脑电肌电记录仪的系统安装与信号调试

王娟

(豪沃生物科技(上海)有限公司,上海200050)

1 项目概况

小动物脑电肌电记录系统主要是用于进行大鼠或小鼠脑电肌电记录、睡眠评价、睡眠剥夺、同步视频采集等试验的仪器设备及软件。该项目包含以上所有设备的安装与信号调试,动物手术实验操作、信号采集、脑电睡眠评分分析的培训等内容。

该项目的重点和难点集中在动物的电肌电采集设备的安装与调试、脑电和肌电电极安装的手术操作、如何通过脑电与肌电对自由活动动物的清醒、快速眼动睡眠和非快速眼动睡眠状态进行准确客观的区分,并进行时长和睡眠- 觉醒次数的统计,以用于后续药物干预实验的药效评价。

2 整体结构及工作原理

2.1 整体结构

该小动物脑电肌电记录系统的硬件部分包含数据采集和调理器、万向转向器、前置放大器、动物脑电肌电电极及配件、头帽、视频采集系统等；软件部分包含数据采集和睡眠专业分析软件。该套系统的整体架构为将已放置好电极的动物放置于清醒活动笼中,使其自由活动、饮水和取食,同时平板支架上的摄像头对其活动进行不间断拍摄,重量极轻的前置放大器插入连接适配器(头帽)中,并连接转向器和数据采集器,信号数据通过USB 连接线接入电脑软件中。(图1)

2.2 工作原理

该系统使用植入动物脑皮层的特质螺钉电极引入脑电、以铂丝植入动物颈部肌肉引入活动肌电,电信号经过前置放大器经过初步的放大和过滤,经过数据采集和调理器进行二次放大和过滤,待植入电极的动物恢复5-7 天后,通过数据采集软件记录其动物皮层脑电(2 通道信号)和颈部肌电(1 通道信号),记录过程中动物为清醒自由活动的状态,可通过长时间的记录来研究动物生理或疾病状态下清醒和睡眠状态。万向转向器可防止动物在自由活动中信号线的打结与缠绕,保证实验结果准确传输至采集软件中。清醒活动笼笼壁有专门的开孔,用于放置水瓶和垂直不锈钢食槽,以维持动物正常的饲养环境,保证实验准确有效的进行。睡眠专业分析软件通过对采集的脑电和肌电信号进行再次分析,如进行滤波、傅里叶变换等处理,得到频谱图、热图等,以此作为清醒、非快速眼动和快速眼动的评分基础,通过时段区分得到动物的平均睡眠和清醒时长、时相转化次数、睡眠时相序列图、不同评分人员数据对比等统计数据,最后用于睡眠模型、新药研发、上市药物评估等不同的课题或研究方向。

图1 小动物脑电肌电系统整体演示图

3 仪器安装

3.1 仪器元部件安装

数据采集器和前置放大器需要按照正确的方向和连接才能获得稳定精确的信号：前置放大器的6 个引脚分别为接地电极、参考电极、脑电1、脑电2、肌电左、肌电右的信号,使采集器可最终采集到2 通道脑电和1 通道肌电的信号。

同步视频采集系统的视频采集卡为PCI 接口,不同于市面上通用的USB 接口,要求安装的电脑必须具备空闲的、且散热风扇不能阻挡视频采集卡安装方向的PCI 接口,安装前要打开电脑主机确认主板内的PCI 接口位置,据此判断电脑是否适合安装,或者是否需要额外适配专用的连接线。该系统最多可同时连接8 个摄像机同时工作,每个摄像机接口具有对应的颜色作为标识。其它颜色对应的通道序号如图2 所示。

图2 相机序号与对应的颜色标识对照表

单通道默认连接红色端口,相机通道1。摄像机可通过螺母安装到不锈钢平板上,使其可完全覆盖动物的活动范围。

3.2 软件、硬件驱动安装和设置

在硬件驱动和软件安装的过程中,部分电脑可能会缺少配置文件而造成安装失败。软件会经常出现缺少特定的dll 配置文件的错误提示,将该文件拷贝至电脑系统盘中,紧接着还会跳转到缺少另一个dll 配置文件的错误提示中,此时应将软件所需要的所有dll 配置文件拷贝至C 盘指定路径中可解决安装错误问题。软件运行完成后,在电脑设备管理器的“通用总线控制器”中查找EEG/EMG 驱动,判断其是否已经成功安装并识别,若驱动安装失败,需要根据电脑的系统参数查找指定的禁用驱动程序签名的方法来修改驱动的数字签名,最终硬件驱动程序才能正确安装。

在数据采集记录软件中设置信号采样率：400Hz；放大倍数：100。正式实验前,需要使用数据信号源测试硬件是否能正常运行,观察采集测试界面信号,脑电1,脑电2,肌电处应出现±75uV的正弦信号,证明数据采集器和前置放大器可以正常运行。

在信号采集软件中添加并设置摄像机参数,选择相机1(红色标识)代表的相机序列号,若误选其它序号,将导致画面无信号。摄像头添加过程中易出现以下4 种问题：(1)无视频信号：排除序号选错的问题,无视频信号标识视频软件驱动没有自动安装成功,需要重新打开驱动安装包进行手动安装。(2)画面黑屏：此时应检查电源线是否连接、相机开关是否正常、延长线是否有连接失误等。(3)画面质量较差,出现雪花：此时应检查视频信号线,即BNC 转VGA连接线是否连接牢靠。(4)视频画面滚动,无法稳定：需要在电脑regedit 界面中将视频软件的注册序号更改为“1”,方可解决该问题。

成功记录到脑电肌电最重要的是电极的准确放置：将头帽粘在颅骨前囟点前2-3mm 的位置,此位置能够记录到较为明显的前额叶皮层的脑电信号。对小鼠颅骨进行钻孔时应注意力度的把握,缓慢旋转针头,既要保证钻孔大小正好能够使螺钉电极紧密的拧入小鼠颅骨,又要保证刚好穿透硬脑膜,且不会对脑组织产生损伤。操作时须采用显微弯镊固定住螺钉头部,用力慢慢旋转螺钉,该操作过程中应感到越拧越紧,但要预留1mm 的位置,不要拧到最紧。按上述方法在动物头部共打入4枚螺钉电极,使用电流表进行检测,所有信号路径为通路时,验证电极安装成功。为增强电极的导电性,应在螺钉未拧紧处涂抹银胶,该过程中要防止过多的银胶使螺钉与螺钉之间短路。

4 信号调试与优化

4.1 信号调试

小鼠恢复5-7 天后进行脑电和肌电电信号调试[2]。将前置放大器按指定方向插入头帽装置,打开软件观察脑电肌电信号形态。正常大小鼠皮层脑电主要呈现不规律的波形,频率范围0-30Hz,与人类脑电类似,在清醒时振幅一般在100uV 以下。而小鼠肌电信号随着动物的活动状态会出现显著的改变,活动时,肌电信号频率和振幅都明显增加,安静时,电信号频率规则,振幅较小,能够维持在10uV 左右。如图3 所示。

在信号调试过程中,可能会遇到信号异常的情况,需要分析原因并进行调整,以获得最正确的生理信号。

4.1.1 若脑电波形随动物的活动出现大幅度的变化,振幅远超过正常范围,则需要重新调整电极的安装,尤其注意螺钉在拧入颅骨时不能过松,否则即会出现脑电记录基线不稳,甚至大幅度变化的情况(图4),该过程中也不能造成过量的出血,凝固的血液会影响螺钉电极表面电阻,造成脑电信号失真甚至无信号的情况发生。

图3 野生型小鼠正常的脑电肌电波形

图4 野生型小鼠异常脑电与肌电波形

图5 野生型小鼠睡眠分析例图

4.1.2 若肌电信号的振幅不随动物的活动而发生改变,且幅值接近0uV,说明肌电电极在动物颈部被折断,需要下次在安装肌电电极的步骤中保证肌电线不被过度弯折。

4.1.3 若在肌电信号中掺杂了大量心电信号,说明肌电电极放置在了小鼠的皮下而非肌肉内部,需要重新安装肌电电极(图4)。

4.2 整体优化与小鼠睡眠分析

4.2.1 记录到的小鼠脑电可细分为α、β、θ、δ、γ 五种波形,在睡眠专业分析软件中,首先使用功率分析定义小鼠α、β、θ、δ、γ 各自的频率范围(带通滤波)。δ 波：0.5-4Hz; θ波：5.5-8.5Hz；α 波：8-13Hz；β 波：13-30Hz；γ 波：35-44Hz。设置陷波50Hz 以滤除外界环境噪音。

4.2.2 对小鼠进行半自动化睡眠评分,对于长时间的监测数据,首先常采用散点评分。动物的清醒状态可由肌电振幅幅值大小直接判断。非快速眼动状态(Non-Rem)是清醒和深度睡眠的过渡阶段,其具有相对突出的脑电信号特征,即在δ 波波段处信号功率明显高于其它频率波段,且肌电信号处于基线水平[3]；快速眼动睡眠(Rem)属于深度睡眠,其脑电信号特征较为模糊,主要表现为δ 波与θ 波的混合波形[4],相对之下表现为δ波功率较低,且肌电信号处于基线水平。因此在散点评分中,Y轴选择δ 波功率,X 轴选择肌电功率,每个点表示每10s 的脑电或肌电信号,根据各个点的功率分布可将散点划分为三个区域,可分别初步归类为清醒,non-Rem,Rem 时段。

4.2.3 其次选择频谱分析,对初步分析未归类的谱图进行人工手动分析,频谱图是对每10s 的脑电肌电信号进行傅利叶变换得到的图形,横坐标为频率,纵坐标为功率,可通过此频谱图进一步精确睡眠分析。经过半自动和手动相结合的分析方法,最终对一段长时程的脑电肌电数据进行睡眠的评分和统计。如图5 所示。

5 结论

小动物脑电肌电记录和睡眠分析系统经过硬件和软件调试、电极安装、信号滤波和频谱分析,能够高效、准确的对小鼠的脑电肌电信号进行数据采集和睡眠时段分析,可获得动物长时间,如1h 甚至几天内的活动视频、脑电肌电生理信号波形及清醒和睡眠时间、次数等实验数据与结果,24h 的信号数据最快10分钟即可分析完成。该系统提供成品化的信号电极与前置放大器,且能够半自动化的获取动物的睡眠相关的参数信息,改善了以往手动制作电极造成的信号不稳定、手动分析信号缓慢易错的缺陷,成为了睡眠研究必不可少的实验工具和平台,是现代基础神经科学研究的有力工具。