跟着微电子学的快速开展，脑机接口(BCI)技能应运而生，它是在人（或动物）脑与外部设备间树立的衔接通路。早在1975年Ranck等人通过电影响来寻觅哺乳动物的中枢神经体系振奋部分[1]。Tehovnik于1996年通过电影响神经安排引起行为反响[2]。AndréA. Fenton等人也在1996年用模式识别技能验证单个神经元的行为和活动的相关性[3]。Iyad Obeid等人于2004年记载清醒状态下猕猴的单个神经元活动[4]。现在生物脑电有线办法丈量精度相对较高,但因为约束了动物的运动规模，丈量进程中可能会产生导线环绕或许被动物撕咬等状况[3]。无线办法可使动物活动规模变大，但收集器受到了丈量精度、带宽、体积、分量和电池供电时刻等要素的限制[4]。本文给出了新式无线脑电遥测体系，并将该体系使用于大鼠试验。试验成果表明，该体系具有丈量精度高、带宽宽、体积小、作业时刻长、不易被动物撕咬等长处。
1 体系原理
整个体系包含脑电信号前置扩大器、带通滤波器、50 Hz陷波器、无线发射单元、无线接纳单元、电源办理、显现存储部分。丈量电极收集到自在活动状态下的脑电信号并输入至前置扩大器,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进行模数转化并发送。接纳端相同选用NRF24LE1,接纳到发射端的信号后解调输出到显现部分并记载。体系原理如图1所示。
2 体系硬件规划
2.1滤波器组规划
生物信号源自身是弱小信号源，通过电极提取呈现出不稳定的高内阻性质[5]。依据生物信号的特色，对生物电前置扩大器要求高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移等[6]。为满意上述目标,本文挑选AD620作为脑电信号前置扩大器，体系设定前置扩大器的电压增益为8，一起为防止极化电压使前置扩大器进入饱和状态,在输入端参加隔直%&&&&&%。动物脑电信号频率规模为0.5 Hz~100 Hz，考虑到国内市电50 Hz的工频搅扰，在滤波器组中参加50 Hz陷波器，3个滤波器进行级联得到所需的滤波器组。选用运算扩大器完结高通、低通和陷波，一个运放LM324芯片即可完结滤波器组规划。脑电收集电路及其幅频特性曲线如图2(a)、图2(b)所示， 其间图2(b)为实践测得曲线。高通滤波器的下限截止频率为：
依据式(7)，近千倍的扩大倍数能够?滋V级的生物信号扩大至mV级，到达单片机AD采样精度。
图2 EEG收集电路及其幅频特性曲线
2.2 无线单片机电路规划
因为无线收集部分担负在试验动物身上，考虑到体积和分量，本文挑选Nordic公司的2.4 GHz无线单片机NRF24LE1，如图2(c)所示。该单片机具有如下特性：
(1)内嵌2.4 GHz低功耗无线收发内核NRF24L01P，250 kb/s、1 Mb/s、2 Mb/s空中速率。
(2)高性能51内核,16 KB Flash，1 KB RAM，1 KB NV RAM。
(3)具有丰厚的外设资源，内置128 bit AES硬件加密，32 bit 硬件乘除协处理器，6 bit~12 bit ADC。
(4)供给QFN24、QFN32、QFN48多种封装，可灵敏使用挑选。
2.3 电源电路规划
便携式生物脑电信号收集体系中，无线发射部分供电电池只能选用可充电的锂电池供电。因为锂电池在使用进程中输出电压会下降，因而选用稳压芯片TPS71334 (输入2.5 V~4.2 V)来完结3.3 V电压输出。前置扩大器和运放需求正负电源，选用外加电源回转芯片MAX1697来完结-3.3 V输出，且MAX1697最大输出电流为60 mA。接纳端供电来自PC机上USB口,使用电源芯片AMS1117将5 V电平转化为3.3 V为NRF24LE1供电。电源详细电路能够参阅电源芯片的数据手册。
3 体系软件规划
体系软件规划包含：发射端A/D采样程序、发射端数据处理、发射端与接纳端通讯协议和显现界面。
3.1 发射端程序规划
NRF24LE1为高性能51内核，选用C言语编写代码。为进步发射功率，设置空中速率为250 kb/s，A/D采样的参阅电压为内部1.22 V，采样频率为1 kHz，精度设置为12 bit，其间12 bit数据中的低8位存储在ADCDATAL中，而高4位存储在ADCDATAH的低4位中，ADCDATAH的高4位为地址，数据处理完结后进行打包发送。每次发送完数据后进行CRC校验，假如校验犯错则从头发送数据。
3.2 接纳端及显现界面规划
在接纳端设置16 bit的缓冲器(buffer)，将接纳的数据存入缓冲器中，通过串口打印出来即可。显现界面选用VC++6.0编写，调用MSCOMM控件完结Windows程序串口通讯，接纳端RS232串口送出AD采样数据时会激起OnComm事情，在处理函数中将新的数据参加显现行列，波特率设置为9 600 b/s,界面的横坐标为时刻,纵坐标为电压。
4 试验办法及成果
4.1 手术办法及电极植入方位挑选
试验选用SD级雄性大鼠，体重350 g，手术前用9%水合氯醛（40 mg/kg，腹腔打针）对其进行麻醉[7]并固定于脑立体定位仪上。依据大鼠脑图谱[8]进行电极植入，切开表皮使其颅骨彻底露出后，用适量3%的双氧水擦洗颅骨以去除外表油脂[9]，用高速颅钻在颅骨上钻开0.7 mm的孔。将0.17 mm漆包线两头刮掉涂层，一端环绕在直径0.72 mm不锈钢螺钉上，别的一端焊接在2.54 mm母接线槽上，然后将螺钉固定在颅骨上，最终用牙科水泥将螺丝钉和接线槽固定在大鼠颅骨上。丈量电极坐标方位AP=-0.5 mm, ML=1.5 mm, DV=1.0 mm；参阅电极坐标方位AP=+1.5 mm, ML=1.0 mm, DV=1.0 mm；为进步体系抗搅扰才能，在大鼠脑部后参加相连的地电极与仪器地线,坐标方位AP=-8.5 mm, ML=0 mm, DV=1.0 mm。
4.2 试验进程及成果
试验前用尼龙搭扣将收集器固定在大鼠背上，依照电路规划中界说的通道将引线端子刺进大鼠脑外的2.54 mm母接线槽中。用9%水合氯醛进行麻醉来收集大鼠睡觉时期脑电波形，波形如图3(a)所示。待大鼠清醒后，将收集器再次担负在大鼠身上，进行清醒状态下的脑电信号收集试验，如图3(b)所示。最终依据韩丹等人1998年的办法[10]对大鼠腹腔打针120万U青霉素诱发大鼠急性全身性癫痫，波形如图3(c)所示。试验完毕后对大鼠腹腔打针过量9%水合氯醛处死，动物尸身依照相关规定进行处理。
通过实践测验，体系能在20 m规模内收到遥测信号，能够满意试验室规模内试验。与已有的无线脑电信号收集体系比较，本体系收集数据精度高、抗搅扰才能强、本钱低价，能够完结曩昔有线遥测无法完结的试验。跟着研讨的进一步深化，以下几个问题需求处理：
(1)添加体系收集通道。能够考虑用ARM作为MCU，处理才能更强，A/D采样精度更高，但需求外挂无线传输模块，这样会形成体积和分量的添加，所以扩展后收集体系的分量和体积怎么操控需求进一步研讨。
(2) 本体系只是丈量动物的EEG信号。将来能够研讨一起丈量心电、肌电、胞外放电等生物信号，可是所需电极有所不同，需求进一步研讨丈量电极、导联办法和装置方位，一起频率、带宽等参数也有所不同，还需求调整滤波器组的带宽。
(3) 遥控、遥测功用合二为一。在施加影响信号的一起丈量脑部其他核团信号，例如对大鼠S1BF区施加电影响，对大鼠转向操控的一起丈量分配运动的核团 (M1区) 脑电信号，研讨生物大脑核团的彼此相关，找到核团之间的通路,以更好地证明生物脑部核团的彼此关系。
