癫痫动物模型建立与脑电采集系统实现1刘旋，郭亮，雷洋，高小榕清华大学, 北京（100084）E-mail：gxr-dea@摘要：本文建立了一个癫痫动物脑电采集系统：以氯化锂－匹罗卡品法制备慢性颞叶癫痫大鼠模型，其发作频率可达10－20次/周；为实验大鼠植入骨钉式电极以提取大鼠硬膜脑电信号；自主开发的大鼠脑电记录系统，能够长时间连续记录自由活动的癫痫大鼠的8导脑电信号；配合视频监视系统同步监视大鼠行为并用于大鼠癫痫发作时刻的确定。
该实验平台为开展动物脑电研究提供了一种可借鉴的解决方案。
关键词：颞叶癫痫大鼠模型；电极植入手术；脑电记录系统；视频监视系统。
1. 引言癫痫是一种常见多发的慢性脑部疾病，以脑部神经元过度放电所致的突然出现反复和短暂的中枢神经系统功能失常为特征。
形成癫痫的原因多种多样，病理表现也各不相同。
脑电图上的痫性发放和临床发作是癫痫的两个主要特征。
痫性发放是局部神经元异常同步化活动在脑电图上的表现。
作为大脑神经元活动的一种客观反映，目前通过脑电图检查发现痫样放电，仍是癫痫病诊断和癫痫灶定位的主要客观依据。
由于受条件的限制，人体癫痫脑电数据的样本收集比较困难，而且数据易受外界环境和患者运动的干扰，一些实验在道义和方法上也受到种种制约。
如果能够先在实验室建立癫痫动物模型，通过对它进行实验并采集到大量样本，以验证现有算法的正确性，再进一步转向人体数据，就能克服这些不足，缩减科研工作的周期。
鉴于大鼠是医学研究中最常用的一种实验动物，并且国内外已有几种可供选择的慢性癫痫模型，因此我们选择成年Wistar大鼠为实验对象，完成慢性颞叶癫痫模型的制备和数据的采集。
2. 癫痫大鼠模型的制备选择氯化锂－匹罗卡品方法[1]制备慢性颞叶癫痫大鼠模型。
取健康Wistar大鼠7只，5只作为模型制备组，2只作为正常对照组。
对模型制备组首日腹腔注射氯化锂（3mmol/kg 体重），次日（24小时后）每隔30min反复腹腔注射匹鲁卡品（20mg/kg体重）。
若注射3次内大鼠出现癫痫持续状态（达到5级，并且能够持续1小时以上），则终止注射匹鲁卡品；若注射3次内大鼠没有出现癫痫持续发作状态，则继续腹腔注射匹鲁卡品，剂量减到10mg/kg 体重，每隔15min注射一次，直至出现癫痫持续状态，停止注射。
待癫痫持续状态出现60min 以上，腹腔注射安定（10mg/kg体重），终止癫痫发作，若注射一次安定不能终止，则每隔10min注射第一次剂量的15%～25%，直至发作基本终止。
模型制备组的5只大鼠在腹腔注射匹鲁卡品后，出现不同程度的活动减少、震颤、点头、搔抓、“洗脸样活动”、面部抽搐、单肢阵挛、湿狗样抖动和平衡失调，肢体强直阵挛伴有1教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（No. 20020003031）。
- 1 -站立及前肢阵挛，进一步发展到5级，全身强直阵挛发作伴有站立、跌倒，呈癫痫持续状态。
注射后第5天，死亡一只，其余四只成活。
检查监视录像显示，四只大鼠在注射匹罗卡品2周后均出现一周3次以上5级发作，2号和4号鼠甚至可以达到每天发作2～3次，证实了模型制备成功。
对制备成功的慢性颞叶癫痫大鼠独立饲养，以免由于发作或脾气暴躁而造成相互伤害。
3. 电极的植入对慢性颞叶癫痫模型制备成功的大鼠进行电极植入手术。
手术前通过对大鼠腹腔注射盐酸氯胺酮注射液（0.2ml/100g）实行麻醉，大鼠很快进入麻醉状态。
并通过腹腔注射0.1ml 阿托品，以减少实验过程中的分泌物。
电极植入手术过程[2]包括：将麻醉后的大鼠头部固定在立体定位仪上，剪去其头颈部的毛，露出皮肤，用酒精消毒。
在头部皮肤上剪出一个头尾方向的5cm的口，去除颅骨外硬性组织，露出颅骨表面。
用大鼠立体定位仪定位前囱点，并在此基础上得到12个电极的位置。
用大鼠立体定位仪定位后囱点，并在此基础上得到参考电极和接地电极的位置。
在以上十四个位置用小钻各钻一个约0.5mm深的小洞。
将用做电极的螺丝钉拧入钻好的小孔，螺丝钉头部通过漆包信号线连接至大鼠头部的电极接口。
用牙科水泥（自凝牙托粉和牙托水混合调制而成）把漆包线和电极接口固定在颅骨上，形成近似立方体的“电极帽”。
最后，给大鼠腹腔注射青霉素1ml（80万单位粉状青霉素用5ml生理盐水溶解），以防止大鼠术后感染。
约一周后大鼠可恢复。
4. 脑电记录系统脑电记录系统包括脑电模拟信号放大采集，模数转换，单片机通信控制系统以及计算机端的数据显示和存盘。
硬件框图如图 1所示。
图 1 脑电记录系统硬件框图4.1 脑电模拟信号放大采集部分脑电模拟信号放大采集部分主要实现的功能是采集原始脑电并将其放大若干倍以达到模数转换芯片正常所能接受的范围。
这一部分电路性能要求比较高[3]。
由于脑电本身幅度很小，而诸如工频和电磁辐射之类的干扰往往比信号强几十倍甚至几百倍。
因此相对于一般的生理电信号放大器来说，脑电放大器需要比较高的放大倍数，至少是几百倍或上千倍。
前置级需要很高的共模抑制比来抑制50Hz的工频干扰，除此以外还要用陷波滤波器来去除它。
由于放大倍数很大，对于低频漂移，即使其值很小也有可能导致放大器的饱和从而丢掉有用- 2 -的信息。
考虑到感兴趣的脑电频率成分主要集中在100Hz以内，我们采用高通和低通滤波来抑制其它频段的噪声和干扰。
其中一个通道的电路结构如图 3所示。
图 2 脑电模拟信号放大采集部分电路结构前置放大环节采用AD公司的AD620芯片，这一芯片具有低功耗，宽电压供电（正负2.3V到18V供电均可），共模抑制比高（100dB以上）等特点。
在前置放大级里同时加入了隔直高通滤波环节，采用的是简单的阻容滤波。
这个高通滤波器的转折频率很低，主要用于滤除直流分量，以保证信号经其后的主放大器时不会造成饱和。
信号的主放大环节[3][4]采用AD公司的OP470运算放大器，它具有低噪声、高增益、高共模抑制比的特点，主放大环节包括一阶低通滤波、正向放大、工频陷波以及二阶低通滤波。
一阶低通滤波由一阶低通无源滤波与电压跟随串级构成，上限截止频率为159Hz；正向放大增益为21倍并带有隔直高通滤波环节，下限截止频率为0.16Hz；工频陷波为双T有源带阻滤波电路，中心频率50.33Hz，品质因数Q为0.9；二阶低通滤波器采用无限增益多路反馈二阶低通滤波电路，上限截止频率65.5Hz，通带增益为-2~-2.9倍。
- 3 -4.2 模数转换部分模数转换采用TI公司的ADS1251芯片，该芯片是一个+5V供电的低功耗、高精度模数转换器，delta-sigma结构使芯片具有宽的动态范围和24位模数转换。
2.5V的参考电压由稳压管LM4040-2.5与运算放大器OPA350实现提供。
在模拟数据输入AD转换之前需要通过运算放大器OP470实现增益为0.5倍的信号缩小，并把输入信号范围调整到0~5V范围内。
4.3 单片机与计算机的通讯通过ATMEL高性能8位单片机AT89C51实现模数转换后的数字信号与计算机的通讯，该单片机与MCS-51完全兼容，包括有4K字节的Flash，128字节的RAM，32个I/O口，两个16位定时/计数器，5个中断源且可编程为两个优先级，一个全双工串口，带有片内振荡器和时钟电路。
单片机与ADS1251的同步串口相连接，如图 4所示。
单片机的ALE引脚为ADS1251芯片提供模数转换的时钟信号；并口1的引脚分别与8路ADS1251的输出串行信号线相连，P0.0与同步串口时钟信号线相连；ADS1251的串行信号线同时与单片机的外部中断0引脚连接。
图 3 单片机与AD芯片连接图单片机内部定时器每139us产生一次定时器中断，每36次定时器中断后（即139*36=5004us约5ms）打开外部中断0，如果此时串行信号线上有模数转换完成准备信号，则触发一次外部中断0开始接收数据；单片机通过在P0.0产生的一次读取时钟信号，由并口1读取经AD转换后的多路信号的一位，产生24个读取波形就能读取多路转换后的24位的数字信号；接收完一次所有24位数据后，通过往SBUF写数据，触发串口发送中断，通过异步串口发送采集到的数据[5]。
在单片机异步串口与计算机串口之间通过电平转换芯片MAX232A实现TTL电平与RS232电平之间的转换以实现和计算机的连接。
- 4 -4.4 脑电记录系统的实现在对大鼠进行长时程实时脑电提取过程中，为了使大鼠能够在实验箱内较自由灵活地活动，并且防止鼠头上的导联线扭缠，导联线的上端必须有一种能够随其牵引而灵活转动机械结构，这种机械结构同时还要能够把鼠的脑电信号传递出去。
为了实现这一目的，系统采取了“信号预处理装置＋信号主处理装置”的两级结构如图4所示。
(a) (b)图 4 脑电记录系统实现。
图a和图b分别为信号预处理装置和信号主处理装置具有灵活转动特性的机械结构设计在“信号预处理装置”级，由导联线、信号预处理电路板、轨道板和电刷板构成，整个装置依托在一块Quantum硬盘的轴架上，实现信号的前置放大。
导联线一端连接大鼠头部的“电极帽”，另一端接在信号预处理电路板上；信号前置放大电路板和轨道板同轴固定，可以一起按导联线的牵引方向转动，为了增加实验大鼠拖动导联线转动的灵活性，通过一个力臂杆来加大扭转力矩，力臂杆呈L型，一个臂的一段固定在可以转动的轴上，另一个臂与导联线捆绑；电刷板固定在硬盘的外壳内，正面布有4排对称的电刷焊座，每个轨道在每排焊座上对应一只电刷，12个轨道上的电刷分别连接到背面的12－Pin接口上，再通过导线连接到信号主处理装置的输入端，电刷用计算机主板上PCI接口插座里的金属针制成，一方面为增大电刷触点的面积，另一方面为使轨道与电刷接触的地方更加平滑，需要保证每只电刷的最高触点正对在其轨道的中央且高度合适，在投入使用之前轨道版与电刷之间进行磨合。
“信号主处理装置”级实现信号的主放大与模数转换并完成与计算机的通讯。
整个系统采用－5V/＋5V的直流稳压电源供电。
系统总的差模增益约830倍，共模抑制比约106dB。
基于计算机的数据重组显示软件通过计算机的RS232串口接收数据，对数据进行重组、数字滤波、显示和保存，还可以设置采样率和自动记录时间、进行通道选择等。
系统能够长时程连续记录8通道大鼠脑电数据，生成12小时数据文件的大小为130MB左右。
5. 监视系统癫痫大鼠可能在一天中的任何时间发作，而人不可能全天监视大鼠的一举一动，因此，一个能够长时间记录大鼠视频监视信号并能够回放的系统就显得尤为必要。
- 5 -监视系统采用彩色摄像机加硬盘录像机的方案实现对大鼠的全天监控。
使用的日夜型彩色摄象机SF-3220，红外摄像距离达10~15m。
硬盘录像机通过海康威视4004H 263视频采集压缩板卡采集视音频数据，配置标准的BNC视频输入，串口通讯口和工控机箱，运行稳定。
