便携式脑电信号采集与分析装置的设计及其应用

高广恒 蔡雷 张晓 张利群 赵晓华 张金玲 杜祎 王敏 文阳平

摘  要： 文中设计一套应用于自由活动动物脑电信号采集与分析的便携式装置，这种体积小、重量轻、实时检测的装置可以采集与分析自由活动大鼠运动行为的脑电信号，进而研究特定动物的运动行为与脑部电信号之间的对应关系。首先将微电极植入大鼠特定大脑皮层，通过模拟电路采集来自微电极的脑电信号，经过滤波、放大，调理后进入片上可编程系统PSoC并进行数据的模拟转换和处理，再通过无线USB模块进行实时传输数据至PC端，最后在LabVIEW界面下实现实时分析并显示动物脑区局部场电位。该研究为多方面、多角度和多层次的研究大脑复杂性和未知性提供小型化设备平台。

关键词： 脑电信号; 便携式装置; 数据处理; 信号采集; 信号分析; 微电极设计

中图分类号： TN911.23?34                          文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）10?0021?04

Design and application of portable device for brain electrical

signal acquisition and analysis

GAO Guangheng1， CAI Lei1， ZHANG Xiao2，3， ZHANG Liqun1， ZHAO Xiaohua1，

ZHANG Jinling1， DU Yi1， WANG Min2， WEN Yangping4

（1. Shandong Key Laboratory of Biosensors， Biology Institute of Shandong Academy of Sciences， Qilu University of Technology， Jinan 250014， China;

2. College of Life Science， Shandong Normal University， Jinan 250000， China;

3. Shandong College of Electronic Technology， Jinan 250000， China;

4. Institute of Functional Materials and Applied Chemistry， Jiangxi Agricultural University， Nanchang 330045， China）

Abstract： A portable device for brain electrical signal acquisition and analysis of free moving animals are researched and designed. This device with small size， light weight and real?time detection function can collect and analyze brain electrical signal of the motion behavior of free moving rats， so as to research the corresponding relationship between the motion behavior of specific animals and its brain electrical signals. The microelectrodes are implanted into specific cerebral cortex of free?moving rats， from which the brain electrical signals are collected by means of the analog circuit. The brain electrical signals after filtering， amplification and conditioning are guided into the on?chip programmable system PSoC for analog conversion and data processing. The data are transmitted to the PC terminal in real time by the wireless USB module， and then the local field potentials in rat brain are analyzed and displayed in the LabVIEW interface in real time. This study provides a miniaturized device platform for the study of brain complexity and unpredictability in multi?aspect， multi?angle and multi?level.

Keywords： brain electrical signal; portable device; data processing; signal collection; signal analysis; microelectrode design

0  引  言

大脑作为感受和处理外界信息的器官，神经通路和信息处理过程极其复杂[1]。神经系统活动最基本的表现形式是电信号的变化[2]，因此探索脑神经活动，需原位检测脑区神经元的放电信号。不失真地采集到脑部的放电信号，要依赖采集脑电信号的装置和装备[3]。为了高质量采集自由活動小动物特定脑区的神经活动电信号，实验人员采用传统的大型设备显然是很难实现的[4]。因此，需要设计一种体积小巧、重量轻便、数据无线采集的小动物专用脑电采集装置。

当前神经科学和电子技术的发展，推动了小型装置的发展 [5?6]。一方面，电子器件和集成电路的不断完善，尤其是单片机的放大、滤波和模数转换及传输等功能的片上高集成化，大大降低了以往仪器的复杂性;另一方面，表面贴片封装器件使构建的系统体积小、功能全和易于设计。目前欧、美、日本等地区的一些团队也在做有关这方面的研究，我国起步相对较晚，但也有一些研究成果[7]。由于大脑的复杂性，围绕脑科学和信息学的边缘，需要多方面、多角度和多层次地进行深入细致的分析研究。本文设计一种体积小、重量轻、实时监测/检测的便携式脑电信号采集与分析装置，成功应用于自由活动大鼠脑电信号采集与分析。

1  材料与方法

1.1  系统整体设计

大鼠背负脑电无线采集装置[8]，经过放大、滤波电路把来自微电极的脑电信号进行模数转换，而后通过无线USB模块发送数据至笔记本电脑，利用LabVIEW软件对大鼠初级运动皮层的脑电信号进行分析。图1 给出自由活动大鼠脑电信号采集与分析系统示意图。

1.2  微电极

用直径30 μm的细铜丝，包裹一层聚氨酯材料，置入到直径50 μm的石英柱中，待固化之后，打磨电极尖端，使电极的尖端斜面为5°，直径约10 μm。微电极包括两个检测电极（Iin+，Iin-）和一个参考电极（GND）。使用时，两个检测电极植入大鼠大脑皮层，参考电极经螺钉固定在颅骨上作为参考地。

1.3  电极植入

用10%水合氯醛腹腔注射麻醉大鼠，待大鼠完全麻醉之后，开始植入脑电采集电极。手术分两次进行。第一次手术去除大鼠的头皮及其连带的肌肉和头骨上面的骨膜，将实验区域的头骨完全暴露出来，并用3%的双氧水清理干净头骨表面[9]。而后将直径1 mm的不锈钢螺钉植入头骨，作为采集信号的参考地使用。术后一周，第二次手术进行安放脑电采集电极，用直径为1 mm小钻头在放电脑区位置上打孔，用微驱动器将脑电采集电极缓慢植入，已植入电极连同地线与连接插头的一端焊接在一起，另一端用来与前置差分放大器相连。

2  结果与讨论

2.1  脑电信号采集系统

2.1.1  前置差分放大电路

前置差分放大电路如图2所示，主要包括跟随器、放大器和外围正负电源。采用TI公司的TLV系列的运算放大器芯片，该系列的芯片低噪声、低输入偏置电流，适合采集同源小电压差分信号，芯片采用轨对轨工艺，因而放大后的电压信号输出稳定。前置差分放大电路将双运放TLV2262设计为电压跟随器，用以提高输入电阻，而后进行差分信号的初级放大。放大公式为：

[G1=-（IN+-IN-）R3R1]

计算得出放大倍数为9。

2.1.2  带通滤波电路

图3演示了带通滤波电路，C1和R5组合为高通滤波电路，截止频率公式为：[?1=1（2πR5C1）]，其中C1=0.2 μF，R5=511 kΩ;截止频率约为1.56 Hz。C2，C3，C4，C5和R6，R7，R8，R9组合为四阶低通滤波电路，截止频率公式为：

[?2=12π（R6R7C2C4）12]

式中：R6=21.5 kΩ;R7=12.7 kΩ;C2=C4=160 nF;截止频率约为60 Hz，实现了1.56～60 Hz的带通滤波。

2.1.3  50 Hz陷波电路

图4给出50 Hz陷波电路，50 Hz工频干扰一直是电路设计中的难题，在脑电这种微弱电信号的提取系统中尤为突出，这就要求使用陷波电路来滤除工频干扰。由双T 网络和运放构成的有源双T陷波电路来抑制50 Hz工频干扰是个不错的选择，可以实现对50 Hz 的工频信号的滤除。

2.1.4  二级放大电路

图5为二级放大电路，主放大器由TLV2264构成，包含高通有源滤波放大电路、1.56 Hz高通无源滤波器和15倍的信号放大电路，总放大倍数可达2 000倍以上。

2.1.5  电压抬升电路

图6为电压抬升电路。为了满足A/D转换器0～3.3 V的输入范围，同时为了将采集到的双极性脑电信号转换成适应模数转换的单极性电压信号，设计电压抬升电路。利用2.5 V高精度稳压二极管，通过电阻分压得到1.25 V的稳定电压，采用同相加法器电路，使1.25 V和放大滤波后的脑电信号进行叠加，矢量叠加后的脑电信号就可以在PSoC片上系统内部进行模数转换，把模拟的脑电信号转换成12位的数值信号进行处理和无线发送，供上位机运行的LabVIEW软件分析使用。

2.2  基于LabVIEW的脑电信号分析

LabVIEW是实验室虚拟仪器工作平台的简称，是一个具有革命性的图形化开发环境。这种图形化系统设计手段将分析与显示功能集中在同一个环境中，允许用户直观地设计算法并进行交互式调试，广泛地用于数据采集、仪器控制和工业自动化。应用本研究设计的脑电信号采集电路，对自由活动大鼠的脑电信号进行无线采集后[10?11]，借助IN公司VISA接口把数据信号通过LabVIEW进行处理和波形显示出来。

LabVIEW环境中小波变换程序图如图7所示。在LabVIEW环境中，利用脚本节点执行Matlab脚本文件来进行小波变换。小波变换在信号处理方面非常有效的应用之一是降低噪声，其降噪作用明显高于其他传统方法，而且不失真。

圖8给出大鼠脑电采集实验图，利用脑电信号采集与分析系统可以采集到大鼠脑内前肢运动区的电信号，当大鼠前肢抓取食物前期，电信号呈现出一段比较明显的密集尖峰波形。通过多次对比，证实了大鼠前肢运动与大鼠脑内前肢运动区放电的关联性。

图9为脑电信号分析界面图，通过实验记录大鼠抓取食物时，其相关脑区的神经电活动。实验获取到了动物特定脑区放电信号。下一步将结合国际通用的脑电采集装置进行对比论证，对大鼠特定行为时的脑电信号进行深入细致的研究。

3  结  论

目前，国内外脑电信号采集分析系统产品体积大、价格贵，数据有线传输，在一定程度上限制了小动物的自由活动行为。本文设计的脑电信号无线采集系统重量轻、体积小、功耗低、数据无线传输，非常适合小动物背负佩戴，几乎不影响其正常的生理活动。

注：本文通讯作者为王敏。

参考文献

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[11] 刘婷婷.自由运动小型动物肌电信号在体采集和初步分析[D].南京：南京航空航天大学，2014.