专利名称：单纤维肌电图仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种单纤维肌电图仪。
单纤维肌电图的主要研究内容是骨胳肌单细胞动作电位的特征及同一运动单位相邻两条肌纤维在连续放电过程中电位对时间间隔的变化，即颤抖(JITTER)。单纤维肌电图的颤抖现象是神经-肌肉接头兴奋传递功能的一种敏感的电生理学指标。在正常情况下，由于骨骼肌运动终板传递时间的异变性，或肌纤维传导速度的恢复功能(膜反应性)构成的非突触变异成分均可造成颤抖值的变化，但范围较小，颤抖值的明显改变是这些结构中某些异变性冲动传递的标志。这种现象有助于发现临床症状出现之前的肌肉障碍，如临床上运动神经的疾病，多发性神经炎，进行性营养不良或多发性肌炎及神经-肌肉接关的病变，临床可见正常颤抖值，无冲动阻滞的颤抖增加或有冲动阻滞的颤抖增加。因此单纤维肌电图信号在基础医学和临床医学的研究越来越引起人们的重视。相邻两条肌纤维的放电间隔在2-20mS之间，而颤抖一般为5-55μS，因此单纤维肌电信号的实时精确记录和颤抖值的实时测量处理就成为这一研究的关键技术。
早在70年代，Ekstedt和Stalberg曾使用的示波器拍照法和分立器件法测量同一运动单位相邻两条肌纤维在连续放电过程中时间间隔的变化。示波器拍照法即通过对大量单纤维肌电信号底片的叠加，得到颤抖值的范围，再由统计学公式计算出颤抖的平均连续差(MCD)、标准差(SD)参数。该方法费工费时，测量精度低。分立器件法即由电路对肌电信号进行处理，将时间间隔的变化转换成相应的电压参数并由示波器直接观察，该方法实时性强，简单方便，但读数不直观，仍存在精度低的缺点。80年代中期，国内曾有人利用DISA-2000肌电图仪及国产TQ-19数据处理机和自制FAT多功能仪以时间间隔直方图测量正常人及部分重症肌无力病人的颤抖取得成功，但该设备成本高昂，测量精度只有10μS，而且得到的是极其粗糙的颤抖分布直方图。
本发明提出一种新的设计思想，其目的是提供一种简单可靠、实时准确的功能齐全的单纤维肌电信图仪，该仪器能从根本上改变上述方法和设备的不足，除能对单纤维肌电信号进行实时记录分析处理之外，还能测算出颤抖的各项指标，如平均连续差(MCD)、标准差(SD)、平均相邻电位间隔(MIPI)、发放速率(FREQ)、阻滞(BLOCK)等，而且具有较高的精度和较低的成本。
本发明的设计方案是利用电极引导出单纤维肌电信号，首先进行放大，然后利用整形电路，将放大后的同一运动单位的相邻两条肌纤维的放电信号整成脉冲信号，并通过信号处理电路变换成与两脉冲之间的时间间隔相对应的矩形波信号。通过数字计数电路即可精确地测得与两脉冲之间的时间间隔相对应的矩形波的宽度，即相邻两肌纤维放电的时间间隔，进而可以计算出两脉冲的时间间隔的变化即颤抖，再由统计学公式即可求得颤抖的诸项参数。同时又将放大后的肌电信号送入高速A/D电路进行模/数转换，转换成的数字信号由微机读取，并进行存贮和显示打印。
下面结构附图对本发明进行详细的介绍。
附
图1是本发明的单纤维肌电图仪的总体框图。
附图2是本发明的单纤维肌电图仪的整形电路的电原理图。
附图3是本发明的单纤维肌电图仪的多功能信号处理电路的电原理图。
附图4是本发明的单纤维肌电图仪的基准时钟电路和与门电路的电原理图。
附图5是本发明的单纤维肌电图仪的计数器电路的电原理图。
附图6是本发明的单纤维肌电图仪的A/D电路的电原理图。
附图7是本发明的单纤维肌电图仪的A/D附属电路的电原理图。
附图8是本发明的单纤维肌电图仪的微机接口电路的电原理图。
附图9是本发明的单纤维肌电图仪的微机读取计数器结果的流程图。
附图10是本发明的单纤维肌电图仪的计算MCD、SD的流程图。
附图11是本发明的单纤维肌电图仪的微机读取高速A/D结果的流程图。
用单纤维肌电电极1引导出来的人体的单纤维电信号，经放大器2放大达到满足A/D变换和颤抖测量要求的幅度，然后一路输送到整形电路3，整形电路3将模拟放电信号转换成规则的脉冲信号，此脉冲信号再输入到多功能信号处理电路4，多功能信号处理电路根据整形电路提供的脉冲信号生成时间间隔宽度与相邻两肌纤维放电的时间间隔相对应的矩形级，并完成阻滞处理和多个脉冲的选择等功能，多功能信号处理电路1还向计数器电路6提供清零信号和锁存器的锁存信号。基准时钟电路7产生的10MHz的时钟信号与多功能处理电路4生成的矩形波信信号相与，输出送到计数器6的输入端，则计数器电路即可测得矩形能的宽度，相邻矩形波宽度之差即为同一运动单位相邻两条肌纤维在连续放电过程中时间间隔的变化。时间宽度T由下式求得T＝ (N)/(10MHz) ＝N＊0.1μS式中N为计数器的输出值。
经放大后的另一路信号去高速A/D电路8，在高速A/D电路8中，模拟信号转换成二进制数字信号，微机系统通过接119读取A/D结果，即可对肌电信号进行显示、存贮、打印等。
附图2是整形电路。放大器放大后的单纤维肌电信号经电阻R1、二极管V1、史密特触发器U1变成负脉冲信号，此信号加到单稳态触发器U2的负触发输入端，在U2的负输出端形成窄脉冲信号，窄脉冲信号的宽度由电容C1、电阻R2决定，一般选为10μS。在这里R1起隔离作用，隔离二极管V1对放大器2的输出信号的影响，二极管V1起嵌位作用，使史密特触发器U1输入端的电平不低于-0.7V。
附图3是多功能信号处理电路。整形电路的输出加到单稳态触发器U3的负触发输入端和单稳态触发器U5的清除端，U3与电阻R3、电容C2构成一个单稳态触发电路，产生处理阻滞所需的最大脉冲宽度，该宽度由电阻R3、电容C2决定，一般选为20mS。U3的负输出端接到由单稳态触发器U4、电阻R4、电容C3构成的另一单稳态触发电路的负输入端，该单稳态触发电路的触发时间由R4、C3决定，其中R4为可调电阻，调节R4可以在多个脉冲之间进行选择，U4的正输出端加到由单稳态触发器U5和电阻R5、电容C4构成的另一单稳态触发器的负触发输入端，该信号的到来触发该单稳态触发器工作，同时所选择的下一个脉冲的到来又使单稳态触发器U5复位，从而在U5的正输出端形面一个时间宽度与同一运动单位的两条肌纤维在连续放电过程中时间间隔相对应的矩形波信号，U3的正输出作为计数器的清零信号输入到计数器的清除端。U5的负输出端作为计数器电路的锁存器的锁存触发信号而输入到锁存控制端。
附图4是时钟电路和与门电路。两个与非门电路U7、U8和电阻R6、R7、电容C5、晶体X构成的10MHz的基准时钟电路产生10MHz的基准时钟信号，与门电路由与非门U6构成，多功能信号处理电路生成的矩形波信号和时钟电路的基准时钟信号加到U6的输入端，U6的输出加到计数器的输入端。电容C5起耦合作用，电阻R6、R7起起振作用，晶体X的频率即为10MHz的基准频率。基准时钟信号取自U8的输出端。
附图5是计数器电路。计数器电路由U9、U10、U11通过级联构成，每个电路都是一个八位二进制计数器，通过级联构成一个二十四位的二进制计数器，计数器U9、U10、U11的清除端联在一起，接到多功能信号处理电路提供的清零端上，与门电路的输出接到U9的计数信号输入端，U9的计数结果的最高位接到U10的计数信号输入端，U10的计数结果的最高位接到U11的计数信号输入端。U9、U10、U11的输出端分别加到锁存器U12、U13、U14的输入端上，U12、U13、U14的输出端则互相接起来接到微机接口的低八位数据总线上，U12、U13、U14的锁存控制端互相联接起来接到多功能信号处理电路的计数器锁存电路锁存控制端。U12、U13、U14的输出允许信号则分别由接口电路通过译码产生。
附图6是高速A/D电路。该电路的核心是一块转换时间为2μS的集成电路。+5V电源通过由电容C6、电容C7组成的滤波网络加到A/D电路的+5V电压输入端，+15V电源和-15V的电源分别通过电感L1、电容C8、C9和电感L2、电容C10、C11构成的滤波网络加到A/D电路的+15V，-15V电压输入端。输入信号通过可调电阻R8和电阻R9加到A/D电路的输入端，R8用来调节输入信号的幅度。电阻R10与可调电位器R11构成A/D电路的偏移量调节电路，调节R11可以改变A/D电路的偏移量调节端的电压。当A/D电路完成转换后，即发出“准备好”信号同时将A/D结果放于数据端口。“准备好”信号经译码后产生锁存器U16、U17的锁存控制信号，该信号使A/D结果通过A/D电路和锁存器输入端之间的联线锁存到锁存器上，锁存器由U16、U17的“输出允许”联在一起，在微机的控制总线信号的作用下将锁存的数据送到微机数据总线。
附图7是A/D附属电路。A/D工作所需的+15V和-15V的工作电压由逆变电压器件U19逆变产生，逆变电压器件U19产生的+15V和-15V电源经过C13、C14、C15、C16进行高频滤波后，供给A/D电路使用。接口电路的脉冲信号触发由可编程逻辑电路U18、电阻R12、电容C12构成的单稳态触发器，该触发器的正输出端接到A/D电路的编码命令端，令A/D电路重新开始下一次转换。
附图8是微机接口电路。接口电路由双向数据驱动器U20、U21和可编程逻辑电路U22以及电阻排R13、R14构成。U20、U21的A口分别接A/D结果的锁存器和计数器结果的低八位和高八位，B口接微机数据总线的低八位和高八位。微机的部分地址总线和控制总线分别接到可编程逻辑电路的输入端，该电路译码产生U20、U21的方向控制信号，输出允许信号，A/D附属电路中的单稳态触发器的触发信号，A/D结果的锁存信号和锁存器的输出允许信号和计数器锁存器的输出允许信号。
微机通过接口读取计数器结果的流程图见附图9，在91中，微机给读数长度赋初值，然后进入读数程序，微机在92中不断查询计数器的状态，检测到请求读信号后即去94读取计数器的锁存器，存入内存，循环计数器加1，再继续循环，直到循环次数等于开始时读数长度所赋初值为止。
在微机读取了计数器的数值Mi和Mi+1后，两脉冲之间的间宽度Ti＝Mi＊0.1μS，，则在任一时刻i的颤抖Ji是由下述公式求得的Ji＝|Ti-Ti+1|＝|Mi-Mi+1|＊0.1μS则N-1个颤抖的平均连续差MCD和标准差SD由下式求得MCD＝ (S)/(N-1)SD=SS/(N-1)-MCD2]]>式中S=Σi=1n-1Ji,SS=Σi=1N-1Ji*Ji]]>依据上述两公式，求颤抖的均值和方差的流程图见附图10，在101，设定了颤抖的数量，并设定S＝0，SS＝0，再读取颤抖值，循环N-1次求得N-1个颤抖的和与平方和，在105中求出MCD和SD。
微机通过接口读取A/D结果的流程图见附图11，在111中，设定读数长度，然后进入112从A/D数据端口读取结果并放入内存之中，直到读完规定的数据方结束。
本项发明在单纤维诱发电位检测的同时，进行完整的颤抖分析，如平均连续差，标准差，平均相邻的电位的间隔，发放速率，阻滞百分比，两电位潜伏时与颤抖的关子及分布直方图等，并能对肌电信号进行采集、存贮、显示和打印。由于采用了现代数字计时技术，测量分辨率高达0.1μS，该仪器与国内外仪器相比，测量精度高，功能齐全，软件丰富，易于扩充修改，对临床某些神经肌肉疾病的早期诊断及基础单细胞分子水平的研究提供了可靠的电生理学测量手段。
权利要求
1.一种单纤维肌电图仪，用于测量单纤维肌电信号的颤抖的平均连续差(MCD)，标准差(SD)，平均相邻电位间隔(MIPI)，平均发放速率(FREQ)，阻滞(BLOCK)等参数并能实时准确记录单纤维肌电信号的波形，其特征在于上述的单纤维肌电图仪由电极、放大器、整形电路、多功能信号处理电路、基准时钟电路、与门电路、计数器电路、高速A/D电路和微机系统及微机接口构成；插入人体肌肉的一个电极拾取动作电位信号，输入到放大器进行放大，然后分成两路，一路去整形电路，转换成规则的脉冲信号，一路去高速A/D电路，转换成二进制数字信号；整形电路输出的规则的脉冲信号再输入到多功能信号处理电路，多功能信号处理电路既生成时间间隔宽度与整形电路输出的两脉冲时间间隔相对应的矩形波信号，又产生计数器电路所需的清零信号和锁存信号，并向微机提供请求读信号，另外还完成阻滞处理和在多个脉冲波形之间进行选择功能；上述多功能信号处理电路生成的矩形波信号与基准时钟电路产生的基准时钟信号相与，结果作为计数器的输入信号送到计数器的输入端；计数器在多功能信号处理电路提供的清零信号和锁存信号的控制下完成对输入信号脉冲个数的计数和对计数结果的锁存功能；高速A/D电路将模拟肌电信号转换成二进制数字信号并自动将结果送到锁存器；微机系统在软件的控制下，通过微机接口向A/D电路的锁存器和计数器电路的锁存器发出读数据命令，使锁存器将A/D结果和计数器结果送到数据总线后再读入微机；微机再利用统计学公式求出颤抖的MCD、SD、MIPI、FREQ、BLOCK等参数和绘出单纤维肌电信号的波形图。
2.根据权利要求1所述的单纤维肌电图仪，其特征在于整形电路由史密特触发器和单稳态触发器构成，史密特触发器将放大后的单纤维肌电信号转换成脉冲信号，单稳态触发器将脉冲信号转换成宽度一致的规则的脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的单纤维肌电图仪，其特征在于多功能信号处理电路由三级单稳态触发器构成，其中第一级单稳态触发器的负输出端接至第二级单稳态触发器的负输入端，正输出端作为计数器的清零信号加到计数器电路的清零端;第二级单稳态触发器的正输出端接到第三级单稳态触发器的负输入端，第三级单稳态触发器的正输出端即为所形成的与两脉冲之间的时间间隔相对应的矩形波。
4.根据权利要求1所述的单纤维肌电图仪，其特征在于基准时钟电路由两个与非门、晶体和电阻、电容构成。
5.根据权利要求1所述的单纤维肌电图仪，其特征在于与门电路由一个双输入的与非门电路实现。
6.根据权利要求1所述的单纤维肌电图仪，其特征在于与计数器电路由三块二进制计数器通过级联实现。
7.根据权利要求1所述的单纤维肌电图仪，其特征在于高速A/D电路具有2μS/次的转换时间，A/D的结果自动输出至锁存电路。
8.根据权利要求1所述的单纤维肌电图仪，其特征在于微机接口电路由双向数据驱动器和可编程逻辑电路构成;双向数据驱动器完成将高速A/D结果和计数器结果输送到微机系统的功能，可编程逻辑电路完成微机读写所需的控制信号的功能。
全文摘要
本发明涉及一种单纤维肌电图仪，该仪器包括电极，放大器，整形电路，多功能信号处理电路，与门电路，时钟电路，计数器电路，A/D电路和微机系统及接口，肌电信号放大后一路整成矩形波，并由计数器测得其宽度，再由微机通过接口读取，测出MCD，SD，MIPI，FREQ，BLOCK等诸项指标，另一路去A/D电路，并由微机读取其波形信号供记录研究之用。该仪器可广泛应用于基础医学研究和临床医学诊断等领域。
文档编号A61B5/0488GK1089462SQ9312124
公开日1994年7月20日 申请日期1993年12月30日 优先权日1993年12月30日
发明者刘儒林, 程秀臻, 赵国峰 申请人:潍坊医学院