基于單片機(jī)的無(wú)線(xiàn)便攜式動(dòng)物腦電遙測(cè)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(dòng)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(guò)電刺激來(lái)尋找哺乳動(dòng)物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)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(yīng)[2]。AndréA. Fenton等人也在1996年用模式識(shí)別技術(shù)驗(yàn)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(cè)量精度相對(duì)較高,但由于限制了動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)范圍，測(cè)量過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生導(dǎo)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(cè)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(cè)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(cè)量精度高、帶寬寬、體積小、工作時(shí)間長(zhǎng)、不易被動(dòng)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(hào)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(chǔ)部分。測(cè)量電極采集到自由活動(dòng)狀態(tài)下的腦電信號(hào)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(hào)，進(jìn)入無(wú)線(xiàn)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(hào)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(hào)源本身是微弱信號(hào)源，通過(guò)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(hào)的特點(diǎn)，對(duì)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(biāo),本文選擇AD620作為腦電信號(hào)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(dòng)物腦電信號(hào)頻率范圍為0.5 Hz~100 Hz，考慮到國(guó)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(jí)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(xiàn)如圖2(a)、圖2(b)所示， 其中圖2(b)為實(shí)際測(cè)得曲線(xiàn)。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(jí)的生物信號(hào)放大至mV級(jí)，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(xiàn)