基于CC2431的便攜式動物腦電采集系統設計

巫洋張典趙彤

（青島科技大學自動化與電子工程學院，山東 青島 266042）

0 引言

腦機接口技術(BCI)是在人或動物腦(或者腦細胞的培養物)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]。Andre A.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年研制出無線多通道單元神經記錄系統[4-5],并將該系統佩戴于清醒的獼猴頭上，記錄單個神經元活動。

目前生物腦電遙測系統主要采用有線方式，測量精度相對較高，但會限制動物的運動范圍，測量過程中可能會發生導線纏繞或者被動物撕咬等情況。本文給出了新型無線動物腦電遙測系統，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、工作時間長等特點。

1 系統原理

整個系統包括：前置放大器、帶通濾波器、50Hz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。采集電極將腦電信號采集出來輸入前置放大器，前置放大器輸出信號通過一個帶通濾波器后提取出腦電信號，經過上述電路的腦電信號進入CC2431進行模數變換并發送。接收端同樣采用CC2431，接收端接收到發射端的信號后解調輸出到顯示部分并記錄。信號采集和無線發射部分由一塊可充放電的鋰電池供電，并背負在實驗動物身上。接收部分供電來自電腦USB電源，通過LDO芯片將5V轉為3.3V為CC2431供電。系統原理如圖1所示，其中(a)為接收器通過RS232接口連接到電腦上，(b)為無線采集器框圖，(c)為實驗大鼠背負無線采集器。

圖1 系統原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the system

2 系統硬件設計

2.1 前置放大器設計

生物信號源阻抗不僅因生物而異、因生理狀態而異，而且在測量時與電極安放位置、電極本身的物理狀態有密切關系[6]。再者，源阻抗是信號頻率的函數，如果放大器輸入阻抗不夠高，則造成信號的低頻分量的幅度減小，產生低頻失真，此外為了抑制其他測量參數外的生理作用干擾，選用TI公司的儀表放大器INA326作為前置放大器，該芯片采用獨特的拓撲結構，非常適用于單電源、低功耗和精密測量場合[7]。INA326電路如圖2(a)所示，由于測量電極與生物體之間構成化學半電池而產生直流電壓最大可達300mV，因此在INA326的輸入端加0.1μF的隔離電容來避免極化電壓造成前置放大器進入飽和狀態。實驗證明，前置放大器的增益不宜過大[8]，且根據INA326數據手冊可以計算輸出增益：

圖2 前置放大器電路及其幅頻特性曲線Fig.2 The circuit of pre-amp and A-F characteristic curve

CMRR以分貝表示時，為：

圖2(b)為Multisim 10仿真幅頻特性曲線。由信號發生器（型號AFG-3000）輸出標準正弦信號給INA326，給定不同頻率下的輸出，同時用網絡分析儀（型號RST-2）來觀察輸出增益，圖2(c)為實際測試的幅頻特性曲線。從圖2(b)和(c)可以看出INA326從0.5～100Hz的頻率上均可保持良好的頻率特性，能夠滿足本系統的前置放大要求。

2.2 帶通濾波器設計

生物腦電信號的頻率在0.5～40Hz，雖然前端放大器已經有了很高的CMRR，但是不能消除后級電路引入的國內市電50Hz工頻干擾。為了消除工頻干擾，在濾波器組最后部分加入雙T型50Hz陷波器，三個濾波器進行級聯得到所需的濾波器組。一片四路運放LM324即可實現濾波器組。濾波器組電路及其仿真幅頻特性曲線如圖3(a)、(b)所示，(c)為實測曲線。

根據電子學知識[9],高通濾波器的下限截止頻率為0.42Hz,放大倍數為10；低通濾波器的上限截止頻率為40Hz，放大倍數為11；50Hz陷波器的截止頻率為50Hz，其中R13用來調節陷波器的品質因數Q，Q值不宜過大，否則會產生震蕩，電路中調節R13為0.5KΩ，Q值為12.5。從圖3(c)中可以看出在50Hz的工頻點上信號被急劇衰減，工頻干擾被消除，且陷波器的增益為0dB，放大倍數為1，在此可以得出整個濾波器組對生物信號的放大倍數為1100，超過千倍的放大倍數可以對微伏級的生物信號放大至毫伏級，達到CC2431的AD采樣精度。

圖3 濾波器組電路及其幅頻特性曲線Fig.3 The circuits of filter bank and A-F characteristic curve

2.3 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，選擇TI公司的2.4G無線單片機CC2431，電路如圖4所示。該單片機具有如下特性[10]:

(1)高性能和低功耗的8051微控制器核,較寬的電壓范圍 (2.0～3.6V)。

(2)集成符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz的RF無線電收發機。

(3)集成了14位模數轉換的ADC。

(4)帶有2個強大的支持幾組協議的USART，以及1個符合IEEE 802.15.4規范的MAC計時器，1個常規的16位計時器和2個8位計時器。

圖4 CC2431外圍電路Fig.4 The external circuits of CC2431

3 實驗方法及結果

3.1 手術方法及植入電極位置選擇

實驗采用SD雄性大鼠，體重350g，手術前用9%水合氯醛（40mg/kg，腹腔注射）對其進行麻醉[11]，麻醉后固定于腦立體定位儀上。根據大鼠腦圖譜[12]對大鼠進行電極植入，在顱骨上用高速顱鉆開0.5mm的孔，記錄電極位置分別為大腦皮層(Cerebral Cortex,AP=-0.3,ML=1.5,DV=1.0），參考電極位置坐標AP=+1.5,ML=1.2,DV=1.0，為提高系統抗干擾能力，在大鼠腦部后面加入地電極與儀器地線相連接，坐標位置AP=-8.0,ML=0,DV=1.0。

3.2 實驗過程及結果

實驗前用尼龍搭扣將信號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線槽中。為采集大鼠睡眠時期腦電波形，用9%水合氯醛進行麻醉測試，睡眠腦電波形如圖5(a)所示。等待大鼠清醒后再次測量腦電波形，波形如圖5(b)所示，圖5(c)為癲癇時腦電波形。

圖5 實驗大鼠腦電波形Fig.5 EEG waveforms of the rat in experiment

4 總結與展望

本文從生物腦電測量儀器設計出發，設計了便攜式腦電遙測系統，電路設計方面取得了一定進展。隨著研究的進一步深入以下幾個問題需要進一步解決：

4.1 增加采樣通道。可以考慮用更高級的MCU作為處理器，比如ARM、DSP等，但是需要外掛無線傳輸模塊，這就造成體積和重量的增加，所以擴展后系統的體積和重量如何控制需要進一步研究。

4.2 本系統通過植入式電極測量大鼠腦電信號。增加采樣通道后可以同時測量心電、肌電、細胞外放電，所需要的測量電極也需要進一步研究，濾波器帶寬和增益是否能滿足要求也需要實驗驗證。

4.3 對大鼠腦部特定核團的電刺激來實現對大鼠的導航控制[15]，可以看作是控制系統的前向通道，對大鼠腦電信號測量可以看作是反饋通道，如果實現遙控遙測功能合二為一，那么在實際應用中有更大的意義和價值。

［1］Ranck JrJB.Which elements are excited in electrical stimulation of mammalian central nervous system:a review[J].Brain Res.,1975,98:417-440.

［2］Tehovnik EJ.Electrical stimulation of neural tissue to evoke behavioral responses[J].Journal of Neuroscience Methods,1996,65:1-17.

［3］André A.Fenton,Robert U.Muller.Using digital video techniqus to identify correlations between behavior and the activity of single neurons [J].Journal of Neuroscience Methods,1996,70(2):211-227.

［4］Iyad Obeid,Miguel A.L,and Patrick D.Wolf.A multichannel telemetry system for single unit neural recordings[J].Journal of Neuroscience Methods,2004,133:33-38.

［5］Ye X S,Wang P,and Liu J,et al.A portable telemetry system for brain stimulation and neuronal activity recording in freely behaving small animals[J].Journal of Neuroscience Methods,2008,174(2):186-193.

［6］蔡建新，張唯真,編.生物電子學[M].北京：北京大學出版社，1997:73-75.

［7］http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ina326.pdf.

［8］張磊，張信道，吳小培.基于腦-機接口中的腦電信號前置放大電路設計[J].中國科技論文在線，2009,2(4):410-417.

［9］童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].3版.北京：高等教育出版社，2001:350-370.

［10］http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/CC2431.pdf[OL].

［11］Lou M,Eschenfelder C C,and Herdngen T,et a1.Therapeutic window for use of hyperbaric oxygenation in focal transient ischemia in rats[J].Stroke,2004,35(2):578-583.

［12］Paxinos G,Waston C.大鼠腦立體定位圖譜[M].3 版.諸葛啟釧,譯.北京：人民衛生出版社，2005:86-97.