CN114848084B - 颅骨钻削电阻抗反馈系统及控制方法 - Google Patents

颅骨钻削电阻抗反馈系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种颅骨钻削电阻抗反馈系统及控制方法，包括：导电钻削末端、激励信号发生器、模拟信号处理前端、微处理器和电源管理单元，激励信号发生器产生两路相同、最小1mV幅值、10～100kHz频率的微弱安全激励正弦信号，一路输出至导电钻削末端继而导电到颅脑组织以激发响应信号、另一路作为参考信号输入模拟信号处理前端；本发明通过产生对于颅脑组织微弱安全的正弦激励信号，通过特殊设计的导电钻削末端，在控制钻削转速闭环恒定的动态过程中，可实时连续测量钻削组织的电阻抗信息，本装置能够实时检测颅骨钻削末端组织的电阻抗情况，判断颅骨钻削的结束时刻，可在颅骨钻削完成瞬间，监测到电阻抗突变信号控制设备终止，从而能够引导较为安全的颅骨钻削过程。

Description

颅骨钻削电阻抗反馈系统及控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种自动化作业领域的反馈控制系统，具体是一种颅骨钻削电阻抗反馈系统及控制方法。
背景技术
颅骨钻削是神经科学研究访问生物大脑的必要前提，随着神经接口技术的高通量发展，如何实现安全、高效的颅骨钻削是影响神经科学实验重复性和吞吐量的重要问题。对于常见的实验对象，如大鼠等小动物，其颅骨厚度仅为1mm左右，且颅骨下液缓冲距离只有约0.1mm。仅依靠开环的颅骨钻削方式(如脑立体定位仪)，极易引发组织损伤影响实验结果。
现有自动化颅骨钻削系统多采用钻削力信号以监测实时的钻削情况，但对于这类颅骨厚度薄的实验对象，力信号反馈的响应速度慢，且易受到钻削抖动的干扰，因而很难灵敏及时的反馈颅骨钻削情况。根据相关生理研究，在颅骨钻削过程，钻削末端不同组织情况将表现出巨大的电阻抗差异，能够更加灵敏地反馈钻削状况，提高钻削过程安全性。然而，当前一些应用于其他组织成分测量的电阻抗装置激励幅值过大，在颅骨钻削过程易刺激到敏感的脑组织；并且无法集成到钻削装置中，难以在该动态干扰条件下平稳连续测量。
发明内容
本发明针对现有技术无法满足这类颅骨厚度薄的实验对象的安全钻削要求，对于颅骨钻削过程中测试信号幅值的极大突变，难以横跨大测量范围和微弱信号要求，并且难以集成到开颅装置中，无法应用于恒定转速颅骨钻削的动态测量过程的缺陷和不足，提出一种颅骨钻削电阻抗反馈系统及控制方法，通过产生对于颅脑组织微弱安全的正弦激励信号，通过特殊设计的导电钻削末端，在控制钻削转速闭环恒定的动态过程中，可实时连续测量钻削组织的电阻抗信息，本装置能够实时检测颅骨钻削末端组织的电阻抗情况，判断颅骨钻削的结束时刻，可在颅骨钻削完成瞬间，监测到电阻抗突变信号控制设备终止，从而能够引导较为安全的颅骨钻削过程。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种颅骨钻削电阻抗反馈系统，包括：导电钻削末端、激励信号发生器、模拟信号处理前端、微处理器和电源管理单元，其中：导电钻削末端在电阻抗测量过程中充当连续旋转过程的测量电极，实时传递电阻抗信号至开颅对象；激励信号发生器产生两路相同、最小1mV幅值、10～100kHz频率的微弱安全激励正弦信号，一路输出至导电钻削末端继而导电到颅脑组织以激发响应信号、另一路作为参考信号输入模拟信号处理前端；模拟信号处理前端同步对微弱多噪声的响应信号和参考激励信号进行放大调理，抬升至可供微处理器采样的电压区间；微处理器以同步采样模式对模拟信号采样计算、对比分析获取阻抗信息，以判断颅骨钻削情况；电源管理单元将外接供电电源转换为各数字、模拟电路所需的不同电源电压。
所述的反馈是指：微处理器在电阻抗测量过程中通过控制导电钻削末端的转速，能够在动态钻削的过程中同步测量，从而对钻削过程实时连续的监测反馈。
所述的导电钻削末端包括：钻削电机、导电滑环、中空转轴、导电钻夹头和金属钻针，其中：钻削电机、中空转轴与导电钻夹头依次相连，导电滑环套接于中空转轴上内圈与中空转轴同步转动，外圈保持固定，阻抗测量信号经导电滑环的外圈固定端输入，通过导电滑环的铜刷实现在内圈和外圈间的传输；导电钻夹头上设有通过导电铜粉胶固接的铜片电极以连接信号线，金属钻针设置于导电钻夹头末端并与信号线相连，实现钻削过程中对测量对象的实时电阻抗测量。
所述的激励信号发生器包括：信号发生单元、电流转换单元、电压跟随单元和高通滤波器，其中：信号发生单元根据微处理器的频率幅值设置指令，通过调制频率控制字产生正弦激励电流并输出至电流转换单元以生成微弱电压信号，电压跟随单元将微弱激励电压信号提高输出阻抗与带载能力，经高通滤波器过滤直流分量得到电中性的正弦激励电压信号并输出。
所述的模拟信号处理前端包括：激励信号调理电路与响应信号调理电路，其同时对原始激励信号和微弱带噪声的响应信号进行调理、放大，激励信号调理电路与响应信号调理电路的放大倍数、偏置电压幅度以及控制信号通断的模拟开关通过微处理器控制设置。
所述的激励信号调理电路包括：前置放大单元、二级放大单元和电压偏置单元，其中：前置放大单元和二级放大单元构成两级放大结构将mV级信号放大500～1000倍，并使用电压偏置单元抬升正弦信号至0～3.3V电压采样区间。
所述的响应信号调理电路包括：前级放大滤波单元、二级放大单元、工频陷波单元和电压偏置单元，其中：前级放大滤波单元采用极低噪声的精密运算放大器搭建，并参考端使用后向积分滤波环节，以高保真度调理初始微弱信号，对高频噪声成分的抑制比更高，提高信号信噪比，工频陷波单元抑制响应信号中包含的更大能量的工频电磁噪声。
所述的微处理器通过串行外设接口设置激励信号发生器的幅值与频率，通过脉冲宽度调制占空比控制钻削电机的钻削转速，通过模数转换器采样经调理放大后的阻抗测量信号即激励信号与响应信号。该微处理器同时也是整个颅骨钻削电阻抗反馈控制系统的中央控制核心，其通过捕捉电机旋转的脉冲反馈，获取钻削电机实时的转速信息，进而调整转速实现对电机转速的闭环控制；与此同时，其通过计算同步采样的激励与响应信号，通过离散傅里叶变换计算，对比分析获取实时的钻削末端阻抗信息，监测颅骨钻削末端的实时情况，判断钻削完成时立刻发出停止指令，控制钻削电机停止钻削与进给。
本发明涉及一种基于上述系统的颅骨钻削电阻抗反馈控制方法，通过激励信号发生器产生两路正弦激励信号，其一连接至钻削电极继而传递到颅脑组织激发响应信号，另二连接至模拟信号处理前端的激励信号调理电路放大调理；激发产生的响应信号连接至模拟信号处理前端的响应信号调理电路同步放大调理；微处理器通过实时捕捉计算电机旋转的反馈脉冲获取转速信息，并调节电机转速，保持恒定钻削的同时，微处理器设置激励信号发生器产生给定幅值和频率的微弱正弦激励信号作为激励信号，通过导电钻削末端将其传导至钻削组织，并通过模拟信号调理电路对响应信号和激励信号同步调理，经ADC采样后至微处理器中进行DFT分析和阻抗计算，根据电阻抗信号变化来判断颅骨钻削末端的钻削情况，引导安全的颅骨钻削过程。
技术效果
本发明考虑较小颅骨钻削对象的安全特性、开颅钻削过程的动态干扰设计电阻抗测量系统，通过定制的导电钻削末端可用于颅骨钻削动态过程中电阻抗的连续安全测量；并应用颅脑不同组织的电阻抗差异机理，作为灵敏反馈控制信号实现相较力信号反馈更加灵敏、安全的颅骨钻削过程。
本发明能够在±50μm的进给偏差内检测到目标信号停止钻削电机，能够在钻削动态干扰下，应用小于5mV的微弱正弦电压激励信号，连续监测钻削末端的电阻抗信息，其复阻抗测量的范围约为10kOhm～1Mohm。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为实施例中导电钻削末端示意图；
图3为实施例中激励信号发生器与模拟信号处理前端示意图；
图4为实施例中前置放大滤波示意图；
图5为本发明方法流程图；
图6为实施例中颅骨钻削电阻抗反馈控制方法示意图；
图7为实施例中固定阻抗元件的测量表征效果图；
图8为实施例中电阻抗测量反馈控制效果图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例颅骨钻削电阻抗反馈系统的应用环境，包括：导电钻削末端1与电阻抗测量机构2，电阻抗测量机构2包括：激励信号发生器3、模拟信号处理前端4、微处理器5、电源管理单元6、钻削电机驱动单元7；导电钻削末端1包括：钻削电机8、导电滑环9、导电钻夹头10，其中：激励信号发生器3产生两路相同的激励信号，一路输出至导电滑环9的固定端继而导电到旋转的导电钻头，激发颅脑组织以产生响应信号。另一路作为参考信号与响应信号一并输入至模拟信号处理前端4进行同步放大调理。导电钻夹头10在电阻抗测量过程中充当测量电极，在开颅钻削的动态过程中实时传递电阻抗信号至开颅对象，微处理器5对调理后的信号进行同步采样和DFT计算，并对比分析得到电阻抗信息，电源管理单元6将外接供电电源转换为各数字、模拟电路所需的不同电源电压。
如图2所示，所述的导电钻削末端1包括：钻削电机8、导电滑环9与导电钻夹头10，其中：导电滑环9的内圈固定在转轴上跟随转动，外圈几乎不动，其内部信号是可以在转动内圈和固定外圈间直接传输的。导电钻夹头10为定制的固接有铜片电极11的颅钻钻夹头，该铜片电极11有方便接线的小孔，并通过导电铜粉胶与钻夹头紧密接触导电；通过将信号线从固定端信号线接口首先连接至导电滑环9，经过其内部固定外圈和转动内圈间的信号转接，由旋转端信号线接口引出连接到铜片电极11的接线小孔，铜片电极11与颅钻钻头紧密接触导电，从而实现钻削过程中对测量对象的实时电阻抗测量。
如图3所示，所述的激励信号发生器3包括：依次相连用于产生指定频率与幅值电流信号的AD9954信号发生芯片16、将电流转化为微弱电压信号的电流转换单元17、用于提高输出阻抗的电压跟随器18和过滤直流分量的高通滤波器19。
本实施例不直接使用DDS信号发生芯片产生信号的原因在于其输出阻抗较小，输出信号易受外界阻抗大小的影响，且幅值较大不适合颅骨钻削场景。因而通过信号幅值转化、电压跟随等方式，可提高输出阻抗，令激励信号更加稳定，并可结合分压电阻14实现更加微弱的激励信号最小1mV的可辨幅值。
如图3所示，所述的模拟信号处理前端4包括：激励信号调理电路12和响应信号调理电路13，其中：激励信号调理电路12直接对原始激励信号进行调理放大，与响应信号对比分析，为尽可能减少在放大过程中的噪声影响，该激励信号调理电路具体包括：前置放大单元20、二级放大单元21和电压偏置单元22，其中：前置放大单元20和二级放大单元21构成的两级放大结构，并使用电压偏置单元22抬升正弦信号至0～3.3V的ADC电压采样区间。
所述的响应信号调理电路13对响应信号放大滤波，由测量阻抗产生的响应信号中包含更大能量的电路噪声如工频干扰、电阻热噪声等等，因而需要更加严格的滤波环节与更低倍数的前级放大，该响应信号调理电路13包括：前置放大单元23、二级放大单元21、工频陷波单元24和电压偏置单元22，其中：前置放大单元23采用极低噪声的精密/仪表运算放大器搭建信号放大与带通滤波环节，能够以高保真度调理初始微弱信号，提高信号信噪比，相较于激励信号调理电路12，响应信号调理电路13增加了工频陷波单元24以抑制工频干扰，并且其前级放大滤波单元23放大倍数更小，对于高频噪声成分的抑制比更高。
如图4所示，所述的前置放大单元23包括：电压跟随器25、前置放大与高通滤波器26和有源二阶低通滤波器27，其中：由极低噪声运算放大器搭建的电压跟随器25保真响应信号，继而经由具有高共模抑制比高共模抑制比有利于抑制差分线路中相同的噪声成分的差分仪表放大器搭建的前置放大与高通滤波器26环节实现一级放大与高通滤波。其高通滤波效果通过在增益电阻端串联滤波电容构成的有源高通滤波器和参考电压端叠加的反向积分电路实现低频抑制。而后，经有源二阶低通滤波器27实现对高频噪声的抑制，同样该滤波电路由极低噪声的高性能放大器实现。
所述的微处理器5通过串行外设接口接口SPI实现与激励信号发生器3的通信，调节激励信号的幅值和频率；通过模数转换器ADC对经模拟信号处理前端4放大调理后的两信号同步采样，经DFT计算后对比分析获取阻抗信息；通过脉冲宽度调制控制钻削电机驱动7，在检测到电阻抗突变后，发出钻削停止信号停止钻削电机8。
如图5所示，本实施例涉及上述装置的颅骨钻削电阻抗反馈控制方法，通过激励信号发生器3产生两路正弦激励信号，其一连接至钻削电极继而传递到颅脑组织激发响应信号，另二连接至模拟信号处理前端4的激励信号调理电路放大调理；激发产生的响应信号连接至模拟信号处理前端4的响应信号调理电路同步放大调理。最后由微处理器同步采样、DFT计算分析，并对比计算得到电阻抗信息，微处理器实时监测电阻抗信号变化情况，通过阈值判断确定颅钻端位置。
所述的响应信号、经模拟信号处理前端调理后的两采样信号与原始激励信号的关系满足：
Figure BDA0003685048910000051
Figure BDA0003685048910000052
所述的DFT计算对比分析过程，为分别对经过模拟信号处理前端调理后的U激励采样和U响应采样进行采样点的离散傅里叶分析，通过获取在指定频率点的幅值与相位，经过对比分析从而得到关于待测组织的阻抗信息，即：
Figure BDA0003685048910000053
故需事先执行电路原始差异的计算校准，即可已知
Figure BDA0003685048910000054
和
Figure BDA0003685048910000055
部分，从而在实际阻抗测量过程中可以实时计算得到目标阻抗信息Ax与θ。需要强调的是，电路原始差异与设置的放大倍数和激励信号幅值、频率有关，相关参数一经设置，后续不会再变化，故只需要每次设置后执行电路校准即可。
所述的电路校准是指：断开模拟开关15至电路为开路状态，后对经模拟信号处理前端放大调理的信号采样、进行DFT离散傅里叶变换运算，得到激励信号调理电路12和响应信号调理电路13间的原始差异；短路校准具体实现方式为将导电开颅末端1钻针和参考电极浸没于生理盐水中形成短路状态，后同步采样、DFT计算测量两电极自身的电极阻抗并进行补偿。
所述的突破颅骨到达脑脊液区域，即根据电阻抗信号变化判断钻穿，具体为：当前时刻计算的电阻抗值相较于前一时刻快速下降，超过设置的变化阈值，则认为是颅钻从颅骨组织突破接触到脑脊液；或者当前时刻的电阻抗值达到较低阻抗水平时，则认为是颅钻已接触到脑脊液，亦控制钻削停止，具体为：|Zt|-|Zt-1|≤-|ΔZ变化阈值|或0<|Zt|<|Z绝对阈值|。
所述的钻削控制与阻抗测量同时进行。待阻抗测量开启并收到钻削启动命令后，系统通过钻削电机驱动7闭环控制钻削电机8的转速。收到阻抗数据更新中断后，如达到钻穿判断条件，则认为到达钻穿点，记录下该点的钻穿深度数值，后发出钻削停止信号，自动关闭钻削电机8等待再次收到启动命令。
如图6所示，该反馈控制方法具体包括：首先，在装置通电并收到启动命令后，执行初始化，包括：检查装置的通信连接是否正常、设置激励信号发生器3产生信号的频率和幅值、通过钻削电机驱动7设置钻削电机8转速、配置内部定时器和ADC采样频率；进而，完成初始化并收到阻抗检测启动命令后，将闭合电路的模拟开关15将激励信号传导至导电钻削末端1，当为第一次电阻抗测量，需要执行电路校准以预估模拟信号处理前端4的电路差异、杂散电容影响以及导电钻削末端1的电极阻抗；接着，当已完成电路校准且微处理器5在收到阻抗检测启动命令后，系统将开始实际的阻抗测量，其首先对调理后的激励信号和响应信号同步采样与DFT计算，筛选出在激励频率处的频谱计算值，继而对比两通道频谱值的幅值和相位变化，结合校准过程获得的原始电路差异及杂散电容影响，从而可计算处开颅对象的电阻抗信息；最后，将更新的电阻抗数据存储并触发中断判断是否钻穿。
经过具体实际实验，首先对该电阻抗测量系统的阻抗测量功能做了固定阻抗元件的表征测试，对与颅脑组织阻抗幅值范围一致的10kΩ～1MΩ电阻元件以及100kΩ电阻和10nF电容并联的阻容元件，在5mV激励幅值的条件下做了扫频的阻抗检测，得到的实验结果如图7所示，在1kHz激励频率以下，该电阻抗测量系统能够精准检测10kΩ～1MΩ的电阻阻值，当频率继续增大时，由于寄生电容的影响，导致实际测得阻值变小，且随频率增大而持续下降；同时对于100kΩ电阻10nF电容并联的阻容元件，在不同频率下，该电阻抗测量系统均能精准检测其复阻抗，所测得实验结果与理论计算结果基本一致。
经等效模型搭建分析，通过调研具体颅骨阻值与脑脊液的电导率，选用阻抗性质相近的PEEK材料模拟颅骨，使用生理盐水模拟组织液，在开颅钻削实验中验证了该电阻抗测量设备对于钻穿突破的灵敏判断作用，测得的实验结果如图8所示，在模拟颅骨钻穿的±50μm范围内，响应电压归一化数值能够突变至0.2以下，具有极其灵敏的突变信号表征，能够很好的用来避免颅骨钻削过度导致脑组织损伤。
与现有技术相比，本发明考虑了颅脑组织的安全需求设计了微弱激励的电阻抗测量系统；本发明通过定制的导电钻削末端，该电阻抗测量系统可直接应用在动态的开颅钻削过程，不需要停止钻削电机即可实现连续电阻抗测量，能够在开颅钻削进给的过程中实时反馈钻尖组织情况；本发明应用颅脑不同组织电阻抗差异机理作为判断钻削末端实时情况的反馈控制信号，能够在±50μm的进给偏差内检测到目标信号停止钻削电机，将极大降低对于较小动物开颅钻削过程伤害脑组织的可能。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种颅骨钻削电阻抗反馈系统，其特征在于，包括：作为测量电极的导电钻削末端、激励信号发生器、模拟信号处理前端、微处理器和电源管理单元，其中：激励信号发生器产生两路相同、最小1mV幅值、10～100kHz频率的微弱安全激励正弦信号，一路输出通过导电钻削末端导电至颅脑组织以激发响应信号、另一路作为参考信号输入模拟信号处理前端；模拟信号处理前端同时对响应信号和参考激励信号进行放大调理和电压抬升；微处理器以同步采样模式对模拟信号处理前端输出的模拟信号进行采样计算、对比分析获取阻抗信息，以判断颅骨钻削情况；电源管理单元将外接供电电源转换为各数字、模拟电路所需的不同电源电压；
所述的反馈是指：微处理器在电阻抗测量过程中通过控制导电钻削末端的转速，在动态钻削的过程中同步测量，从而对钻削过程实时连续的监测反馈；
所述的导电钻削末端包括：钻削电机、导电滑环、中空转轴、导电钻夹头和金属钻针，其中：钻削电机、中空转轴与导电钻夹头依次相连，导电滑环套接于中空转轴上内圈与中空转轴同步转动，外圈保持固定，阻抗测量信号经导电滑环的外圈固定端输入，通过导电滑环的铜刷实现在内圈和外圈间的传输；导电钻夹头上设有通过导电铜粉胶固接的铜片电极以连接信号线，金属钻针设置于导电钻夹头末端并与信号线相连，实现钻削过程中对测量对象的实时电阻抗测量；
所述的激励信号发生器包括：信号发生单元、电流转换单元、电压跟随单元和高通滤波器，其中：信号发生单元根据微处理器的频率幅值设置指令，通过调制频率控制字产生正弦激励电流并输出至电流转换单元以生成微弱电压信号，电压跟随单元将微弱激励电压信号提高输出阻抗与带载能力，经高通滤波器过滤直流分量得到电中性的正弦激励电压信号并输出；
所述的模拟信号处理前端包括：激励信号调理电路与响应信号调理电路，其同时对原始激励信号和微弱带噪声的响应信号进行调理、放大，激励信号调理电路与响应信号调理电路的放大倍数、偏置电压幅度以及控制信号通断的模拟开关通过微处理器控制设置。
2.根据权利要求1所述的颅骨钻削电阻抗反馈系统，其特征是，所述的激励信号调理电路包括：前置放大单元、二级放大单元和电压偏置单元，其中：前置放大单元和二级放大单元构成两级放大结构将mV级信号放大500～1000倍，并使用电压偏置单元抬升正弦信号至0～3.3V电压采样区间；
所述的响应信号调理电路包括：前级放大滤波单元、二级放大单元、工频陷波单元和电压偏置单元，其中：前级放大滤波单元采用极低噪声的精密运算放大器搭建，并参考端使用后向积分滤波环节，以高保真度调理初始微弱信号，对高频噪声成分的抑制比更高，提高信号信噪比，工频陷波单元抑制响应信号中包含的更大能量的工频电磁噪声。
3.根据权利要求1所述的颅骨钻削电阻抗反馈系统，其特征是，所述的响应信号
Figure FDA0003851438590000021
Figure FDA0003851438590000022
Figure FDA0003851438590000023
其中：U激励采样和U响应采样为经模拟信号处理前端调理后的两采样信号，U激励为原始激励信号。
4.根据权利要求3所述的颅骨钻削电阻抗反馈系统，其特征是，所述的微处理器中进行DFT分析和阻抗计算，具体为分别对经过模拟信号处理前端调理后的U激励采样和U响应采样进行采样点的离散傅里叶分析，通过获取在指定频率点的幅值与相位，经过对比分析从而得到关于待测组织的阻抗信息，即：
Figure FDA0003851438590000024
两列信号经离散傅里叶分析后的相位差
Figure FDA0003851438590000025
5.根据权利要求4所述的颅骨钻削电阻抗反馈系统，其特征是，所述的DFT分析和阻抗计算，事先执行电路原始差异的计算校准，即可已知
Figure FDA0003851438590000026
和
Figure FDA0003851438590000027
部分，从而在实际阻抗测量过程中实时计算得到目标阻抗信息Ax与θ，具体为：断开模拟开关至电路为开路状态，后对经模拟信号处理前端放大调理的信号采样、进行离散傅里叶变换运算，得到激励信号调理电路和响应信号调理电路间的原始差异；短路校准具体实现方式为将导电开颅末端钻针和参考电极浸没于生理盐水中形成短路状态，后同步采样、DFT计算测量两电极自身的电极阻抗并进行补偿。
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