專利名稱：無線移動小動物腦電實時采集裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種無線傳輸技術領域的裝置，具體是一種無線移動小動物腦電
實時采集裝置。
背景技術：
在生命科學領域的小動物實驗研究中，小動物腦電信號的采集和監護作為小動物 神經電生理研究的基本組成部分，一直是一項十分重要的技術。目前的小動物腦電信號采 集，由于設備和技術本身的限制，實驗人員往往只能在小動物麻醉狀態下采集到比較穩定 的腦電數據。但麻醉本身由于阻斷了小動物外周神經傳導功能，同時抑制大腦皮質功能，使 腦神經細胞受到深度抑制，必然會對實驗結果、甚至實驗本身造成影響。目前已知的是在麻 醉狀態下，小動物的某些特定神經功能無法研究，且麻醉狀態下的小動物腦電與活動情況 下的腦電也有較大差異。例如對于特定的一些外部剌激，神經科學家很難在麻醉情況下直 接并準確地觀察到小動物腦電的變化情況。 經對現有文獻檢索發現，美國的TBSI公司(Triangle Biosystems， Inc)開發的一 款針對小動物的雙通道無線腦電采集裝置，其系統架構與傳統的腦電采集架構類似，只在 濾波電路上簡化為一個帶通濾波模塊。此系統在功能上基本符合要求，便攜性也很高，但功 耗很大，在使用內部電源的情況下僅能連續使用6小時，對于一些動物實驗要求的長時間 監測來說仍然是不夠的；而且，此系統的接收裝置也比較復雜。 又經檢索發現，美國Clevemed公司(Cleveland Medical Devices, Inc.)也有 一款產品RatPaak，該產品是一款針對小動物的雙通道多種生理信號采集系統，可以采集 EEG， ECG， EMG， EOG等多種生理信號。此系統的接收端也較復雜，且其體積、重量、功耗都很 大，不方便實驗使用。 此外，國外的一些團隊還提出了針對移動腦電采集系統應用的專用集成電路 (ASIC，A卯lication Specific Integrated Circuit)芯片設計方案，這些設計在便攜性和 功耗上有很好的表現，但ASIC的制作成本高昂(其中很大一部分原因是它具有很多非重復 性工程成本，其中又以光刻掩膜板成本為最高)，也不適合應用于實驗室使用。
發明內容
本發明就是針對現有技術存在的上述不足，提供的一種無線移動小動物腦電實時 采集裝置，可在小動物活動狀態下采集腦電，并無線傳輸到PC機上進行進一步的分析和處 理，本裝置通過兩個雙導聯通道輸入腦電信號，經過放大，濾波及A/D轉換后輸出，并設有 無線接口 ，利用Zigbee協議將腦電信號無線傳輸至PC機，對腦電信號進行分析和處理。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括電極、腦電采集模塊、RF無線傳 輸模塊、電源模塊和PC接收模塊，其中電極設置在被測小動物的頭部，電極和腦電采集模 塊相連傳輸原始腦電信號，腦電采集模塊與RF無線傳輸模塊相連傳輸調制后的數字腦電 信號，RF無線傳輸模塊與PC接收模塊相連傳輸數字腦電信號，電源模塊分別與腦電采集模塊和RF無線傳輸模塊相連傳輸電源信息。
所述的電極包括兩個雙導聯通道和一個參考電極，其中兩個雙導聯通道分別 設置在被測小動物的頭部且分別與腦電采集模塊相連傳輸原始腦電信號，參考電極設置在 被測小動物上且與腦電采集模塊相連傳輸參考電極信息。
所述的電源模塊是若干紐扣電池。 所述的腦電采集模塊包括兩個前置差動放大子模塊、兩個主級放大濾波子模塊、 電平調整子模塊、模數轉換子模塊、中央處理器和第一同步串行接口，其中兩個前置差動 放大子模塊的輸入端都與電極相連傳輸原始腦電信號，第一前置差動放大子模塊的輸出端 與第一主級放大濾波子模塊的輸入端相連傳輸放大后的腦電信號，第二前置差動放大子模 塊的輸出端與第二主級放大濾波子模塊的輸入端相連傳輸放大后的腦電信號，兩個主級放 大濾波子模塊的輸出端都與模數轉換子模塊相連傳輸濾波后的腦電信號，電平調整子模塊 分別與前置差動放大子模塊和主級放大濾波子模塊相連傳輸偏置電壓，模數轉換子模塊與 中央處理器相連數字腦電信號，中央處理器與第一同步串行接口相連傳輸數字腦電信號， 第一 同步串行接口與RF無線傳輸模塊相連傳輸調制后的數字腦電信號。 所述的RF無線傳輸模塊包括第二同步串行接口和無線射頻發送器，其中第二 同步串行接口與腦電采集模塊相連傳輸調制后的數字腦電信號，無線射頻發送器與第二同 步串行接口相連傳輸數字腦電信號，PC接收模塊與無線射頻發送器相連傳輸數字腦電信 號。 所述的無線射頻發送器是指基于Zigbee協議的射頻雙工器。 所述的PC接收模塊包括無線射頻接收器、USB接口及腦電讀取分析子模塊，其
中無線射頻接收器與RF無線傳輸模塊相連傳輸數字腦電信號，無線射頻接收器與USB接
口相連傳輸數字腦電信號，USB接口與腦電讀取分析子模塊相連傳輸數字腦電信號。 所述的無線射頻接收器是指基于Zigbee協議的射頻雙工器。 與現有技術相比，本發明的有益效果為可在小動物活動狀態下對其進行實時的
腦電采集，且非常適合長期不間斷的腦電監測，可以為相關研究提供更為準確和全面的實
驗數據；同時整套裝置成本較低，非常適合于實驗室使用，有很強的應用性。本發明選用兩
個雙導聯通道采集腦電信號極大地簡化了硬件電路設計；利用Zigbee協議進行無線傳輸
解決了已有設計接收電路復雜的問題；裝置的各個部分設計均可選用低功耗的芯片完成相
應的功能。整個裝置體積小，重量輕，功耗小，在實際的小動物腦電信號采集實驗中十分方
便、準確。
圖1是實施例裝置組成示意圖； 其中1-電極；2-腦電采集模塊；3-RF無線傳輸模塊；4_PC接收模塊；5_第一前 置差動放大子模塊；6-第二前置差動放大子模塊；7-第一主級放大濾波子模塊；8-第二主 級放大濾波子模塊；9-電平調整子模塊；10-模數轉換子模塊；11-中央處理器；12-第一同 步串行接口 ；13-第二同步串行接口 ；14-無線射頻發送器；15-無線射頻接收器；16-USB接 口 ；17-腦電讀取分析子模塊；18-電源模塊。
具體實施例方式
下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施 例。 實施例 本實施例用于采集大鼠的腦電信號，如圖1所示，本實施例包括電極1、腦電采集 模塊2、 RF無線傳輸模塊3、電源模塊18和PC接收模塊4，其中電極1通過扣帶設置在被 測大鼠的頭部，腦電采集模塊2和RF無線傳輸模塊3通過扣帶設置在被測大鼠的背部，電 極1和腦電采集模塊2相連傳輸原始腦電信號，腦電采集模塊2與RF無線傳輸模塊3相連 傳輸調制后的數字腦電信號，RF無線傳輸模塊3與PC接收模塊4相連傳輸數字腦電信號， 由PC接收模塊4對得到的數字腦電信號進行后續處理，電源模塊18分別與腦電采集模塊 2和RF無線傳輸模塊3相連傳輸電源信息。 所述的電極l包括兩個雙導聯通道(CHl+、CHl-、CH2+和CH2-)和一個參考電極， 其中兩個雙導聯通道分別設置在被測大鼠的頭部且分別與腦電采集模塊2相連傳輸原始 腦電信號，參考電極設置在大鼠的頭部且與腦電采集模塊2中的接地端相連。
所述的電源模塊18是一個紐扣電池。 所述的腦電采集模塊2包括兩個前置差動放大子模塊、兩個主級放大濾波子模 塊、電平調整子模塊9、模數轉換子模塊10、中央處理器11和第一同步串行接口 12，其中 第一前置差動放大子模塊5的輸入端與第一雙導聯通道(CHl+、CHl-)相連傳輸原始腦電信 號，第二前置差動放大子模塊6的輸入端與第二雙導聯通道(CH2+和CH2-)相連傳輸原始 腦電信號，參考電極與中央處理器11的接地端相連傳輸參考電極信息，第一前置差動放大 子模塊5的輸出端與第一主級放大濾波子模塊7的輸入端相連傳輸放大后的腦電信號，第 二前置差動放大子模塊6的輸出端與第二主級放大濾波子模塊8的輸入端相連傳輸放大后 的腦電信號，兩個主級放大濾波子模塊的輸出端都與模數轉換子模塊10相連傳輸濾波后 的腦電信號，電平調整子模塊9分別與前置差動放大子模塊和主級放大濾波子模塊相連傳 輸偏置電壓，模數轉換子模塊10與中央處理器11相連數字腦電信號，中央處理器11與第 一同步串行接口 12相連傳輸數字腦電信號，第一同步串行接口 12與RF無線傳輸模塊3相 連傳輸調制后的數字腦電信號，電源模塊18與中央處理器11相連傳輸電源信息。
所述的前置差動放大子模塊采用INA2321儀表放大器實現對腦電信號的差動放 大。 所述的主級放大濾波子模塊采用集成運算放大器0PA2336和微控制器MSP430內 部集成的運算放大器。 所述電平調整子模塊9和模數轉換模塊10采用微控制器MSP430實現提供偏置電 壓和模數轉換的功能。 所述的中央處理器11采用微控制器MSP430內的中央處理器實現對模數轉換后的 腦電信號的調制和輸出。 所述的RF無線傳輸模塊3包括第二同步串行接口 13和無線射頻發送器14，其 中第二同步串行接口 13與第一同步串行接口 12相連傳輸調制后的數字腦電信號，無線射 頻發送器14與第二同步串行接口 13相連傳輸數字腦電信號，PC接收模塊4與無線射頻發送器14相連傳輸數字腦電信號，電源模塊18與無線射頻發送器14相連傳輸電源信息。
所述的無線射頻發送器14是指基于Zigbee協議的射頻雙工器，本實施例采用 CC2500芯片實現腦電數據的無線發送。 所述的PC接收模塊4包括無線射頻接收器15、USB接口 16及腦電讀取分析子模 塊17，其中無線射頻接收器15與無線射頻發送器14相連傳輸數字腦電信號，無線射頻接 收器15與USB接口 16相連傳輸數字腦電信號，USB接口 16與腦電讀取分析子模塊17相 連傳輸數字腦電信號。 所述的無線射頻接收器15是指基于Zigbee協議的射頻雙工器，本實施例采用 CC2500芯片實現腦電數據的無線接收。 本實施例的工作過程將電極l固定在被測大鼠的頭部，腦電采集模塊2采集大鼠 腦電信號，經放大、濾波和模數轉化后，將得到的數字腦電信號經RF無線傳輸模塊3傳到PC 機上的PC接收模塊4，實驗人員通過PC接收模塊4的腦電讀取分析子模塊17對腦電信號 進行觀察、存儲和進一步的分析處理。 本實施例的優點針對大鼠腦電采集，沒有采用十二導聯技術而是選用雙導聯， 進一步降低了裝置的體積；信號傳輸采用模塊化接入的方式，體積得到了很好的控制，本 實施例整個裝置的體積可以控制在24. 5mm*14. 2mm*8. 0mm以內，非常方便大鼠隨身攜帶 采集；其次，本實施例電路中所選用的芯片均為低功耗芯片前置差動放大子模塊所用的 INA2321儀表放大器有低于luA的可編程控制低功耗模式；微控制器MSP430正常運行時電 流為160uA，而備用時僅為0. luA ;CC2500同樣基于低功耗設計，本實施例裝置選用容量為 560mAh的3V紐扣電池供電，至少可以不間斷記錄大鼠腦電37個小時。
權利要求
一種無線移動小動物腦電實時采集裝置，包括電極、腦電采集模塊、RF無線傳輸模塊、電源模塊和PC接收模塊，其中電極設置在被測小動物的頭部，電極和腦電采集模塊相連傳輸原始腦電信號，腦電采集模塊與RF無線傳輸模塊相連傳輸調制后的數字腦電信號，RF無線傳輸模塊與PC接收模塊相連傳輸數字腦電信號，電源模塊分別與腦電采集模塊和RF無線傳輸模塊相連傳輸電源信息，其特征在于，所述的電極包括兩個雙導聯通道和一個參考電極，其中兩個雙導聯通道分別設置在被測小動物的頭部且分別與腦電采集模塊相連傳輸原始腦電信號，參考電極設置在被測小動物上且與腦電采集模塊相連傳輸參考電極信息；所述的RF無線傳輸模塊包括第二同步串行接口和無線射頻發送器，其中第二同步串行接口與腦電采集模塊相連傳輸調制后的數字腦電信號，無線射頻發送器與第二同步串行接口相連傳輸數字腦電信號，PC接收模塊與無線射頻發送器相連傳輸數字腦電信號。
2. 根據權利要求1所述的無線移動小動物腦電實時采集裝置，其特征是，所述的腦電 采集模塊包括兩個前置差動放大子模塊、兩個主級放大濾波子模塊、電平調整子模塊、模 數轉換子模塊、中央處理器和第一同步串行接口，其中兩個前置差動放大子模塊的輸入端 都與電極相連傳輸原始腦電信號，第一前置差動放大子模塊的輸出端與第一主級放大濾波 子模塊的輸入端相連傳輸放大后的腦電信號，第二前置差動放大子模塊的輸出端與第二主 級放大濾波子模塊的輸入端相連傳輸放大后的腦電信號，兩個主級放大濾波子模塊的輸出 端都與模數轉換子模塊相連傳輸濾波后的腦電信號，電平調整子模塊分別與前置差動放大 子模塊和主級放大濾波子模塊相連傳輸偏置電壓，模數轉換子模塊與中央處理器相連數字 腦電信號，中央處理器與第一同步串行接口相連傳輸數字腦電信號，第一同步串行接口與 RF無線傳輸模塊相連傳輸調制后的數字腦電信號。
3. 根據權利要求1所述的無線移動小動物腦電實時采集裝置，其特征是，所述的PC接收模塊包括無線射頻接收器、USB接口及腦電讀取分析子模塊，其中無線射頻接收器與RF無線傳輸模塊相連傳輸數字腦電信號，無線射頻接收器與USB接口相連傳輸數字腦電信 號，USB接口與腦電讀取分析子模塊相連傳輸數字腦電信號。
4. 根據權利要求3所述的無線移動小動物腦電實時采集裝置，其特征是，所述的無線 射頻接收器是指基于Zigbee協議的射頻雙工器。
全文摘要
一種無線傳輸技術領域的無線移動小動物腦電實時采集裝置，包括電極、腦電采集模塊、RF無線傳輸模塊、電源模塊和PC接收模塊，其中所述的電極包括兩個雙導聯通道和一個參考電極，所述的RF無線傳輸模塊包括第二同步串行接口和無線射頻發送器。本發明體積小，重量輕，功耗小，在實際的小動物腦電信號采集中十分方便、準確，可在小動物活動狀態下對其進行實時的腦電采集，且非常適合長期不間斷的腦電監測，成本較低，有很強的應用性。
文檔編號H04B1/38GK101766485SQ20101012435
公開日2010年7月7日 申請日期2010年3月16日 優先權日2010年3月16日
發明者崔萌, 牛金海, 童善保, 聶冬, 邢江娃 申請人:上海交通大學