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