基于蓝牙传输的TMS 运动诱发电位检测系统设计

代宁宁，刘 煦，靳静娜*，逯 迈，殷 涛

（1.兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室，兰州 730070；2.中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所，天津 300192）

0 引言

经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）是一种非侵入的脑刺激技术，其原理是利用TMS仪器输出时变磁场，该磁场穿透颅骨在脑皮质产生感应电场，从而改变皮质神经细胞的动作电位，影响脑内代谢和神经电活动[1-2]。目前TMS 已经在脑科学研究及临床疾病的诊治领域得到了越来越广泛的应用。

单脉冲TMS 刺激皮层运动区产生的兴奋通过下行传导路径，使脊髓前角细胞或周围神经运动纤维去极化，在相应肌肉或神经表面记录到的电位称为运动诱发电位（motor evoked potential，MEP）[3]。在TMS的应用中，MEP 具有非常重要的作用。其一，由于个体间神经元兴奋阈值差异较大，在使用TMS 前常通过观测MEP 幅值确定个体化运动阈值以判断个体化刺激强度[4]。其二，TMS 运动诱发电位可用于检测中枢运动神经传导时间，被广泛应用于缺血性脑梗死、多发性硬化、运动神经元疾病、锥体系统疾病、癫痫、颈椎病等常见疾病的运动下行神经通路的检测以及疗效评价、预后判断等领域[5]。

目前，国内外一般使用表面肌电采集仪器检测MEP。国外最具代表性的美国Noraxon 公司的Myo系列肌电采集仪、国内上海诺诚的肌电及诱发电位仪NeuroCare-D1 都可以检测MEP，但由于这类仪器均面向传统肌电采集以及具有生物反馈、肌肉电刺激等附加的功能，致使其结构复杂、价格昂贵，且均使用有线信号传输，难以便携[6]。针对这一现状，本文采用结构简单的电路设计及蓝牙无线传输的方式，设计一种基于蓝牙传输的TMS 运动诱发电位检测系统，为基于TMS 运动诱发电位的健康检测和医学应用推广提供技术支撑。

1 TMS 运动诱发电位检测系统设计

MEP 是一种微弱且非平稳的电压信号，幅值为50 μV～2 mV，频率为20～1000 Hz[7]。本文针对MEP 的微弱性和易受干扰的特点，以及便携式与实时数据传输设计要求，设计了基于蓝牙传输的TMS 运动诱发电位检测系统，其结构框图如图1 所示。本系统包括MEP 调理模块、MEP 实时采集模块以及PC 数据接收端。其工作原理为：由肌电电极拾取的目标肌肉的MEP 在MEP 调理模块进行放大、滤波和电平抬升，将MEP 抬升至STM32F407 内置模数转换器（analog-todigital converter，ADC）输入电压范围，然后由MEP 实时采集模块将模拟MEP 转换为数字信号，并通过串口通信模块控制蓝牙模块将MEP 发送至PC 数据接收端。

图1 TMS 运动诱发电位检测系统结构框图

1.1 MEP 调理模块设计

MEP 调理模块由仪表放大电路、滤波电路、二级放大及电平抬升电路和电源电路组成，实现对MEP的检测、处理与传输。

1.1.1 仪表放大电路

仪表放大电路由TI 公司生产的仪表放大器INA128 及外围电容电阻组成，原理图如图2 所示。该放大器的差模输入阻抗为10 GΩ，共模抑制比为120 dB，噪声为0.2 μV，温漂为0.5 μV/℃。其2 个输入端采用对称结构设计，能够有效抑制共模信号的干扰，精确拾取微弱的差分信号，适合用于TMS 运动诱发电位的检测。

图2 仪表放大电路原理图

仪表放大电路的增益G1计算公式为

由于MEP 中常含有噪声分量，若仪表放大电路增益设置过大，则噪声分量被放大导致放大器饱和[8]；若增益设置过低，则放大后的信号仍很微弱，无法拾取到有效信号。因此，本文中设置仪表放大电路的放大倍数为17.7，实现MEP 的拾取及初步放大。

1.1.2 滤波电路

由于电极极化电压的不平衡、仪表放大电路的失调漂移、人体移动及外部环境干扰等原因，经过初级放大电路的MEP 可能存在基线漂移及抖动、高频段噪声等信号。为了保证采集信号的质量，需要对仪表放大电路的输出信号进行滤波。考虑到MEP 的频率范围在20～1000 Hz，以及硬件采集电路的可靠程度，硬件滤波器的通带频率不宜设置为与信号的有效频段完全相等，应有一定余量，因此本文设计的滤波器通带范围为10～2100 Hz。该滤波器是由Sallen-Key 结构的二阶有源高通滤波器和二阶有源低通滤波器组成的四阶带通滤波器[9-10]，其电路原理图如图3 所示。

图3 滤波器电路原理图

低通滤波器的截止频率fl的计算公式为

由公式（2）计算得到本文设计的低通滤波器的截止频率为2105 Hz。

高通滤波器的截止频率fh的计算公式为

由公式（3）计算得到本文设计的高通滤波器的截止频率为10.2 Hz。

1.1.3 二级放大及电平抬升电路

由于MEP 幅值小，初级放大后的MEP 仍然微弱，背景噪声和干扰极有可能将其淹没，所以本文设计了增益可调的二级放大电路，其电路原理图如图4 所示。二级放大电路的增益G2计算公式为

图4 二级放大及电平抬升电路原理图

本文将该电路的放大倍数调整为56～85，STM32 ADC 输入电压范围为0～3.3 V，使得整个MEP 调理模块的总放大倍数保持在1000～1500，将微伏级MEP 放大至伏级，然后采用1.5 V 的加法电路将MEP 的幅值范围抬升至0～3.3 V。

1.1.4 电源电路

为尽可能避免引入50 Hz 工频干扰和提高系统的灵活性，MEP 调理模块采用9 V 直流电池供电[11]。由于本文设计的系统中所选芯片供电需求为±5 V，因此，电源电路使用AMS1117 稳压器和TPS60400电压逆变器作为主芯片，将9 V 的电压转换为±5 V，保证系统供电，如图5 所示。为降低系统功耗，选用低功耗的运算放大器和微控制芯片进行电路设计。

图5 电源电路原理图

1.2 MEP 实时采集模块设计

为使得TMS 运动诱发电位检测系统具有便携性，采用蓝牙进行数据传输。MEP 实时采集模块由STM32F407 单片机中的ADC和串口通信模块以及主、从2 个蓝牙模块组成，其中ADC 将MEP 转换为数字信号，以串口通信模块控制蓝牙模块进行数据传输。MEP 实时采集模块基于Keil MDK5 编程环境，由程序控制单片机进行ADC、时钟等功能的初始化，以及开启模数转换并将转换后的数据由蓝牙发送至PC 数据接收端。

1.2.1 模数转换

STM32F407 单片机内部集成的逐次逼近型ADC的输入电压范围为0～3.3 V。该芯片ADC 的分辨力为12 bit，检测精度为0.8 mV，最大转换速率为2.4 MHz。实际应用中，ADC 采样率需高于原始信号频率的5～10 倍[12-13]，为准确、稳定地获得调理后的MEP 数字信号，本文中配置ADC 的转换速率为MEP 最高频率（1000 Hz）的10 倍，即10 kHz。

模数转换时序图如图6 所示，ADC 在开始转换之前需要一段稳定时间tSTAB，转换完成之后EOC（转换结束）标志置1，转换结果存放在16 bit ADC 数据寄存器中，然后进行下一次转换。

图6 模数转换时序图

1.2.2 串口通信

为了实现模数转换后数字信号的无损传输，数据传输的速率应不小于模数转换速率。本文中采用的STM32F407 的模数转换精度为12 bit，传输1 个字节时需加上1 个开始位和1 个停止位，因此传输1个数据需要2 个字节。为了使获得的数据更具可读性，在输出传输中设置了数据二进制到十进制转换及自动回车，该功能使得传输1 个数据额外占用了3 个字节。因此，在本文中传输1 个数据需要5 个字节。以模数转换速率为10 kHz 进行计算，则串口的最低波特率S 的计算公式为

由公式（5）可以看出，在数据传输中的波特率应不小于500 kbit/s，故本文中配置串口和蓝牙模块的波特率为921600 bit/s。

1.2.3 蓝牙数据传输

本文选用具有串行端口配对协议（serial port profile，SPP）的蓝牙模块HC-04 进行数据的无线传输。其中1 块HC-04 与STM32F407 连接，由通用同步/异步串行接收/发送器（universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter，USART）控制。另1 块HC-04通过USB 接口与PC 相连。接收和发送数据时HC-04间以MAC 地址进行配对，配对成功后采用中断方式进行数据传输。

1.3 PC 数据接收端

根据TMS 运动诱发电位检测系统对显示界面的需求，PC 数据接收端选用一款由Qt 开发平台设计的串口绘图界面，其功能实现流程如图7 所示。此界面可以实现配置串口波特率、校验位，实时显示波形以及对采集的数据和波形进行存储的功能。

图7 显示界面实现流程图

2 TMS 运动诱发电位检测系统性能测试

2.1 MEP 调理模块测试

本文测试信号源使用Tektronix 公司的AFG3022C任意信号波形发生器。由于该信号发生器输出信号的幅值为10 mV～10 V，故本文使用SMA 可调衰减器将信号发生器的输出幅值衰减到微伏级别，然后再连接到差模输入阻抗为7.7 MΩ 的MEP 调理模块输入端。使用RIGOL 公司的MSO5104 示波器，并设置高阻抗模式，测量MEP 调理模块输出的信号。采用上述连接方式，分别对MEP 调理模块的增益线性度、通频带、共模抑制比进行测试，评估MEP 调理模块的整体性能。

2.1.1 增益线性度测试

调节MEP 调理模块的总放大倍数为1198，输入幅值为50 μV～2 mV 的正弦信号，进行MEP 调理模块增益线性度测试，结果如图8 所示。由图8（a）可以看出，随着输入信号幅值增大，输出信号幅值线性增大。对不同输入输出电压的测试结果进行线性拟合，可得拟合度R2接近于1，表明本文设计的调理模块可对不同幅值的MEP 进行线性放大。进一步，将不同幅值输入信号的输出电压与理论输出电压进行对比，结果如图8（b）所示。由图8（b）可以看出，MEP调理模块能够按照理论放大倍数进行放大。将实际放大倍数与理论放大倍数相减后除以理论放大倍数，获得的调理模块放大倍数的误差不超过5%。

图8 MEP 调理模块增益线性度测试结果

2.1.2 通频带测试

设置MEP 调理模块的总放大倍数为1198，输入幅值为100 μV 的正弦信号，进行MEP 调理模块通频带测试，记录不同频率输入时的输出信号幅值。输出信号幅值在83.86 mV（-3 dB）以上的频率为MEP 调理模块的通频，测试结果如图9 所示。由图9 可以看出，本文设计的MEP 调理模块的通频带为11～1300 Hz，满足频带为20～1000 Hz 的MEP 的检测要求。

图9 MEP 调理模块通频带测试结果

2.1.3 共模抑制比测试

共模抑制比是衡量电路抑制共模干扰和放大差分信号能力的指标，对于检测生物电信号的电路，共模抑制比要求在100 dB 以上[14-15]。将MEP 调理模块的2 个信号输入端短接，输入电压幅值Ui为5 V、频率为50 Hz 的正弦波，测量MEP 调理模块的输出电压幅值Uo，计算共模抑制比。

共模抑制比的计算公式为

式中，kCMR为共模抑制比；K 为检测电路的放大倍数。经计算本文设计的MEP 调理模块的共模抑制比为111.47 dB，满足检测MEP 所需的共模抑制比要求。

2.2 系统采样率测试

输入一定频率的正弦信号，测试单个周期的采样点数。系统的采样率即为单个周期的采样点数与输入信号频率的乘积。本文分别输入100、200、300、400、500、600、700、800、900 和1000 Hz 的正弦信号，记录各频率时10 个周期的正弦波采样点数，并计算各频率时的采样率，求取平均值和标准差，结果见表1。将所有频率的采样率进行叠加平均，计算可得本文的TMS运动诱发电位检测系统的采样率为（9965±235）Hz。

表1 不同频率下的采样点数和采样率（±s）

表1 不同频率下的采样点数和采样率（±s）

频率采样点数/个采样率/Hz 100 Hz99.60±2.119960±211200 Hz49.90±1.309980±260300 Hz33.20±0.759960±225400 Hz25.00±1.1010000±440500 Hz19.90±0.549950±270600 Hz16.50±0.509900±300700 Hz14.20±0.409940±280800 Hz12.40±0.499920±392900 Hz11.10±0.309990±2701000 Hz10.00±0.4510000±450

2.3 系统数据传输测试

采用本文设计的检测系统记录10 s 的100 Hz、2 mV 的正弦信号，测试10 s 内接收的字节数，测试结果如图10 所示，经过20 次的取样，在10 s 内接收的字节数均大于600000 B。即蓝牙模块将波特率设置为921600 bit/s 时的波特率达到600 kbit/s，满足公式（5）中500 kbit/s 最低波特率的需求，证明了蓝牙模块传输的可靠性[16]。

图10 蓝牙数据传输速率（10 s 内接收的数据量）

2.4 MEP 检测

使用设计的TMS 运动诱发电位检测系统进行MEP 检测。使用TMS 仪器刺激左侧手部初级运动皮层，在右手第一骨间背侧肌放置2 个肌电采集电极，在右手豌豆骨放置地电极，记录右手的MEP。TMS仪器采用英国Magstim 公司生产的Magstim Rapid2经颅磁刺激仪和70 mm 八字形线圈，设置为单脉冲输出方式，刺激强度为仪器最大输出的65%和75%。仪器记录的75%刺激强度时的MEP 波形如图11 所示。由图11 可以看到，在TMS 刺激脉冲后，可在肌电信号中观察到MEP 波形，求取MEP 波形起始时刻与TMS 刺激脉冲输出时刻的时间差，可获得MEP波形潜伏期Δt 和幅值Δv。

图11 75%刺激强度时TMS 运动诱发电位检测系统记录波形

比较2 种刺激强度时的MEP 潜伏期和幅值，结果见表2。可以发现，该潜伏期位于已有文献报道的MEP 潜伏期范围内[17]。随着TMS 刺激强度增大，测量所得的MEP 幅值增加，符合TMS 刺激强度与MEP幅值之间的关系特点。因此，本文设计的TMS 运动诱发电位检测系统可以检测MEP。

表2 2 种刺激强度时的MEP 潜伏期和幅值比较（±s）

表2 2 种刺激强度时的MEP 潜伏期和幅值比较（±s）

刺激强度潜伏期/ms幅值/mV仪器最大输出的65%20.126±0.688610.8±381.9仪器最大输出的75%20.033±0.6321581.5±229.8

2.5 与现有仪器放大器的比较

本文调研了当前国内外肌电放大器的尺寸、质量、供电和功耗指标，并将其与本文设计的系统进行了对比，结果见表3。由表3 可以看出，本文设计的系统与现有肌电放大仪器相比在尺寸、质量、功耗上均大幅减少。

表3 部分检测仪器放大器参数

3 结语

针对TMS 运动诱发电位检测系统体积大、便携性差的现状，本文设计了基于蓝牙传输的TMS 运动诱发电位检测系统。本系统体积较小、结构简单、便于携带，且成本较低，可实现TMS 运动诱发电位检测，为MEP 在个体化运动阈值的检测、运动皮层兴奋性的无创评估以及缺血性脑梗死、多发性硬化、运动神经元疾病、锥体系统疾病、癫痫、颈椎病等疾病诊断与评估领域中的应用提供了便于携带、成本较低的检测仪器。

但是本系统仍有不足之处，后续可以在更为小巧的手机等移动设备上实现对整个系统的控制和MEP 检测，提高系统的智能化，使得系统更加轻便。其次，未来可将本系统设计成可穿戴的医疗设备，进行远程操控和MEP 检测，实现多场景应用，增强系统的适用性。