基于單片機的無線便攜式動物腦電遙測系統設計

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

1 系統原理

整個系統包括腦電信號前置放大器、帶通濾波器、50 Hz陷波器、無線發射單元、無線接收單元、電源管理、顯示存儲部分。測量電極采集到自由活動狀態下的腦電信號并輸入至前置放大器,再通過一個帶通濾波器后輸出腦電信號，進入無線單片機NRF24LE1進行模數轉換并發送。接收端同樣采用NRF24LE1,接收到發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，通過電極提取呈現出不穩定的高內阻性質[5]。根據生物信號的特點，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，同時為避免極化電壓使前置放大器進入飽和狀態,在輸入端加入隔直電容。動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個濾波器進行級聯得到所需的濾波器組。采用運算放大器實現高通、低通和陷波，一個運放LM324芯片即可實現濾波器組設計。腦電采集電路及其幅頻特性曲線如圖2(a)、圖2(b)所示， 其中圖2(b)為實際測得曲線。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