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

2.2 無線單片機電路設計

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

(1)內嵌2.4 GHz低功耗無線收發內核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，無線發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程中輸出電壓會下降，因此采用穩壓芯片TPS71334 (輸入2.5 V~4.2 V)來實現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來實現-3.3 V輸出，且MAX1697最大輸出電流為60 mA。接收端供電來自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：發射端A/D采樣程序、發射端數據處理、發射端與接收端通信協議和顯示界面。

3.1 發射端程序設計

NRF24LE1為高性能51內核，采用C語言編寫代碼。為提高發射功率，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ADCDATAL中，而高4位存儲在ADCDATAH的低4位中，ADCDATAH的高4位為地址，數據處理完成后進行打包發送。每次發送完數據后進行CRC校驗，如果校驗出錯則重新發送數據。

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，通過串口打印出來即可。顯示界面采用VC++6.0編寫，調用MSCOMM控件實現Windows程序串口通信，接收端RS232串口送出AD采樣數據時會激發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,界面的橫坐標為時間,縱坐標為電壓。

4 實驗方法及結果

4.1 手術方法及電極植入位置選擇

實驗采用SD級雄性大鼠，體重350 g，手術前用9%水合氯醛（40 mg/kg，腹腔注射）對其進行麻醉[7]并固定于腦立體定位儀上。根據大鼠腦圖譜[8]進行電極植入，切開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0.7 mm的孔。將0.17 mm漆包線兩端刮掉涂層，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,坐標位置AP=-8.5 mm, ML=0 mm, DV=1.0 mm。

4.2 實驗過程及結果

實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端子插入大鼠腦外的2.54 mm母接線槽中。用9%水合氯醛進行麻醉來采集大鼠睡眠時期腦電波形，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，進行清醒狀態下的腦電信號采集實驗，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U青霉素誘發大鼠急性全身性癲癇，波形如圖3(c)所示。實驗結束后對大鼠腹腔注射過量9%水合氯醛處死，動物尸體按照相關規定進行處理。

經過實際測試，系統能在20 m范圍內收到遙測信號，可以滿足實驗室范圍內實驗。與已有的無線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，能夠完成過去有線遙測無法完成的實驗。隨著研究的進一步深入，以下幾個問題需要解決：

(1)增加系統采集通道。可以考慮用ARM作為MCU，處理能力更強，A/D采樣精度更高，但需要外掛無線傳輸模塊，這樣會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一步研究。

(2) 本系統僅僅測量動物的EEG信號。將來可以研究同時測量心電、肌電、胞外放電等生物信號，但是所需電極有所不同，需要進一步研究測量電極、導聯方式和安裝位置，同時頻率、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測量支配運動的核團 (M1區) 腦電信號，研究生物大腦核團的相互關聯，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系。