文档介绍：大鼠嗅觉区脑电信号检测与处理技术研究
倪原沈艳辉侯帅格陆文总
(西安工业大学电子信息工程学院,西安 710032)
摘要:设计一种大鼠嗅觉诱发电位的脑电信号采集和处理系统,该系统可以对受到嗅觉刺激时的大鼠诱发脑电信号进行处理和分析。系统的检测电极置于大鼠大脑的嗅前核区和海马区,信号采集预处理电路包括前级信号放大器、高通滤波器、低通滤波器、可变增益信号放大器、50Hz陷波器等。系统控制模块采用MSP430低功耗芯片,采用nRF24L01无线通信模块将采集到的信号传给上位计算机,然后上位机程序对大鼠的嗅觉诱发信号进行处理、分析、显示。实验表明,此系统能够较好的获取大鼠嗅觉诱发脑电信号,并且使用炸药对大鼠进行嗅觉刺激和没有炸药刺激时的脑电信号在幅值上发生明显的变化,而且信号复杂度也发生了变化,所以此系统可用于对爆炸物的探测。
关键词: 嗅觉诱发电位、脑电信号、极化电压、50Hz陷波器、MSP430、nRF24L01
0 引言:
大鼠灵敏的嗅觉系统能够对多种气味进行识别,然后以电信号的形式传输给大脑。坦桑尼亚的科学家为了缓解苏丹、索马里、布隆迪和刚果民主共和国所面对的地雷问题,训练出250只大鼠找寻被埋置在地底的爆炸物。哥伦比亚警方开发出一种新奇的项目,通过把大鼠和猫关在一起锻炼胆量使其变得更专注,进而利用大鼠嗅觉灵敏的特点去探雷,据称成功率达96%。这些事例表明,大鼠的嗅觉能够对爆炸物识别,但是对大鼠进行训练有一定的难度。
脑电信号是通过电极记录下来的脑细胞群的自发性、节律性的电活动。这种电现象伴随着生命的始终,一旦死亡,电现象就会随之消失[1]。脑电信号检测应视为微弱信号检测的一种,脑电信号的输入信噪比可达1:105,而脑电信号的幅值属于微伏级。因此只有抑制噪声,才能检测出信号。随着对脑电信号的深入研究,出现了脑-机接口技术(puter Interface, BCI)。脑-机接口的定义是:不依赖于脑的正常输出通路(外周神经系统及肌肉组织)的脑-机(计算机或其它装置)通讯系统[2]。随着电子技术和信号处理技术的不断发展,对脑电信号的采集和实时或短时信号处理已成为可能。
1电极安装的研究
嗅觉信号的传输会引起大脑海马区和嗅前核区的电位发生明显变化。传统的记录诱发脑电的方法在个体间的差异很大,且重复性不好。所以本文采用了一种新的植入式颅骨电极[3]记录大鼠嗅觉诱发电位的方法。可以看出植入电极记录出的波形与传统方法记录的没有明显差异,但幅值要大的多,同时植入电极在记录时基本无干扰。
2 大鼠嗅觉区脑电信号检测电路设计
本文设计的大鼠嗅觉诱发电位采集的硬件电路模块包括信号预处理模块、控制电路模块和无线传输模块。信号预处理模块包括前级放大电路、50Hz陷波器、高通滤波器、一级放大电路、低通滤波器、二级放大电路。脑电信号前置采集电路的整体框图[4]如图1前半部分所示。大鼠脑电信号采集系统的信号采集部分需要长时间的安置在大鼠身上,所以对所选芯片的功耗有严格要求。本文在设计电路和选择芯片的过程中,主要是以电路的性能和芯片的功耗为依据。
图1 信号采集电路框图
Block diagram of signal processing circuit
前置放大电路设计
在没有屏蔽的条件下,脑电信号一般处在工频干扰,极化电压等