基于CC2431的便携式动物脑电采集系统设计

巫洋张典赵彤

（青岛科技大学自动化与电子工程学院，山东 青岛 266042）

0 引言

脑机接口技术(BCI)是在人或动物脑(或者脑细胞的培养物)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]。Andre A.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年研制出无线多通道单元神经记录系统[4-5],并将该系统佩戴于清醒的猕猴头上，记录单个神经元活动。

目前生物脑电遥测系统主要采用有线方式，测量精度相对较高，但会限制动物的运动范围，测量过程中可能会发生导线缠绕或者被动物撕咬等情况。本文给出了新型无线动物脑电遥测系统，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、工作时间长等特点。

1 系统原理

整个系统包括：前置放大器、带通滤波器、50Hz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。采集电极将脑电信号采集出来输入前置放大器，前置放大器输出信号通过一个带通滤波器后提取出脑电信号，经过上述电路的脑电信号进入CC2431进行模数变换并发送。接收端同样采用CC2431，接收端接收到发射端的信号后解调输出到显示部分并记录。信号采集和无线发射部分由一块可充放电的锂电池供电，并背负在实验动物身上。接收部分供电来自电脑USB电源，通过LDO芯片将5V转为3.3V为CC2431供电。系统原理如图1所示，其中(a)为接收器通过RS232接口连接到电脑上，(b)为无线采集器框图，(c)为实验大鼠背负无线采集器。

图1 系统原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the system

2 系统硬件设计

2.1 前置放大器设计

生物信号源阻抗不仅因生物而异、因生理状态而异，而且在测量时与电极安放位置、电极本身的物理状态有密切关系[6]。再者，源阻抗是信号频率的函数，如果放大器输入阻抗不够高，则造成信号的低频分量的幅度减小，产生低频失真，此外为了抑制其他测量参数外的生理作用干扰，选用TI公司的仪表放大器INA326作为前置放大器，该芯片采用独特的拓扑结构，非常适用于单电源、低功耗和精密测量场合[7]。INA326电路如图2(a)所示，由于测量电极与生物体之间构成化学半电池而产生直流电压最大可达300mV，因此在INA326的输入端加0.1μF的隔离电容来避免极化电压造成前置放大器进入饱和状态。实验证明，前置放大器的增益不宜过大[8]，且根据INA326数据手册可以计算输出增益：

图2 前置放大器电路及其幅频特性曲线Fig.2 The circuit of pre-amp and A-F characteristic curve

CMRR以分贝表示时，为：

图2(b)为Multisim 10仿真幅频特性曲线。由信号发生器（型号AFG-3000）输出标准正弦信号给INA326，给定不同频率下的输出，同时用网络分析仪（型号RST-2）来观察输出增益，图2(c)为实际测试的幅频特性曲线。从图2(b)和(c)可以看出INA326从0.5～100Hz的频率上均可保持良好的频率特性，能够满足本系统的前置放大要求。

2.2 带通滤波器设计

生物脑电信号的频率在0.5～40Hz，虽然前端放大器已经有了很高的CMRR，但是不能消除后级电路引入的国内市电50Hz工频干扰。为了消除工频干扰，在滤波器组最后部分加入双T型50Hz陷波器，三个滤波器进行级联得到所需的滤波器组。一片四路运放LM324即可实现滤波器组。滤波器组电路及其仿真幅频特性曲线如图3(a)、(b)所示，(c)为实测曲线。

根据电子学知识[9],高通滤波器的下限截止频率为0.42Hz,放大倍数为10；低通滤波器的上限截止频率为40Hz，放大倍数为11；50Hz陷波器的截止频率为50Hz，其中R13用来调节陷波器的品质因数Q，Q值不宜过大，否则会产生震荡，电路中调节R13为0.5KΩ，Q值为12.5。从图3(c)中可以看出在50Hz的工频点上信号被急剧衰减，工频干扰被消除，且陷波器的增益为0dB，放大倍数为1，在此可以得出整个滤波器组对生物信号的放大倍数为1100，超过千倍的放大倍数可以对微伏级的生物信号放大至毫伏级，达到CC2431的AD采样精度。

图3 滤波器组电路及其幅频特性曲线Fig.3 The circuits of filter bank and A-F characteristic curve

2.3 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，选择TI公司的2.4G无线单片机CC2431，电路如图4所示。该单片机具有如下特性[10]:

(1)高性能和低功耗的8051微控制器核,较宽的电压范围 (2.0～3.6V)。

(2)集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机。

(3)集成了14位模数转换的ADC。

(4)带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE 802.15.4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器。

图4 CC2431外围电路Fig.4 The external circuits of CC2431

3 实验方法及结果

3.1 手术方法及植入电极位置选择

实验采用SD雄性大鼠，体重350g，手术前用9%水合氯醛（40mg/kg，腹腔注射）对其进行麻醉[11]，麻醉后固定于脑立体定位仪上。根据大鼠脑图谱[12]对大鼠进行电极植入，在颅骨上用高速颅钻开0.5mm的孔，记录电极位置分别为大脑皮层(Cerebral Cortex,AP=-0.3,ML=1.5,DV=1.0），参考电极位置坐标AP=+1.5,ML=1.2,DV=1.0，为提高系统抗干扰能力，在大鼠脑部后面加入地电极与仪器地线相连接，坐标位置AP=-8.0,ML=0,DV=1.0。

3.2 实验过程及结果

实验前用尼龙搭扣将信号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线槽中。为采集大鼠睡眠时期脑电波形，用9%水合氯醛进行麻醉测试，睡眠脑电波形如图5(a)所示。等待大鼠清醒后再次测量脑电波形，波形如图5(b)所示，图5(c)为癫痫时脑电波形。

图5 实验大鼠脑电波形Fig.5 EEG waveforms of the rat in experiment

4 总结与展望

本文从生物脑电测量仪器设计出发，设计了便携式脑电遥测系统，电路设计方面取得了一定进展。随着研究的进一步深入以下几个问题需要进一步解决：

4.1 增加采样通道。可以考虑用更高级的MCU作为处理器，比如ARM、DSP等，但是需要外挂无线传输模块，这就造成体积和重量的增加，所以扩展后系统的体积和重量如何控制需要进一步研究。

4.2 本系统通过植入式电极测量大鼠脑电信号。增加采样通道后可以同时测量心电、肌电、细胞外放电，所需要的测量电极也需要进一步研究，滤波器带宽和增益是否能满足要求也需要实验验证。

4.3 对大鼠脑部特定核团的电刺激来实现对大鼠的导航控制[15]，可以看作是控制系统的前向通道，对大鼠脑电信号测量可以看作是反馈通道，如果实现遥控遥测功能合二为一，那么在实际应用中有更大的意义和价值。

［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，张唯真,编.生物电子学[M].北京：北京大学出版社，1997:73-75.

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

［8］张磊，张信道，吴小培.基于脑-机接口中的脑电信号前置放大电路设计[J].中国科技论文在线，2009,2(4):410-417.

［9］童诗白，华成英.模拟电子技术基础[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.大鼠脑立体定位图谱[M].3 版.诸葛启钏,译.北京：人民卫生出版社，2005:86-97.