基于单片机的无线便携式动物脑电遥测系统设计

随着微电子学的快速发展，脑机接口(BCI)技术应运而生，它是在人(或动物)脑与外部设备间建立的连接通路。早在1975年Ranck等人通过电刺激来寻找哺乳动物的中枢神经系统兴奋部分[1]。Tehovnik于1996年通过电刺激神经组织引起行为反应[2]。AndréA. Fenton等人也在1996年用模式识别技术验证单个神经元的行为和活动的相关性[3]。Iyad Obeid等人于2004年记录清醒状态下猕猴的单个神经元活动[4]。目前生物脑电有线方式测量精度相对较高,但由于限制了动物的运动范围，测量过程中可能会发生导线缠绕或者被动物撕咬等情况[3]。无线方式可使动物活动范围变大，但采集器受到了测量精度、带宽、体积、重量和电池供电时间等因素的制约[4]。本文给出了新型无线脑电遥测系统，并将该系统应用于大鼠实验。实验结果表明，该系统具有测量精度高、带宽宽、体积小、工作时间长、不易被动物撕咬等优点。

1 系统原理

整个系统包括脑电信号前置放大器、带通滤波器、50 Hz陷波器、无线发射单元、无线接收单元、电源管理、显示存储部分。测量电极采集到自由活动状态下的脑电信号并输入至前置放大器,再通过一个带通滤波器后输出脑电信号，进入无线单片机NRF24LE1进行模数转换并发送。接收端同样采用NRF24LE1,接收到发射端的信号后解调输出到显示部分并记录。系统原理如图1所示。

 

 

2 系统硬件设计

2.1滤波器组设计

生物信号源本身是微弱信号源，通过电极提取呈现出不稳定的高内阻性质[5]。根据生物信号的特点，对生物电前置放大器要求高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移等[6]。为满足上述指标,本文选择AD620作为脑电信号前置放大器，系统设定前置放大器的电压增益为8，同时为避免极化电压使前置放大器进入饱和状态,在输入端加入隔直电容。动物脑电信号频率范围为0.5 Hz~100 Hz，考虑到国内市电50 Hz的工频干扰，在滤波器组中加入50 Hz陷波器，3个滤波器进行级联得到所需的滤波器组。采用运算放大器实现高通、低通和陷波，一个运放LM324芯片即可实现滤波器组设计。脑电采集电路及其幅频特性曲线如图2(a)、图2(b)所示， 其中图2(b)为实际测得曲线。高通滤波器的下限截止频率为：

 

 

根据式(7)，近千倍的放大倍数可以?滋V级的生物信号放大至mV级，达到单片机AD采样精度。

 

 

图2 EEG采集电路及其幅频特性曲线

2.2 无线单片机电路设计

由于无线采集部分背负在实验动物身上，考虑到体积和重量，本文选择Nordic公司的2.4 GHz无线单片机NRF24LE1，如图2(c)所示。该单片机具有如下特性：

(1)内嵌2.4 GHz低功耗无线收发内核NRF24L01P，250 kb/s、1 Mb/s、2 Mb/s空中速率。

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

(3)具有丰富的外设资源，内置128 bit AES硬件加密，32 bit 硬件乘除协处理器，6 bit~12 bit ADC。

(4)提供QFN24、QFN32、QFN48多种封装，可灵活应用选择。

2.3 电源电路设计

便携式生物脑电信号采集系统中，无线发射部分供电电池只能采用可充电的锂电池供电。由于锂电池在使用过程中输出电压会下降，因此采用稳压芯片TPS71334 (输入2.5 V~4.2 V)来实现3.3 V电压输出。前置放大器和运放需要正负电源，采用外加电源反转芯片MAX1697来实现-3.3 V输出，且MAX1697最大输出电流为60 mA。接收端供电来自PC机上USB口,利用电源芯片AMS1117将5 V电平转换为3.3 V为NRF24LE1供电。电源具体电路可以参考电源芯片的数据手册。

3 系统软件设计

系统软件设计包括：发射端A/D采样程序、发射端数据处理、发射端与接收端通信协议和显示界面。

3.1 发射端程序设计

NRF24LE1为高性能51内核，采用C语言编写代码。为提高发射功率，设置空中速率为250 kb/s，A/D采样的参考电压为内部1.22 V，采样频率为1 kHz，精度设置为12 bit，其中12 bit数据中的低8位存储在ADCDATAL中，而高4位存储在ADCDATAH的低4位中，ADCDATAH的高4位为地址，数据处理完成后进行打包发送。每次发送完数据后进行CRC校验，如果校验出错则重新发送数据。

3.2 接收端及显示界面设计

在接收端设置16 bit的缓冲器(buffer)，将接收的数据存入缓冲器中，通过串口打印出来即可。显示界面采用VC++6.0编写，调用MSCOMM控件实现Windows程序串口通信，接收端RS232串口送出AD采样数据时会激发OnComm事件，在处理函数中将新的数据加入显示队列，波特率设置为9 600 b/s,界面的横坐标为时间,纵坐标为电压。

4 实验方法及结果

4.1 手术方法及电极植入位置选择

实验采用SD级雄性大鼠，体重350 g，手术前用9%水合氯醛(40 mg/kg，腹腔注射)对其进行麻醉[7]并固定于脑立体定位仪上。根据大鼠脑图谱[8]进行电极植入，切开表皮使其颅骨完全暴露后，用适量3%的双氧水擦拭颅骨以去除表面油脂[9]，用高速颅钻在颅骨上钻开0.7 mm的孔。将0.17 mm漆包线两端刮掉涂层，一端缠绕在直径0.72 mm不锈钢螺钉上，另外一端焊接在2.54 mm母接线槽上，然后将螺钉固定在颅骨上，最后用牙科水泥将螺丝钉和接线槽固定在大鼠颅骨上。测量电极坐标位置AP=-0.5 mm, ML=1.5 mm, DV=1.0 mm;参考电极坐标位置AP=+1.5 mm, ML=1.0 mm, DV=1.0 mm;为提高系统抗干扰能力，在大鼠脑部后加入相连的地电极与仪器地线,坐标位置AP=-8.5 mm, ML=0 mm, DV=1.0 mm。

4.2 实验过程及结果

实验前用尼龙搭扣将采集器固定在大鼠背上，按照电路设计中定义的通道将引线端子插入大鼠脑外的2.54 mm母接线槽中。用9%水合氯醛进行麻醉来采集大鼠睡眠时期脑电波形，波形如图3(a)所示。待大鼠清醒后，将采集器再次背负在大鼠身上，进行清醒状态下的脑电信号采集实验，如图3(b)所示。最后根据韩丹等人1998年的方法[10]对大鼠腹腔注射120万U青霉素诱发大鼠急性全身性癫痫，波形如图3(c)所示。实验结束后对大鼠腹腔注射过量9%水合氯醛处死，动物尸体按照相关规定进行处理。

 

 

经过实际测试，系统能在20 m范围内收到遥测信号，可以满足实验室范围内实验。与已有的无线脑电信号采集系统相比，本系统采集数据精度高、抗干扰能力强、成本低廉，能够完成过去有线遥测无法完成的实验。随着研究的进一步深入，以下几个问题需要解决：

(1)增加系统采集通道。可以考虑用ARM作为MCU，处理能力更强，A/D采样精度更高，但需要外挂无线传输模块，这样会造成体积和重量的增加，所以扩展后采集系统的重量和体积如何控制需要进一步研究。

(2) 本系统仅仅测量动物的EEG信号。将来可以研究同时测量心电、肌电、胞外放电等生物信号，但是所需电极有所不同，需要进一步研究测量电极、导联方式和安装位置，同时频率、带宽等参数也有所不同，还需要调整滤波器组的带宽。

(3) 遥控、遥测功能合二为一。在施加刺激信号的同时测量脑部其他核团信号，例如对大鼠S1BF区施加电刺激，对大鼠转向控制的同时测量支配运动的核团 (M1区) 脑电信号，研究生物大脑核团的相互关联，找到核团之间的通路,以更好地证明生物脑部核团的相互关系。