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)

2.2 無(wú)線(xiàn)單片機電路設計

由于無(wú)線(xiàn)采集部分背負在實(shí)驗動(dòng)物身上，考慮到體積和重量，本文選擇Nordic公司的2.4 GHz無(wú)線(xiàn)單片機NRF24LE1，如圖2(c)所示。該單片機具有如下特性：

(1)內嵌2.4 GHz低功耗無(wú)線(xiàn)收發(fā)內核NRF24L01P，250 kb/s、1 Mb/s、2 Mb/s空中速率。

(2)高性能51內核,16 KB Flash，1 KB RAM，1 KB NV RAM。

(3)具有豐富的外設資源，內置128 bit AES硬件加密，32 bit 硬件乘除協(xié)處理器，6 bit~12 bit ADC。

(4)提供QFN24、QFN32、QFN48多種封裝，可靈活應用選擇。

2.3 電源電路設計

便攜式生物腦電信號采集系統中，無(wú)線(xiàn)發(fā)射部分供電電池只能采用可充電的鋰電池供電。由于鋰電池在使用過(guò)程中輸出電壓會(huì )下降，因此采用穩壓芯片TPS71334 (輸入2.5 V~4.2 V)來(lái)實(shí)現3.3 V電壓輸出。前置放大器和運放需要正負電源，采用外加電源反轉芯片MAX1697來(lái)實(shí)現-3.3 V輸出，且MAX1697最大輸出電流為60 mA。接收端供電來(lái)自PC機上USB口,利用電源芯片AMS1117將5 V電平轉換為3.3 V為NRF24LE1供電。電源具體電路可以參考電源芯片的數據手冊。

3 系統軟件設計

系統軟件設計包括：發(fā)射端A/D采樣程序、發(fā)射端數據處理、發(fā)射端與接收端通信協(xié)議和顯示界面。

3.1 發(fā)射端程序設計

NRF24LE1為高性能51內核，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)代碼。為提高發(fā)射功率，設置空中速率為250 kb/s，A/D采樣的參考電壓為內部1.22 V，采樣頻率為1 kHz，精度設置為12 bit，其中12 bit數據中的低8位存儲在A(yíng)DCDATAL中，而高4位存儲在A(yíng)DCDATAH的低4位中，ADCDATAH的高4位為地址，數據處理完成后進(jìn)行打包發(fā)送。每次發(fā)送完數據后進(jìn)行CRC校驗，如果校驗出錯則重新發(fā)送數據。

3.2 接收端及顯示界面設計

在接收端設置16 bit的緩沖器(buffer)，將接收的數據存入緩沖器中，通過(guò)串口打印出來(lái)即可。顯示界面采用VC++6.0編寫(xiě)，調用MSCOMM控件實(shí)現Windows程序串口通信，接收端RS232串口送出AD采樣數據時(shí)會(huì )激發(fā)OnComm事件，在處理函數中將新的數據加入顯示隊列，波特率設置為9 600 b/s,界面的橫坐標為時(shí)間,縱坐標為電壓。

4 實(shí)驗方法及結果

4.1 手術(shù)方法及電極植入位置選擇

實(shí)驗采用SD級雄性大鼠，體重350 g，手術(shù)前用9%水合氯醛（40 mg/kg，腹腔注射）對其進(jìn)行麻醉[7]并固定于腦立體定位儀上。根據大鼠腦圖譜[8]進(jìn)行電極植入，切開(kāi)表皮使其顱骨完全暴露后，用適量3%的雙氧水擦拭顱骨以去除表面油脂[9]，用高速顱鉆在顱骨上鉆開(kāi)0.7 mm的孔。將0.17 mm漆包線(xiàn)兩端刮掉涂層，一端纏繞在直徑0.72 mm不銹鋼螺釘上，另外一端焊接在2.54 mm母接線(xiàn)槽上，然后將螺釘固定在顱骨上，最后用牙科水泥將螺絲釘和接線(xiàn)槽固定在大鼠顱骨上。測量電極坐標位置AP=-0.5 mm, ML=1.5 mm, DV=1.0 mm；參考電極坐標位置AP=+1.5 mm, ML=1.0 mm, DV=1.0 mm；為提高系統抗干擾能力，在大鼠腦部后加入相連的地電極與儀器地線(xiàn),坐標位置AP=-8.5 mm, ML=0 mm, DV=1.0 mm。

4.2 實(shí)驗過(guò)程及結果

實(shí)驗前用尼龍搭扣將采集器固定在大鼠背上，按照電路設計中定義的通道將引線(xiàn)端子插入大鼠腦外的2.54 mm母接線(xiàn)槽中。用9%水合氯醛進(jìn)行麻醉來(lái)采集大鼠睡眠時(shí)期腦電波形，波形如圖3(a)所示。待大鼠清醒后，將采集器再次背負在大鼠身上，進(jìn)行清醒狀態(tài)下的腦電信號采集實(shí)驗，如圖3(b)所示。最后根據韓丹等人1998年的方法[10]對大鼠腹腔注射120萬(wàn)U青霉素誘發(fā)大鼠急性全身性癲癇，波形如圖3(c)所示。實(shí)驗結束后對大鼠腹腔注射過(guò)量9%水合氯醛處死，動(dòng)物尸體按照相關(guān)規定進(jìn)行處理。

經(jīng)過(guò)實(shí)際測試，系統能在20 m范圍內收到遙測信號，可以滿(mǎn)足實(shí)驗室范圍內實(shí)驗。與已有的無(wú)線(xiàn)腦電信號采集系統相比，本系統采集數據精度高、抗干擾能力強、成本低廉，能夠完成過(guò)去有線(xiàn)遙測無(wú)法完成的實(shí)驗。隨著(zhù)研究的進(jìn)一步深入，以下幾個(gè)問(wèn)題需要解決：

(1)增加系統采集通道?？梢钥紤]用ARM作為MCU，處理能力更強，A/D采樣精度更高，但需要外掛無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，這樣會(huì )造成體積和重量的增加，所以擴展后采集系統的重量和體積如何控制需要進(jìn)一步研究。

(2) 本系統僅僅測量動(dòng)物的EEG信號。將來(lái)可以研究同時(shí)測量心電、肌電、胞外放電等生物信號，但是所需電極有所不同，需要進(jìn)一步研究測量電極、導聯(lián)方式和安裝位置，同時(shí)頻率、帶寬等參數也有所不同，還需要調整濾波器組的帶寬。

(3) 遙控、遙測功能合二為一。在施加刺激信號的同時(shí)測量腦部其他核團信號，例如對大鼠S1BF區施加電刺激，對大鼠轉向控制的同時(shí)測量支配運動(dòng)的核團 (M1區) 腦電信號，研究生物大腦核團的相互關(guān)聯(lián)，找到核團之間的通路,以更好地證明生物腦部核團的相互關(guān)系。