便攜式腦電信號采集與分析裝置的設計及其應用

高廣恒 蔡雷 張曉 張利群 趙曉華 張金玲 杜祎 王敏 文陽平

摘? 要： 文中設計一套應用于自由活動動物腦電信號采集與分析的便攜式裝置，這種體積小、重量輕、實時檢測的裝置可以采集與分析自由活動大鼠運動行為的腦電信號，進而研究特定動物的運動行為與腦部電信號之間的對應關系。首先將微電極植入大鼠特定大腦皮層，通過模擬電路采集來自微電極的腦電信號，經(jīng)過濾波、放大，調(diào)理后進入片上可編程系統(tǒng)PSoC并進行數(shù)據(jù)的模擬轉(zhuǎn)換和處理，再通過無線USB模塊進行實時傳輸數(shù)據(jù)至PC端，最后在LabVIEW界面下實現(xiàn)實時分析并顯示動物腦區(qū)局部場電位。該研究為多方面、多角度和多層次的研究大腦復雜性和未知性提供小型化設備平臺。

關鍵詞： 腦電信號; 便攜式裝置; 數(shù)據(jù)處理; 信號采集; 信號分析; 微電極設計

中圖分類號： TN911.23?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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

大腦作為感受和處理外界信息的器官，神經(jīng)通路和信息處理過程極其復雜[1]。神經(jīng)系統(tǒng)活動最基本的表現(xiàn)形式是電信號的變化[2]，因此探索腦神經(jīng)活動，需原位檢測腦區(qū)神經(jīng)元的放電信號。不失真地采集到腦部的放電信號，要依賴采集腦電信號的裝置和裝備[3]。為了高質(zhì)量采集自由活動小動物特定腦區(qū)的神經(jīng)活動電信號，實驗人員采用傳統(tǒng)的大型設備顯然是很難實現(xiàn)的[4]。因此，需要設計一種體積小巧、重量輕便、數(shù)據(jù)無線采集的小動物專用腦電采集裝置。

當前神經(jīng)科學和電子技術的發(fā)展，推動了小型裝置的發(fā)展 [5?6]。一方面，電子器件和集成電路的不斷完善，尤其是單片機的放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換及傳輸?shù)裙δ艿钠细呒苫?，大大降低了以往儀器的復雜性;另一方面，表面貼片封裝器件使構(gòu)建的系統(tǒng)體積小、功能全和易于設計。目前歐、美、日本等地區(qū)的一些團隊也在做有關這方面的研究，我國起步相對較晚，但也有一些研究成果[7]。由于大腦的復雜性，圍繞腦科學和信息學的邊緣，需要多方面、多角度和多層次地進行深入細致的分析研究。本文設計一種體積小、重量輕、實時監(jiān)測/檢測的便攜式腦電信號采集與分析裝置，成功應用于自由活動大鼠腦電信號采集與分析。

1? 材料與方法

1.1? 系統(tǒng)整體設計

大鼠背負腦電無線采集裝置[8]，經(jīng)過放大、濾波電路把來自微電極的腦電信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，而后通過無線USB模塊發(fā)送數(shù)據(jù)至筆記本電腦，利用LabVIEW軟件對大鼠初級運動皮層的腦電信號進行分析。圖1 給出自由活動大鼠腦電信號采集與分析系統(tǒng)示意圖。

1.2? 微電極

用直徑30 μm的細銅絲，包裹一層聚氨酯材料，置入到直徑50 μm的石英柱中，待固化之后，打磨電極尖端，使電極的尖端斜面為5°，直徑約10 μm。微電極包括兩個檢測電極（Iin+，Iin-）和一個參考電極（GND）。使用時，兩個檢測電極植入大鼠大腦皮層，參考電極經(jīng)螺釘固定在顱骨上作為參考地。

1.3? 電極植入

用10%水合氯醛腹腔注射麻醉大鼠，待大鼠完全麻醉之后，開始植入腦電采集電極。手術分兩次進行。第一次手術去除大鼠的頭皮及其連帶的肌肉和頭骨上面的骨膜，將實驗區(qū)域的頭骨完全暴露出來，并用3%的雙氧水清理干凈頭骨表面[9]。而后將直徑1 mm的不銹鋼螺釘植入頭骨，作為采集信號的參考地使用。術后一周，第二次手術進行安放腦電采集電極，用直徑為1 mm小鉆頭在放電腦區(qū)位置上打孔，用微驅(qū)動器將腦電采集電極緩慢植入，已植入電極連同地線與連接插頭的一端焊接在一起，另一端用來與前置差分放大器相連。

2? 結(jié)果與討論

2.1? 腦電信號采集系統(tǒng)

2.1.1? 前置差分放大電路

前置差分放大電路如圖2所示，主要包括跟隨器、放大器和外圍正負電源。采用TI公司的TLV系列的運算放大器芯片，該系列的芯片低噪聲、低輸入偏置電流，適合采集同源小電壓差分信號，芯片采用軌對軌工藝，因而放大后的電壓信號輸出穩(wěn)定。前置差分放大電路將雙運放TLV2262設計為電壓跟隨器，用以提高輸入電阻，而后進行差分信號的初級放大。放大公式為：

[G1=-（IN+-IN-）R3R1]

計算得出放大倍數(shù)為9。

2.1.2? 帶通濾波電路

圖3演示了帶通濾波電路，C1和R5組合為高通濾波電路，截止頻率公式為：[?1=1（2πR5C1）]，其中C1=0.2 μF，R5=511 kΩ;截止頻率約為1.56 Hz。C2，C3，C4，C5和R6，R7，R8，R9組合為四階低通濾波電路，截止頻率公式為：

[?2=12π（R6R7C2C4）12]

式中：R6=21.5 kΩ;R7=12.7 kΩ;C2=C4=160 nF;截止頻率約為60 Hz，實現(xiàn)了1.56～60 Hz的帶通濾波。

2.1.3? 50 Hz陷波電路

圖4給出50 Hz陷波電路，50 Hz工頻干擾一直是電路設計中的難題，在腦電這種微弱電信號的提取系統(tǒng)中尤為突出，這就要求使用陷波電路來濾除工頻干擾。由雙T 網(wǎng)絡和運放構(gòu)成的有源雙T陷波電路來抑制50 Hz工頻干擾是個不錯的選擇，可以實現(xiàn)對50 Hz 的工頻信號的濾除。

2.1.4? 二級放大電路

圖5為二級放大電路，主放大器由TLV2264構(gòu)成，包含高通有源濾波放大電路、1.56 Hz高通無源濾波器和15倍的信號放大電路，總放大倍數(shù)可達2 000倍以上。

2.1.5? 電壓抬升電路

圖6為電壓抬升電路。為了滿足A/D轉(zhuǎn)換器0～3.3 V的輸入范圍，同時為了將采集到的雙極性腦電信號轉(zhuǎn)換成適應模數(shù)轉(zhuǎn)換的單極性電壓信號，設計電壓抬升電路。利用2.5 V高精度穩(wěn)壓二極管，通過電阻分壓得到1.25 V的穩(wěn)定電壓，采用同相加法器電路，使1.25 V和放大濾波后的腦電信號進行疊加，矢量疊加后的腦電信號就可以在PSoC片上系統(tǒng)內(nèi)部進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把模擬的腦電信號轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)值信號進行處理和無線發(fā)送，供上位機運行的LabVIEW軟件分析使用。

2.2? 基于LabVIEW的腦電信號分析

LabVIEW是實驗室虛擬儀器工作平臺的簡稱，是一個具有革命性的圖形化開發(fā)環(huán)境。這種圖形化系統(tǒng)設計手段將分析與顯示功能集中在同一個環(huán)境中，允許用戶直觀地設計算法并進行交互式調(diào)試，廣泛地用于數(shù)據(jù)采集、儀器控制和工業(yè)自動化。應用本研究設計的腦電信號采集電路，對自由活動大鼠的腦電信號進行無線采集后[10?11]，借助IN公司VISA接口把數(shù)據(jù)信號通過LabVIEW進行處理和波形顯示出來。

LabVIEW環(huán)境中小波變換程序圖如圖7所示。在LabVIEW環(huán)境中，利用腳本節(jié)點執(zhí)行Matlab腳本文件來進行小波變換。小波變換在信號處理方面非常有效的應用之一是降低噪聲，其降噪作用明顯高于其他傳統(tǒng)方法，而且不失真。

圖8給出大鼠腦電采集實驗圖，利用腦電信號采集與分析系統(tǒng)可以采集到大鼠腦內(nèi)前肢運動區(qū)的電信號，當大鼠前肢抓取食物前期，電信號呈現(xiàn)出一段比較明顯的密集尖峰波形。通過多次對比，證實了大鼠前肢運動與大鼠腦內(nèi)前肢運動區(qū)放電的關聯(lián)性。

圖9為腦電信號分析界面圖，通過實驗記錄大鼠抓取食物時，其相關腦區(qū)的神經(jīng)電活動。實驗獲取到了動物特定腦區(qū)放電信號。下一步將結(jié)合國際通用的腦電采集裝置進行對比論證，對大鼠特定行為時的腦電信號進行深入細致的研究。

3? 結(jié)? 論

目前，國內(nèi)外腦電信號采集分析系統(tǒng)產(chǎn)品體積大、價格貴，數(shù)據(jù)有線傳輸，在一定程度上限制了小動物的自由活動行為。本文設計的腦電信號無線采集系統(tǒng)重量輕、體積小、功耗低、數(shù)據(jù)無線傳輸，非常適合小動物背負佩戴，幾乎不影響其正常的生理活動。

注：本文通訊作者為王敏。

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