基于ADS1278的便攜式術中神經監護儀的設計與實現

賀光+張群峰+程帆

摘 要：術中神經監護系統是一種為外科醫生提供神經辨別的醫療輔助系統。本文主要介紹了一種基于ADS1278的便攜式術中神經監護，包括其硬件設計和軟件設計。并且經臨床驗證，該設備在臨床手術過程中取得了良好的效果，為外科醫生提供了有力的技術支撐。

關鍵詞：ADS1278；FPGA；神經監護儀；便攜式；

1. 設備總體結構

便攜式術中神經監護儀的構成較為復雜，主要由患者接線盒、通訊盒和監護主機三大部分構成，患者接線盒主要負責人體生理電信號的采集和預處理，通訊盒主要負責數據和命令的轉發，監護主機主要負責采集數據的顯示和人機交互。

其中患者接線盒部分包括8通道肌電信號采集和2路微電流刺激；為了提高通訊的抗干擾性，患者接線盒與通訊盒之間采用485總線通訊，并且傳輸數據采用了NRZI編碼[4]方式編碼；監護主機內含一個工控機（型號：研華 MIO-2262）和15寸液晶屏（帶觸摸功能），醫生通過觸摸屏就可以完成采集設置和病理管理等操作。

2. 硬件設計

2.1 系統隔離與電源設計

基于臨床和系統安全性的需求，本系統采用兩級隔離設計。第一級隔離在監護主機，電源隔離模塊采用上海永燊電子的SNP-H067-M，該模塊符合IEC60601-1標準，隔離電壓在4000V以上，輸入220V交流網電源，可輸出+12V/5A直流電源。由于USB2.0接口只能提供+5V，電流最大為500mA的直流電源，不能滿足患者接線盒與通訊盒的功耗需求，因此，患者接線盒與通訊盒將采用獨立的+12V電源供電，該級無信號線的隔離。第二級隔離在患者接線盒，電源隔離模塊采用金升陽G0505-2W和金升陽G1212-2W，模塊符合CE認證標準，隔離電壓6000V以上，隔離阻抗1000MΩ。信號線隔離采用新華龍公司的Si8662ED-B-IS和Si8661ED-B-IS，隔離電壓6000V以上，傳輸帶寬150 Mbps，可滿足數據傳輸需求。該級信號線隔離如下所述，采集部分隔離信號主要有ADS1278的控制信號、CPLD的控制信號和耗材識別芯片的控制信號，刺激部分隔離信號主要有刺激電流的輸出控制和刺激電流的反饋檢測，其中浮地1、浮地2、浮地3均相互隔離，隔離電壓在4000V以上，主要由結構設計和PCB設計進行隔離。該系統隔離設計有效地降低了應用端的傳導輻射，并采取屏蔽等措施，降低空間輻射， 有效地提高了系統的抗干擾性和穩定性。

2.2 工作模式設計

該系統在正常采集顯示人體電生理信號的同時，還需要提示醫生電極接觸是否良好，因此系統可以在不同的工作模式之間進行切換，該系統的主要工作模式有：信號采集顯示、活動電極端阻抗測試、參考電極端阻抗測試和定標模式。阻抗測試功能可以計算電極與人體之間的阻抗值，供系統判斷電極是否接觸良好。定標模式可以對產品在出廠前對放大器參數進行標定和存儲。阻抗測試功能和定標功能信號源由患者接線盒FPGA自行產生，經采集放大之后，供上位機軟件計算使用。各工作模式切換主要由模擬開關芯片CD4052BPWR在不同的信號源之間切換進行實現。

2.3放大器和ADC設計

人體神經系統和肌肉的電活動信號幅度很低，一般在零點幾微伏至幾十毫伏范圍內，因此對放大電路的設計要求較高，要具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲的特性。該放大電路采用兩級放大，前級運放采用AD8422BRMZ，其放大倍數固定為13倍，后級運放采用OPA140AIDBVR，其放大倍數為2倍和20倍兩檔可調，在運放±5V供電，輸入有300mV極化電壓的情況下，仍有100mV的測量范圍。

AD芯片采用TI公司的ADS1278IPAPT，其是TI公司推出的一款24位△-ΣAD轉換器， 具有8個實時采樣通道，最高144kSPS的采樣速率，SPI或者幀同步串行接口，線性相位數字濾波器，70kHz帶寬，111dB信噪比[5]等。

2.4 刺激器設計

刺激器部分主要實現微電流的恒流刺激，刺激器主要有三個參數，分別為刺激頻率、刺激脈寬、刺激強度。刺激頻率從0.1Hz到100Hz可調，靈敏度為0.1Hz；刺激脈寬從50uS到250uS可調，靈敏度為50uS；刺激強度從0.05mA到30mA可調，靈敏度0.01mA。

患者接線盒FPGA接收上位機的命令參數，控制DA芯片DAC8512FS將數字量轉化為模擬量，經運放AD822AR驅動MOS管IRFRC20，實現對電流的恒流控制。刺激電流經刺激采樣電阻轉為電壓，通過AD芯片ADS8320EB轉化為數字量，經隔離芯片及FPGA上傳至監護主機進行顯示和監控。

3. 軟件設計

系統功能主要是由軟件實時管理和控制的，主要分為FPGA固件、USB固件、上位機軟件。

3.1 FPGA固件設計：

該系統FPGA固件包括兩部分：患者接線盒FPGA固件和通訊盒FPGA固件。患者接線盒FPGA固件主要功能包括：FPGA固件版本的管理、命令的解析和應答、采集數據的組幀和上傳、反饋電流值的上傳等。通訊盒FPGA固件主要功能包括：FPGA固件版本的管理、命令的解析和轉發、協助USB控制器芯片CY7C68013A進行數據的上傳等。

3.2 USB固件設計：

本系統采樣頻率為25kSPS， 每幀傳輸字節數為32字節，故數據傳輸速率為6.4Mbps， USB2.0理論傳輸速率為480Mbps，理論上可以滿足傳輸需求[6]。端點（EndPoint0）用于傳遞標準USB命令和本產品定義的命令，端點1（Endpoint1）用于傳送采集數據，采用BULK傳輸方式，最大數據包大小為1024字節。

4. 臨床試驗與產品化

該設備成功上市后，成為國內首款擁有自主知識產權的輔助神經監測系統，打破了進口設備對國內市場的壟斷。截至目前，已在多家三甲醫院進行了數百臺臨床手術，該產品不僅達到了進口設備的技術水平，而且更符合國內醫生的使用習慣，提高了術中神經監護設備使用的普遍性，減少了手術患者神經系統醫源性損傷的風險，臨床使用效果如圖1所示：

參考文獻

[1] 郭紅霞. 術中神經監護和術后尿動力學評估在SNSRH中的應用[D]. 廣州：南方醫科大學， 2010.

[2] 陳曉俠， 宋文靜， 王平. 神經監護儀在甲狀腺手術中的使用及其護理配合[J].全科護理. 2016， 14（5）： 488-489.

[3] 莊紅霞， 靳玉萍，歐陽愛群. 中央神經監護系統應用于重度顱腦損傷病人護理[J].安徽衛生職業技術學院學報. 2006， 5（6）： 63-64.

[4] http：//baike.baidu.com/link？url=24kK_LeMmaXFhZRC_33j9VeIucHWCcrTqN4brCx9XDV6

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作者簡介：

賀光（1983—），男，硬件工程師，主要從事醫療器械硬件設計；

張群峰（1972—），男，技術總監，主要從事醫療器械硬件設計，項目管理；

程帆（1983—），男，軟件工程師，主要從事醫療器械軟件設計；endprint