《電子技術(shù)應(yīng)用》
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無(wú)線便攜式動(dòng)物腦電遙測(cè)記錄系統(tǒng)
電子技術(shù)應(yīng)用2012年第2期
張 典1， 覃慶良2， 劉喜梅2
1 電子科技大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院， 四川 成都611731; 2青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院， 山東 青島266042
摘要： 發(fā)出一套無(wú)線便攜式動(dòng)物腦電遙測(cè)系統(tǒng)。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)放大、濾波后調(diào)制發(fā)射，接收器接收到無(wú)線信號(hào)后進(jìn)行解調(diào)并通過(guò)串口打印顯示出電壓信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中將測(cè)量電極植入大鼠顱骨內(nèi)，并將信號(hào)采集發(fā)射器背負(fù)在大鼠身上，分別記錄大鼠睡眠、清醒和癲癇腦電波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng),復(fù)雜環(huán)境下發(fā)射器的發(fā)射距離達(dá)到20 m，可以穩(wěn)定工作8 h，且具有體積小、功耗低、精度高等特點(diǎn)，適用于大鼠腦電遙測(cè)實(shí)驗(yàn)。
中圖分類(lèi)號(hào)： TN98
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2012)02-0120-03
A wireless portable electroencephalogram telemetry recording system for animals
Zhang Dian1, Qin Qingliang2, Liu Ximei2
1. School of Automation Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China; 2. School of Automation & Electronic Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, China
Abstract： A wireless portable electroencephalogram (EEG) recording system for animals was designed, manufactured and then tested in rats. The EEG data were modulated firstly and emitted by the wireless transmitter after being amplified and filtered. The receiver demodulated and displayed the signals in voltage through serial port. To test the system, measuring electrodes were implanted on the rat’s skull and the acquisition transmitter was strapped on the back of the rat. Waveform recordings were carried out during three states: sleep, waking and epilepsy. The test results indicated that in given environment the system could stably record more than 8 h and transmit EEG signals over a distance of 20 m. Our system showed the features of small size, low power consumption and high accuracy which was suitable for EEG telemetry in rats.
Key words : brain-computer interface (BCI); electroencephalogram (EEG); filter bank

　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)線纏繞或者被動(dòng)物撕咬等情況[3]。無(wú)線方式可使動(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)線發(fā)射單元、無(wú)線接收單元、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如圖2(a)、圖2(b)所示， 其中圖2(b)為實(shí)際測(cè)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(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。

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圖2 EEG采集電路及其幅頻特性曲線

2.2 無(wú)線單片機(jī)電路設(shè)計(jì)
　    由于無(wú)線采集部分背負(fù)在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物身上，考慮到體積和重量，本文選擇Nordic公司的2.4 GHz無(wú)線單片機(jī)NRF24LE1，如圖2(c)所示。該單片機(jī)具有如下特性：
　　(1)內(nèi)嵌2.4 GHz低功耗無(wú)線收發(fā)內(nèi)核NRF24L01P，250 kb/s、1 Mb/s、2 Mb/s空中速率。
　    (2)高性能51內(nèi)核,16 KB Flash，1 KB RAM，1 KB NV RAM。
　　(3)具有豐富的外設(shè)資源，內(nèi)置128 bit AES硬件加密，32 bit 硬件乘除協(xié)處理器，6 bit~12 bit ADC。
　    (4)提供QFN24、QFN32、QFN48多種封裝，可靈活應(yīng)用選擇。
2.3 電源電路設(shè)計(jì)
　    便攜式生物腦電信號(hào)采集系統(tǒng)中，無(wú)線發(fā)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(guò)程中輸出電壓會(huì)下降，因此采用穩(wěn)壓芯片TPS71334 (輸入2.5 V~4.2 V)來(lái)實(shí)現(xiàn)3.3 V電壓輸出。前置放大器和運(yùn)放需要正負(fù)電源，采用外加電源反轉(zhuǎn)芯片MAX1697來(lái)實(shí)現(xiàn)-3.3 V輸出，且MAX1697最大輸出電流為60 mA。接收端供電來(lái)自PC機(jī)上USB口,利用電源芯片AMS1117將5 V電平轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)手冊(cè)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括：發(fā)射端A/D采樣程序、發(fā)射端數(shù)據(jù)處理、發(fā)射端與接收端通信協(xié)議和顯示界面。
3.1 發(fā)射端程序設(shè)計(jì)
　　NRF24LE1為高性能51內(nèi)核，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)代碼。為提高發(fā)射功率，設(shè)置空中速率為250 kb/s，A/D采樣的參考電壓為內(nèi)部1.22 V，采樣頻率為1 kHz，精度設(shè)置為12 bit，其中12 bit數(shù)據(jù)中的低8位存儲(chǔ)在ADCDATAL中，而高4位存儲(chǔ)在ADCDATAH的低4位中，ADCDATAH的高4位為地址，數(shù)據(jù)處理完成后進(jìn)行打包發(fā)送。每次發(fā)送完數(shù)據(jù)后進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如果校驗(yàn)出錯(cuò)則重新發(fā)送數(shù)據(jù)。
3.2 接收端及顯示界面設(shè)計(jì)
　    在接收端設(shè)置16 bit的緩沖器(buffer)，將接收的數(shù)據(jù)存入緩沖器中，通過(guò)串口打印出來(lái)即可。顯示界面采用VC++6.0編寫(xiě)，調(diào)用MSCOMM控件實(shí)現(xiàn)Windows程序串口通信，接收端RS232串口送出AD采樣數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)激發(fā)OnComm事件，在處理函數(shù)中將新的數(shù)據(jù)加入顯示隊(duì)列，波特率設(shè)置為9 600 b/s,界面的橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為電壓。
4 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果
4.1 手術(shù)方法及電極植入位置選擇

 


　　實(shí)驗(yàn)采用SD級(jí)雄性大鼠，體重350 g，手術(shù)前用9%水合氯醛（40 mg/kg，腹腔注射）對(duì)其進(jìn)行麻醉[7]并固定于腦立體定位儀上。根據(jù)大鼠腦圖譜[8]進(jìn)行電極植入，切開(kāi)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(kāi)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(cè)量電極坐標(biāo)位置AP=-0.5 mm, ML=1.5 mm, DV=1.0 mm；參考電極坐標(biāo)位置AP=+1.5 mm, ML=1.0 mm, DV=1.0 mm；為提高系統(tǒng)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(biāo)位置AP=-8.5 mm, ML=0 mm, DV=1.0 mm。
4.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果
    實(shí)驗(yàn)前用尼龍搭扣將采集器固定在大鼠背上，按照電路設(shè)計(jì)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(jìn)行麻醉來(lái)采集大鼠睡眠時(shí)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(fù)在大鼠身上，進(jìn)行清醒狀態(tài)下的腦電信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)，如圖3(b)所示。最后根據(jù)韓丹等人1998年的方法[10]對(duì)大鼠腹腔注射120萬(wàn)U青霉素誘發(fā)大鼠急性全身性癲癇，波形如圖3(c)所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)大鼠腹腔注射過(guò)量9%水合氯醛處死，動(dòng)物尸體按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行處理。


　　經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)能在20 m范圍內(nèi)收到遙測(cè)信號(hào)，可以滿足實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)。與已有的無(wú)線腦電信號(hào)采集系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、成本低廉，能夠完成過(guò)去有線遙測(cè)無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)。隨著研究的進(jìn)一步深入，以下幾個(gè)問(wèn)題需要解決：
　　(1)增加系統(tǒng)采集通道?？梢钥紤]用ARM作為MCU，處理能力更強(qiáng)，A/D采樣精度更高，但需要外掛無(wú)線傳輸模塊，這樣會(huì)造成體積和重量的增加，所以擴(kuò)展后采集系統(tǒng)的重量和體積如何控制需要進(jìn)一步研究。
　　(2) 本系統(tǒng)僅僅測(cè)量動(dòng)物的EEG信號(hào)。將來(lái)可以研究同時(shí)測(cè)量心電、肌電、胞外放電等生物信號(hào)，但是所需電極有所不同，需要進(jìn)一步研究測(cè)量電極、導(dǎo)聯(lián)方式和安裝位置，同時(shí)頻率、帶寬等參數(shù)也有所不同，還需要調(diào)整濾波器組的帶寬。
　　(3) 遙控、遙測(cè)功能合二為一。在施加刺激信號(hào)的同時(shí)測(cè)量腦部其他核團(tuán)信號(hào)，例如對(duì)大鼠S1BF區(qū)施加電刺激，對(duì)大鼠轉(zhuǎn)向控制的同時(shí)測(cè)量支配運(yùn)動(dòng)的核團(tuán) (M1區(qū)) 腦電信號(hào)，研究生物大腦核團(tuán)的相互關(guān)聯(lián)，找到核團(tuán)之間的通路,以更好地證明生物腦部核團(tuán)的相互關(guān)系。


參考文獻(xiàn)
[1] RANCK J J.Which elements are excited in electrical stimulation of mammalian central nervous system: a review [J]. Brain Res 1975, 98(3):417-440.
[2] TEHOVNIK E J. Electrical stimulation of neural tissue to evoke behavioral responses [J]. Journal of Neuroscience Methods 1996, 65(1):1-17.
[3] FENTON A A, MULLER R U. Using digital video techniques to identify correlations between behavior and the activity of single neurons[J]. Journal of Neuroscience Methods, 1996, 70(2): 211-227.
[4] OBEID I, NICOLELIS M A L, WOLF P D. A multichannel telemetry system for single unit neural recordings [J].Journal of Neuroscience Methods 2004, 133(1):33-38.
[5] 蔡建新，張唯真. 生物電子學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1997.
[6] 岡村迪夫(日). OP放大電路設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.
[7] LOU M, ESCHENFELDER C C, HERDNGEN T, et a1.Therapeutic window for use of hyperbaric oxygenation in focal transient ischemia in rats [J]. Stroke, 2004, 35(2): 578-583.
[8] PAXINOS G, WASTON C. 大鼠腦立體定位圖譜[M]．諸葛啟釧譯．北京：人民衛(wèi)生出版社，2005.
[9] 楊俊卿，蘇學(xué)成，槐瑞托，等．基于新型多通道腦神經(jīng)刺激遙控系統(tǒng)的動(dòng)物機(jī)器人研究[J]．自然科學(xué)進(jìn)展，2007, 17(3):379-384.
[10] 韓丹，張桂林．實(shí)驗(yàn)性大鼠癲癇模型異常腦電波及物理特征[J]. 中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，1998,15(2):85-87.

 

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