腦電肌電記錄儀的系統安裝與信號調試

王娟

(豪沃生物科技(上海)有限公司,上海200050)

1 項目概況

小動物腦電肌電記錄系統主要是用于進行大鼠或小鼠腦電肌電記錄、睡眠評價、睡眠剝奪、同步視頻采集等試驗的儀器設備及軟件。該項目包含以上所有設備的安裝與信號調試,動物手術實驗操作、信號采集、腦電睡眠評分分析的培訓等內容。

該項目的重點和難點集中在動物的電肌電采集設備的安裝與調試、腦電和肌電電極安裝的手術操作、如何通過腦電與肌電對自由活動動物的清醒、快速眼動睡眠和非快速眼動睡眠狀態進行準確客觀的區分,并進行時長和睡眠- 覺醒次數的統計,以用于后續藥物干預實驗的藥效評價。

2 整體結構及工作原理

2.1 整體結構

該小動物腦電肌電記錄系統的硬件部分包含數據采集和調理器、萬向轉向器、前置放大器、動物腦電肌電電極及配件、頭帽、視頻采集系統等；軟件部分包含數據采集和睡眠專業分析軟件。該套系統的整體架構為將已放置好電極的動物放置于清醒活動籠中,使其自由活動、飲水和取食,同時平板支架上的攝像頭對其活動進行不間斷拍攝,重量極輕的前置放大器插入連接適配器(頭帽)中,并連接轉向器和數據采集器,信號數據通過USB 連接線接入電腦軟件中。(圖1)

2.2 工作原理

該系統使用植入動物腦皮層的特質螺釘電極引入腦電、以鉑絲植入動物頸部肌肉引入活動肌電,電信號經過前置放大器經過初步的放大和過濾,經過數據采集和調理器進行二次放大和過濾,待植入電極的動物恢復5-7 天后,通過數據采集軟件記錄其動物皮層腦電(2 通道信號)和頸部肌電(1 通道信號),記錄過程中動物為清醒自由活動的狀態,可通過長時間的記錄來研究動物生理或疾病狀態下清醒和睡眠狀態。萬向轉向器可防止動物在自由活動中信號線的打結與纏繞,保證實驗結果準確傳輸至采集軟件中。清醒活動籠籠壁有專門的開孔,用于放置水瓶和垂直不銹鋼食槽,以維持動物正常的飼養環境,保證實驗準確有效的進行。睡眠專業分析軟件通過對采集的腦電和肌電信號進行再次分析,如進行濾波、傅里葉變換等處理,得到頻譜圖、熱圖等,以此作為清醒、非快速眼動和快速眼動的評分基礎,通過時段區分得到動物的平均睡眠和清醒時長、時相轉化次數、睡眠時相序列圖、不同評分人員數據對比等統計數據,最后用于睡眠模型、新藥研發、上市藥物評估等不同的課題或研究方向。

圖1 小動物腦電肌電系統整體演示圖

3 儀器安裝

3.1 儀器元部件安裝

數據采集器和前置放大器需要按照正確的方向和連接才能獲得穩定精確的信號：前置放大器的6 個引腳分別為接地電極、參考電極、腦電1、腦電2、肌電左、肌電右的信號,使采集器可最終采集到2 通道腦電和1 通道肌電的信號。

同步視頻采集系統的視頻采集卡為PCI 接口,不同于市面上通用的USB 接口,要求安裝的電腦必須具備空閑的、且散熱風扇不能阻擋視頻采集卡安裝方向的PCI 接口,安裝前要打開電腦主機確認主板內的PCI 接口位置,據此判斷電腦是否適合安裝,或者是否需要額外適配專用的連接線。該系統最多可同時連接8 個攝像機同時工作,每個攝像機接口具有對應的顏色作為標識。其它顏色對應的通道序號如圖2 所示。

圖2 相機序號與對應的顏色標識對照表

單通道默認連接紅色端口,相機通道1。攝像機可通過螺母安裝到不銹鋼平板上,使其可完全覆蓋動物的活動范圍。

3.2 軟件、硬件驅動安裝和設置

在硬件驅動和軟件安裝的過程中,部分電腦可能會缺少配置文件而造成安裝失敗。軟件會經常出現缺少特定的dll 配置文件的錯誤提示,將該文件拷貝至電腦系統盤中,緊接著還會跳轉到缺少另一個dll 配置文件的錯誤提示中,此時應將軟件所需要的所有dll 配置文件拷貝至C 盤指定路徑中可解決安裝錯誤問題。軟件運行完成后,在電腦設備管理器的“通用總線控制器”中查找EEG/EMG 驅動,判斷其是否已經成功安裝并識別,若驅動安裝失敗,需要根據電腦的系統參數查找指定的禁用驅動程序簽名的方法來修改驅動的數字簽名,最終硬件驅動程序才能正確安裝。

在數據采集記錄軟件中設置信號采樣率：400Hz；放大倍數：100。正式實驗前,需要使用數據信號源測試硬件是否能正常運行,觀察采集測試界面信號,腦電1,腦電2,肌電處應出現±75uV的正弦信號,證明數據采集器和前置放大器可以正常運行。

在信號采集軟件中添加并設置攝像機參數,選擇相機1(紅色標識)代表的相機序列號,若誤選其它序號,將導致畫面無信號。攝像頭添加過程中易出現以下4 種問題：(1)無視頻信號：排除序號選錯的問題,無視頻信號標識視頻軟件驅動沒有自動安裝成功,需要重新打開驅動安裝包進行手動安裝。(2)畫面黑屏：此時應檢查電源線是否連接、相機開關是否正常、延長線是否有連接失誤等。(3)畫面質量較差,出現雪花：此時應檢查視頻信號線,即BNC 轉VGA連接線是否連接牢靠。(4)視頻畫面滾動,無法穩定：需要在電腦regedit 界面中將視頻軟件的注冊序號更改為“1”,方可解決該問題。

成功記錄到腦電肌電最重要的是電極的準確放置：將頭帽粘在顱骨前囟點前2-3mm 的位置,此位置能夠記錄到較為明顯的前額葉皮層的腦電信號。對小鼠顱骨進行鉆孔時應注意力度的把握,緩慢旋轉針頭,既要保證鉆孔大小正好能夠使螺釘電極緊密的擰入小鼠顱骨,又要保證剛好穿透硬腦膜,且不會對腦組織產生損傷。操作時須采用顯微彎鑷固定住螺釘頭部,用力慢慢旋轉螺釘,該操作過程中應感到越擰越緊,但要預留1mm 的位置,不要擰到最緊。按上述方法在動物頭部共打入4枚螺釘電極,使用電流表進行檢測,所有信號路徑為通路時,驗證電極安裝成功。為增強電極的導電性,應在螺釘未擰緊處涂抹銀膠,該過程中要防止過多的銀膠使螺釘與螺釘之間短路。

4 信號調試與優化

4.1 信號調試

小鼠恢復5-7 天后進行腦電和肌電電信號調試[2]。將前置放大器按指定方向插入頭帽裝置,打開軟件觀察腦電肌電信號形態。正常大小鼠皮層腦電主要呈現不規律的波形,頻率范圍0-30Hz,與人類腦電類似,在清醒時振幅一般在100uV 以下。而小鼠肌電信號隨著動物的活動狀態會出現顯著的改變,活動時,肌電信號頻率和振幅都明顯增加,安靜時,電信號頻率規則,振幅較小,能夠維持在10uV 左右。如圖3 所示。

在信號調試過程中,可能會遇到信號異常的情況,需要分析原因并進行調整,以獲得最正確的生理信號。

4.1.1 若腦電波形隨動物的活動出現大幅度的變化,振幅遠超過正常范圍,則需要重新調整電極的安裝,尤其注意螺釘在擰入顱骨時不能過松,否則即會出現腦電記錄基線不穩,甚至大幅度變化的情況(圖4),該過程中也不能造成過量的出血,凝固的血液會影響螺釘電極表面電阻,造成腦電信號失真甚至無信號的情況發生。

圖3 野生型小鼠正常的腦電肌電波形

圖4 野生型小鼠異常腦電與肌電波形

圖5 野生型小鼠睡眠分析例圖

4.1.2 若肌電信號的振幅不隨動物的活動而發生改變,且幅值接近0uV,說明肌電電極在動物頸部被折斷,需要下次在安裝肌電電極的步驟中保證肌電線不被過度彎折。

4.1.3 若在肌電信號中摻雜了大量心電信號,說明肌電電極放置在了小鼠的皮下而非肌肉內部,需要重新安裝肌電電極(圖4)。

4.2 整體優化與小鼠睡眠分析

4.2.1 記錄到的小鼠腦電可細分為α、β、θ、δ、γ 五種波形,在睡眠專業分析軟件中,首先使用功率分析定義小鼠α、β、θ、δ、γ 各自的頻率范圍(帶通濾波)。δ 波：0.5-4Hz; θ波：5.5-8.5Hz；α 波：8-13Hz；β 波：13-30Hz；γ 波：35-44Hz。設置陷波50Hz 以濾除外界環境噪音。

4.2.2 對小鼠進行半自動化睡眠評分,對于長時間的監測數據,首先常采用散點評分。動物的清醒狀態可由肌電振幅幅值大小直接判斷。非快速眼動狀態(Non-Rem)是清醒和深度睡眠的過渡階段,其具有相對突出的腦電信號特征,即在δ 波波段處信號功率明顯高于其它頻率波段,且肌電信號處于基線水平[3]；快速眼動睡眠(Rem)屬于深度睡眠,其腦電信號特征較為模糊,主要表現為δ 波與θ 波的混合波形[4],相對之下表現為δ波功率較低,且肌電信號處于基線水平。因此在散點評分中,Y軸選擇δ 波功率,X 軸選擇肌電功率,每個點表示每10s 的腦電或肌電信號,根據各個點的功率分布可將散點劃分為三個區域,可分別初步歸類為清醒,non-Rem,Rem 時段。

4.2.3 其次選擇頻譜分析,對初步分析未歸類的譜圖進行人工手動分析,頻譜圖是對每10s 的腦電肌電信號進行傅利葉變換得到的圖形,橫坐標為頻率,縱坐標為功率,可通過此頻譜圖進一步精確睡眠分析。經過半自動和手動相結合的分析方法,最終對一段長時程的腦電肌電數據進行睡眠的評分和統計。如圖5 所示。

5 結論

小動物腦電肌電記錄和睡眠分析系統經過硬件和軟件調試、電極安裝、信號濾波和頻譜分析,能夠高效、準確的對小鼠的腦電肌電信號進行數據采集和睡眠時段分析,可獲得動物長時間,如1h 甚至幾天內的活動視頻、腦電肌電生理信號波形及清醒和睡眠時間、次數等實驗數據與結果,24h 的信號數據最快10分鐘即可分析完成。該系統提供成品化的信號電極與前置放大器,且能夠半自動化的獲取動物的睡眠相關的參數信息,改善了以往手動制作電極造成的信號不穩定、手動分析信號緩慢易錯的缺陷,成為了睡眠研究必不可少的實驗工具和平臺,是現代基礎神經科學研究的有力工具。