖”和“鋒電位間隔直方圖”，從而將這種有效信息的統計學(xué)規律顯現出來(lái)。根據研究工作的需要，我們開(kāi)發(fā)了一套基于Windows95/98系統的神經(jīng)信號采集和分析系統。該系統能夠滿(mǎn)足神經(jīng)生物學(xué)研究的需要，并具有一定的推廣前景。

1 系統構成

整個(gè)系統由硬件系統和軟件系統兩大部分構成。硬件系統主要包括微電極放大器、窗口甄別器、數據采集卡和微型計算機。如圖1所示，將玻璃微電極插入動(dòng)物腦中拾取神經(jīng)細胞的放電信號，并由微電極放大器將信號放大。經(jīng)放大后的神經(jīng)細胞放電信號送入窗口甄別器進(jìn)行信號的選取和波形的轉換，然后將轉換所獲得的與神經(jīng)細胞放電信號一一對應的TTL脈沖信號送入數據采集卡，通過(guò)卡上的A/D轉換器將此信號采集進(jìn)計算機內。計算機的任務(wù)是對神經(jīng)細胞的放電信號進(jìn)行分析處理、存儲實(shí)驗數據、顯示輸出處理結果。

軟件系統是基于Windows95/98環(huán)境自編的信號采集和分析系統，可以做出神經(jīng)細胞放電信號的刺激后時(shí)間直方圖和鋒電位時(shí)間時(shí)隔直方圖。為了讓系統在Windows95/98下能可靠工作，我們針對數據采集卡編寫(xiě)了虛擬設備驅動(dòng)程序。通過(guò)VxD對硬件操作，既可以使程序穩定可靠地對硬件設備進(jìn)行讀寫(xiě)，又可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)處理信號的要求。

1.1 系統中各硬件的設計

1.1.1 窗口甄別器

由于神經(jīng)細胞在腦內是處于容積導體之中，因而被微電極拾取到的往往是不止一個(gè)神經(jīng)細胞的放電信號。窗口甄別器的作用在于可以使實(shí)驗者根據神經(jīng)放電信號的幅度設置電平窗口，從幾個(gè)幅度不一的神經(jīng)細胞放電中有選擇地獲取某一個(gè)細胞的放電信號并將所選取的信號轉換成TTL脈沖，使計算機能夠準確地加以識別。窗口甄別器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)施密特觸發(fā)器，但為適應于神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗的需要而增設了一附加電路，如窗口線(xiàn)增輝發(fā)生和調節電路、刺激偽跡抑制電路和TTL信號輸出的音響電路等。圖2為窗口甄別器作用示意圖。凡進(jìn)入甄別窗口內的神經(jīng)細胞放電信號均可觸發(fā)施密特電路，從而在儀器的輸出端獲得一個(gè)與神經(jīng)放電信號時(shí)間上相對應的TTL脈沖。實(shí)驗者可以根據需要調節上、下兩根窗口甄別線(xiàn)的高低來(lái)選定欲采集和分析的神經(jīng)放電信號，摒棄其它不需要的放電信號。

1.1.2 數據的采集和量化

數據的采集通過(guò)數據采集卡（AC1810型，北京雙諾技術(shù)有限公司）完成。該數據采集卡有一個(gè)最高采樣率為100kHz的A/D轉換器，量化精度為12bits。該卡提供8通道雙端輸入，每通道帶一個(gè)采樣保持器，可并行采集8路信號。同時(shí)，卡上帶有1K字的FIFO緩存，當FIFO緩存半滿(mǎn)時(shí)，會(huì )發(fā)出中斷信號。

由于本系統除了采集神經(jīng)細胞放電這種數字電信號外，還要同時(shí)采集其它的模擬電信號（如腦電、心電、肌電和血壓變化等）。為方便起見(jiàn)，在信號采集模塊中把這兩種性質(zhì)不同的輸入信號都通過(guò)A/D采樣方式輸入計算機。另外，由于鋒電位間隔直方圖分析神經(jīng)細胞放電信號需要有0.1ms的時(shí)間間隔分辨率，我們選擇10kHz/通道的采樣率。

1.1.3 微型計算機

由于普通PC兼容機價(jià)格低廉、支持軟件眾多，我們選用了80x86系列的微型計算機來(lái)處理數據和顯示處理結果。

1.2 軟件編程

由于Windows95/98系統日益普及，我們選擇了Windows95/98系統為軟件的系統平臺。軟件系統由VxD、動(dòng)態(tài)鏈接庫和應用程序三個(gè)部分共同構成。在Windows95/98操作系統中，應用程序運行在第3特權級。如果應用程序執行了受限制指令，特別是執行了任務(wù)轉換和中斷處理等指令時(shí)，會(huì )引發(fā)處理器產(chǎn)生中斷，結果Windows系統將會(huì )給出錯誤信息，并可能終止這一程序。因此，對硬件的操作必須通過(guò)運行在第0特權級上的VxD進(jìn)行，與硬件無(wú)關(guān)的數據分析和處理部分則可以交給應用程序完成。Windows95/98是分時(shí)多任務(wù)系統，為了能及時(shí)地將數據從A/D轉換器的FIFO緩存中取出，避免因線(xiàn)程處于等待狀態(tài)而丟失數據，信號采集模塊采用了中斷采樣方式采集數據。按結構分，可以把軟件系統分為信號采集模塊和數據處理模塊兩大部分。信號采集模塊由VxD和數據處理模塊兩大部分。信號采集模塊由VxD和DLL構成，數據處理模塊則放在應用程序中。信號采集模塊通過(guò)消息機制向數據處理模塊傳遞信息，數據處理模塊通過(guò)Windows的API函數DeviceIoControl()完成與信號采集模塊的數據通訊。

1.2.1 信號采集模塊

信號采集模塊的流程圖如圖3所示。VxD負責進(jìn)行實(shí)際的I/O操作，并完成中斷采樣。DLL封裝了應用程序與VxD之間進(jìn)行數據交換的接口。通過(guò)DLL可以使應用程序和VxD相對獨立，便于日后軟、硬件的升級和維護。VxD在初始化的過(guò)程中，掛鉤中斷，并向系統申請一塊緩沖區，用于存放中斷采集的數據。在工作過(guò)程中，當操作系統響應數據采集卡發(fā)出的中斷請求后，即調用VxD內的中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序則將數據采集卡FIFO內的數據讀入VxD的緩存區，并向應用程序發(fā)送一個(gè)消息，然后退出中斷服務(wù)程序。應用程序在接收到VxD發(fā)來(lái)的消息后，通過(guò)消息響應函數把VxD緩存區內的數據讀取到應用程序的臨時(shí)數據區，然后將A/D轉換器采集的數據按照通道來(lái)源分配到與各個(gè)通道相對應的文檔類(lèi)實(shí)例的數據區中。

1.2.2 數據處理模塊

如前所述，為了揭示神經(jīng)細胞對刺激反應的統計規律，所采集的神經(jīng)細胞放在電信號要被處理成刺激后時(shí)間直方圖和鋒電位間隔直方圖，處理過(guò)程的流程見(jiàn)圖4.首先根據信號采集模塊輸入的TTL脈沖信號，計算出每次神經(jīng)細胞放電所對應的時(shí)間。對于刺激后時(shí)間直方圖，這些時(shí)間數據被轉換成效電時(shí)刻與同步起始時(shí)間點(diǎn)之間的時(shí)間的時(shí)間間隔數據。根據這些時(shí)間間隔數據，將直方圖上單位時(shí)間內的放電次數加和，得到神經(jīng)細胞放電頻率隨時(shí)間變化的函數圖，即做成基于單次掃描實(shí)驗結果的刺激后時(shí)間直方圖，從而揭示出神經(jīng)細胞對刺激反應的統計學(xué)規律。在此基礎上，也可以進(jìn)一步做出基于多次掃描實(shí)驗結果的刺激后時(shí)間直方圖，即將每一次掃描所得到的單次掃描刺激后時(shí)間直方圖從同步起始點(diǎn)開(kāi)始逐點(diǎn)地疊加起來(lái)，繪制成累加的刺激后時(shí)間直方圖，以更好地揭示神經(jīng)細胞對刺激反應的統計學(xué)規律。對于鋒電位電隔直方圖，則根據每次神經(jīng)細胞放電對應的時(shí)間，計算出相鄰兩次放電之間的時(shí)間間隔，然后按鋒電位的時(shí)間間隔做成鋒電位間隔事件分布直方圖，以揭示神經(jīng)信息編碼的變化情況。與刺激后時(shí)間直方圖一樣，也可以將這種直方圖做成多次掃描的累加峰電位間隔直方圖。

應用程序是按照文檔-視結構編寫(xiě)的，每一個(gè)通道對應于一個(gè)文檔類(lèi)實(shí)例，每個(gè)通道的數據都存放在對應于該通道的文檔類(lèi)實(shí)例中。上面所述的數據處理方法也放在文檔類(lèi)中，每個(gè)文檔用多個(gè)與該文檔相關(guān)聯(lián)的視圖，來(lái)顯示對同一數據進(jìn)行不同方法的數據處理所得到的結果。通過(guò)調用文檔類(lèi)的方法，計算出刺激后時(shí)間直方圖數據和鋒電位間隔直方圖數據，然后與在該文檔相關(guān)聯(lián)的視類(lèi)中繪制刺激后時(shí)間直方圖和鋒電位間隔直方圖，并由文檔類(lèi)將每次放電的時(shí)刻作為原始數據保存。

2 應用實(shí)例

圖5是本系統實(shí)際使用的一個(gè)例子。其中圖A為刺激后時(shí)間直方圖應用實(shí)例。直方圖橫座標是時(shí)間，縱座標是神經(jīng)細胞的放電頻率，實(shí)驗記錄的是一個(gè)貓小腦浦肯野細胞對刺激的反應。從圖可見(jiàn)細胞在受到刺激后放電頻率顯著(zhù)增高，即其對刺激產(chǎn)生了興奮反應，隨后其放電頻率逐漸恢復到基礎狀態(tài)。圖B和C分別顯示該細胞的刺激前和刺激后鋒電位間隔直方圖，兩圖的分析窗口分別顯示于圖A上方。比較B和C兩圖，發(fā)現該細胞放電的時(shí)間間隔峰在受到刺激后左移，提示其在刺激前后編碼的信息發(fā)生了變化。

該系統為神經(jīng)生物學(xué)及其相關(guān)學(xué)科（如生理學(xué)、藥理學(xué)等）的教學(xué)和科研提供了一個(gè)有力的數據分析手段，具有廣泛的應用前景。