基于單片機(jī)的無線便攜式動物腦電遙測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著微電子學(xué)的快速發(fā)展，腦機(jī)接口(BCI)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它是在人(或動物)腦與外部設(shè)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(jīng)系統(tǒng)興奮部分[1]。Tehovnik于1996年通過電刺激神經(jīng)組織引起行為反應(yīng)[2]。AndréA. Fenton等人也在1996年用模式識別技術(shù)驗(yàn)證單個(gè)神經(jīng)元的行為和活動的相關(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[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(yùn)動范圍，測量過程中可能會發(fā)生導(dǎo)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(shí)間等因素的制約[4]。本文給出了新型無線腦電遙測系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于大鼠實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有測量精度高、帶寬寬、體積小、工作時(shí)間長、不易被動物撕咬等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)原理

整個(gè)系統(tǒng)包括腦電信號前置放大器、帶通濾波器、50 Hz陷波器、無線發(fā)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(tài)下的腦電信號并輸入至前置放大器,再通過一個(gè)帶通濾波器后輸出腦電信號，進(jìn)入無線單片機(jī)NRF24LE1進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)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(diào)輸出到顯示部分并記錄。系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1濾波器組設(shè)計(jì)

生物信號源本身是微弱信號源，通過電極提取呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的高內(nèi)阻性質(zhì)[5]。根據(jù)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]。為滿足上述指標(biāo),本文選擇AD620作為腦電信號前置放大器，系統(tǒng)設(shè)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。動物腦電信號頻率范圍為0.5 Hz~100 Hz，考慮到國內(nèi)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(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)高通、低通和陷波，一個(gè)運(yùn)放LM324芯片即可實(shí)現(xiàn)濾波器組設(shè)計(jì)。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(shí)際測得曲線。高通濾波器的下限截止頻率為：

根據(jù)式(7)，近千倍的放大倍數(shù)可以?滋V級的生物信號放大至mV級，達(dá)到單片機(jī)AD采樣精度。

圖2 EEG采集電路及其幅頻特性曲線