基于單片機的無(wú)線(xiàn)便攜式動(dòng)物腦電遙測系統設計

隨著(zhù)微電子學(xué)的快速發(fā)展，腦機接口(BCI)技術(shù)應運而生，它是在人(或動(dòng)物)腦與外部設備間建立的連接通路。早在1975年Ranck等人通過(guò)電刺激來(lái)尋找哺乳動(dòng)物的中樞神經(jīng)系統興奮部分[1]。Tehovnik于1996年通過(guò)電刺激神經(jīng)組織引起行為反應[2]。AndréA. Fenton等人也在1996年用模式識別技術(shù)驗證單個(gè)神經(jīng)元的行為和活動(dòng)的相關(guān)性[3]。Iyad Obeid等人于2004年記錄清醒狀態(tài)下獼猴的單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)[4]。目前生物腦電有線(xiàn)方式測量精度相對較高,但由于限制了動(dòng)物的運動(dòng)范圍，測量過(guò)程中可能會(huì )發(fā)生導線(xiàn)纏繞或者被動(dòng)物撕咬等情況[3]。無(wú)線(xiàn)方式可使動(dòng)物活動(dòng)范圍變大，但采集器受到了測量精度、帶寬、體積、重量和電池供電時(shí)間等因素的制約[4]。本文給出了新型無(wú)線(xiàn)腦電遙測系統，并將該系統應用于大鼠實(shí)驗。實(shí)驗結果表明，該系統具有測量精度高、帶寬寬、體積小、工作時(shí)間長(cháng)、不易被動(dòng)物撕咬等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統原理

整個(gè)系統包括腦電信號前置放大器、帶通濾波器、50 Hz陷波器、無(wú)線(xiàn)發(fā)射單元、無(wú)線(xiàn)接收單元、電源管理、顯示存儲部分。測量電極采集到自由活動(dòng)狀態(tài)下的腦電信號并輸入至前置放大器,再通過(guò)一個(gè)帶通濾波器后輸出腦電信號，進(jìn)入無(wú)線(xiàn)單片機NRF24LE1進(jìn)行模數轉換并發(fā)送。接收端同樣采用NRF24LE1,接收到發(fā)射端的信號后解調輸出到顯示部分并記錄。系統原理如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1濾波器組設計

生物信號源本身是微弱信號源，通過(guò)電極提取呈現出不穩定的高內阻性質(zhì)[5]。根據生物信號的特點(diǎn)，對生物電前置放大器要求高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移等[6]。為滿(mǎn)足上述指標,本文選擇AD620作為腦電信號前置放大器，系統設定前置放大器的電壓增益為8，同時(shí)為避免極化電壓使前置放大器進(jìn)入飽和狀態(tài),在輸入端加入隔直電容。動(dòng)物腦電信號頻率范圍為0.5 Hz~100 Hz，考慮到國內市電50 Hz的工頻干擾，在濾波器組中加入50 Hz陷波器，3個(gè)濾波器進(jìn)行級聯(lián)得到所需的濾波器組。采用運算放大器實(shí)現高通、低通和陷波，一個(gè)運放LM324芯片即可實(shí)現濾波器組設計。腦電采集電路及其幅頻特性曲線(xiàn)如圖2(a)、圖2(b)所示， 其中圖2(b)為實(shí)際測得曲線(xiàn)。高通濾波器的下限截止頻率為：

根據式(7)，近千倍的放大倍數可以?滋V級的生物信號放大至mV級，達到單片機AD采樣精度。

圖2 EEG采集電路及其幅頻特性曲線(xiàn)