基于藍牙的聽覺誘發(fā)電位測量系統(tǒng)的設(shè)計

鄺瑞杰 阮小微 喻德曠 王濤

摘 要： 為了解決傳統(tǒng)聽覺誘發(fā)電位儀的便攜性、無線傳輸問題，設(shè)計一種基于藍牙的聽覺誘發(fā)電位測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的下位機采用以STM32F4為核心的獨立聲音刺激器，配合以ATmega328P為處理器的腦電采集器的設(shè)計。使用Visual C#開發(fā)的上位機通過藍牙發(fā)送指令給下位機，實現(xiàn)刺激聲的播放、腦電數(shù)據(jù)的采集和處理。該系統(tǒng)經(jīng)過充分測試，并給出一個短聲串的誘發(fā)反應(yīng)實驗，其結(jié)果與理論一致，證明了系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞： 藍牙; 便攜性; 聽覺誘發(fā)電位; 聲音刺激器; 腦電采集器; 電位測量

中圖分類號： TN915?34; R318.6 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）12?0010?04

Abstract： An auditory evoked potential measurement system based on Bluetooth is designed to resolve the portability and wireless transmission problems of the traditional auditory evoked potentiometer. In the lower computer of the system， the independent sound stimulator taking STM32F4 as the core is adopted， and the design of EEG collector taking ATmega328P as the processor is supplemented. The upper computer developed by using Visual C# is adopted to send instructions to the low computer via Bluetooth， so as to realize the play of stimulated sound， and the acquisition and processing of EEG data. The system was fully tested， and a click?train evoked response experiment was performed. The results are consistent with that of the theoretical analysis， which proves the reliability and stability of the system.

Keywords： Bluetooth; portability; auditory evoked potential; sound stimulator; EEG collector; potential measurement

0 引 言

聽覺誘發(fā)電位（Auditory Evoked Potential，AEP）是由特定聲音刺激引起的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的生物電反應(yīng)，在聽覺相關(guān)的腦科學(xué)研究與臨床應(yīng)用上發(fā)揮重要作用[1]。當(dāng)前應(yīng)用最廣的AEP是聽性腦干反應(yīng)（Auditory BrainStem Response，ABR），常用于聽力篩查和聽閾評估[2]。在聽力檢測方面，聽覺穩(wěn)態(tài)誘發(fā)響應(yīng)（Auditory Steady State Response，ASSR）也是對聲音的電生理信號進行檢測的一種快速、客觀的檢測方法[3]，現(xiàn)在已逐漸成為檢測大腦在各種神經(jīng)精神疾病方面的一個生物標(biāo)志，如自閉癥、精神分裂癥、躁郁癥[4]。其他形式的AEP，如P300或失配負(fù)波等，主要用于認(rèn)知、心理等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。隨著AEP的應(yīng)用范圍不斷擴大和電子計算機技術(shù)的快速發(fā)展，開始要求檢測設(shè)備具有便攜性、移動性、無線傳輸性能[5]。目前臨床上使用的AEP檢測設(shè)備主要是進口產(chǎn)品，如：丹麥爾聽美、加拿大VIVOSONIC等，這些進口設(shè)備性能優(yōu)良、便于使用，但價格昂貴。而國內(nèi)大部分AEP檢測設(shè)備通常是固定使用方式，體積笨重，便攜性差。針對國產(chǎn)AEP檢測設(shè)備的問題，本文提出一種基于藍牙傳輸?shù)谋銛y式聽覺誘發(fā)電位測量系統(tǒng)。采用獨立聲音刺激器配合腦電采集器的設(shè)計方案，兩個處理器之間通過I/O口進行通信，傳遞控制指令和反饋信號，完成刺激聲的播放和多導(dǎo)腦電信號的同步采集。該系統(tǒng)的設(shè)計特色是將腦電采集器和聲音刺激器結(jié)合到一個80 mm×90 mm×30 mm的系統(tǒng)體積內(nèi)，通過藍牙將實時數(shù)據(jù)傳入上位機進行處理和分析。整個硬件系統(tǒng)采用干電池進行供電，具備便攜性并減少了外界干擾。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

該系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個部分：

1） 硬件部分。其主要包括腦電采集器、聲音刺激器兩部分。腦電采集器以ATmega328為主控芯片，ADS1299為主要功能實現(xiàn)芯片，RFD22301為藍牙芯片完成腦電的采集和數(shù)據(jù)的無線傳輸。聲音刺激器是以STM32F4為核心處理器，結(jié)合WM8978音頻芯片實現(xiàn)刺激聲的播放。兩處理器之間的隔離電路采用TLP283光電隔離芯片。

2） 軟件部分。其主要包括上位機軟件和下位機的單片機固化程序兩部分。

系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，用戶使用上位機通過藍牙向腦電采集器發(fā)送采集腦電信號及播放刺激聲的指令。腦電采集器接收到指令后，開始采集腦電信號，并通過I/O口向聲音刺激器發(fā)送上位機指令。聲音刺激器按照接收的控制指令播放存儲在SD卡中的刺激聲類型，同時在一次聲音播放結(jié)束時反饋給腦電采集器一個觸發(fā)信號。腦電采集器在采集到的腦電信號中加入接收到的同步觸發(fā)信號，再通過藍牙傳輸?shù)缴衔粰C。上位機實時顯示接收到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)同步觸發(fā)信號對數(shù)據(jù)進行分析。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 腦電采集器

2.1.1 腦電采集模塊

腦電信號一般是幾微伏到幾百微伏，非常微弱，且在采集過程中存在工頻干擾，電極與皮膚的接觸噪聲以及電極與地之間的共模信號的干擾，使信號很容易淹沒在背景噪聲中[6]。TI公司生產(chǎn)的ADS1299是一款低噪聲、多通道、高度集成的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，而且此轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)置的可編程增益放大器（PGA）、內(nèi)部基準(zhǔn)和一個板載振蕩器，有腦電圖（EEG）應(yīng)用所需的所有常用特性，能夠大幅度縮小尺寸、降低功耗與整體成本，也可使用菊花鏈配置增加導(dǎo)聯(lián)數(shù)，所以本系統(tǒng)選擇ADS1299作為腦電采集器的主要功能實現(xiàn)芯片。

腦電采集模塊的工作原理如圖2所示。以ATmega328芯片為主控核心，工作在SPI模式下，主要負(fù)責(zé)配置ADS1299的各個I/O口、寄存器、PGA的放大倍數(shù)以及采樣頻率[7];通過隔離芯片TLP283與聲音刺激器進行通信，防止聲音刺激器對腦電信號的采集產(chǎn)生干擾;通過ATmega328上的串口與藍牙模塊RFD22301連接。

ATmega328和ADS1299通過串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）進行連接。由于ATmega328的I/O口輸入/輸出電壓為5 V，ADS1299的I/O口輸入/輸出電壓為3.3 V，兩個芯片I/O口電壓不匹配，所以二者用電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVCC3245A進行電壓匹配。SN74LVCC3245A為具有可調(diào)節(jié)輸出電壓和三態(tài)輸出的8路總線收發(fā)器，允許3.3 V電壓和5 V電壓的相互轉(zhuǎn)換。

2.1.2 藍牙模塊

本系統(tǒng)采用RFDuino的RFD22301作為系統(tǒng)的藍牙芯片。RFD22301由RF Digital公司研發(fā)，配備有Nordic 32 bit ARM Cortex?M0處理器，7個總線擴展器（Digital I/O，Analog ADC，SPI，I2C，UART和PWM），具備Arduino控制器功能，內(nèi)置藍牙4.0，體積僅指尖大小，是一款功能強大、尺寸極小的低功耗藍牙芯片，抗干擾性能強，可用于醫(yī)療穿戴設(shè)備。其編程是利用Arduino腳本程式碼，通過Arduino的程序開發(fā)環(huán)境進行編程。

RFD22301的數(shù)據(jù)傳輸速率為2 000 kbit/s。為了達到最大的數(shù)據(jù)傳輸速率，本系統(tǒng)將腦電采集器上的無線模塊作為“Device”（從設(shè)備），將由RFD22301模塊和USB接口組成的藍牙適配器作為“Host”（主設(shè)備）連接到電腦上[8]。當(dāng)同時傳遞8個通道的采集數(shù)據(jù)時，采樣率為250 Hz。在一次數(shù)據(jù)傳輸中，每個數(shù)據(jù)包中有32 B，分別為一個字節(jié)的檢驗和、一個字節(jié)的采樣率、24 B的數(shù)據(jù)（每個通道3 B）、6 B的附加數(shù)據(jù)（用來作為同步標(biāo)志位）。

2.2 聲音刺激器

聲音刺激器主要用于發(fā)出特定的刺激聲，激發(fā)受試者的聽覺誘發(fā)電位。聲音刺激器利用STM32F4處理器作為核心處理器，結(jié)合一款高性能音頻處理芯片WM8978實現(xiàn)聲音的播放。聲音刺激器通過STM32F4上的Trig0～Trig2三個I/O口接收腦電采集器的控制指令，按照接收到的指令，來選擇存儲于SD卡的刺激聲類型，采用DMA方式向音頻芯片WM8978傳輸聲音數(shù)據(jù)。當(dāng)聲音播放完畢時，再通過另一個I/O口Trig3向腦電采集器反饋一個同步觸發(fā)信號[9]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件主要用來控制整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、發(fā)送、保存、處理以及刺激聲的播放。系統(tǒng)使用時，腦電采集器上的藍牙與上位機上的藍牙適配器自動完成配對，并指定COM3為數(shù)據(jù)傳輸端口。上位機的界面框圖如圖3所示。用戶操作時，系統(tǒng)初始界面提供2個選項，分別為實時采集和歷史數(shù)據(jù)回放。實時采集時，需要選擇藍牙數(shù)據(jù)傳輸端口（即COM3），輸入數(shù)據(jù)存儲名，然后進入數(shù)據(jù)顯示界面。顯示界面分為四個區(qū)域：信號采集和刺激聲類型選擇按鍵區(qū)、8通道腦電波形圖、頻域波形圖以及腦地形圖區(qū)。首先在8通道腦電波形圖區(qū)域選擇需要的采集通道，然后點擊信號采集按鍵，上位機通過藍牙給腦電采集器發(fā)送開始采集信號的指令，等接收到采集器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后上位機對數(shù)據(jù)經(jīng)過不同處理分別顯示到腦電信號波形顯示區(qū)域、頻域顯示區(qū)域、腦地形圖區(qū)域。待顯示區(qū)域的波形穩(wěn)定后，點擊刺激聲類型選擇按鍵，聲音刺激器按照指令播放刺激聲，同時反饋給采集器同步信號。上位機將接收到的8通道腦電信號與同步信號按照傳輸格式存儲在txt文件中，用于后續(xù)數(shù)據(jù)的進一步處理。歷史數(shù)據(jù)選項可以在數(shù)據(jù)存儲文件夾中選擇需要回放的腦電數(shù)據(jù)，顯示界面與實時數(shù)據(jù)顯示相同。

3.2 下位機軟件設(shè)計

下位機軟件包括三部分：腦電采集器中腦電的采集、數(shù)據(jù)的傳輸，聲音刺激器中刺激聲的播放，以及二者之間的通信。采集器和刺激器之間通過4個I/O口模擬串行通信，傳遞控制指令和反饋信號。采集器通過3個I/O口向刺激器發(fā)送播放刺激聲及選擇刺激聲類型的指令，刺激器通過1個I/O口向采集器反饋同步觸發(fā)信號。下位機軟件流程如圖4所示。系統(tǒng)上電后，腦電采集器完成初始化，其藍牙與上位機上的藍牙適配器自動配對。然后等待串口中斷接收上位機發(fā)送的指令，當(dāng)無指令時采集器進入休眠狀態(tài)，當(dāng)有指令時進入串口中斷程序分析指令類型。收到數(shù)據(jù)采集指令時，啟動ADS1299開始采集腦電信號;收到播放刺激聲指令時，采集器通過3個I/O口控制聲音刺激器，同時在播放完一個音頻后，刺激器反饋給采集器一個觸發(fā)信號。采集器將采集到的8通道腦電數(shù)據(jù)和觸發(fā)信號按照一定的數(shù)據(jù)格式通過藍牙發(fā)送給上位機。

4 click?train驗證實驗

聽覺誘發(fā)反應(yīng)實驗通?？煞譃樗矐B(tài)反應(yīng)和穩(wěn)態(tài)反應(yīng)兩部分。瞬態(tài)反應(yīng)是對短時刺激引發(fā)的有限時長的反應(yīng);而穩(wěn)態(tài)反應(yīng)是對周期性重復(fù)刺激引發(fā)的周期性反應(yīng)。為了研究兩種類型反應(yīng)之間的關(guān)系，有人采用短聲串（click?train）刺激方式同時獲取瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種誘發(fā)反應(yīng)[10]。為此，選擇這種刺激方式檢驗本系統(tǒng)性能，此方式的特點是用一個包含32個等間隔短聲串（長度為819.2 ms）和409.6 ms靜聲的音頻為刺激單元，重復(fù)刺激。使用本系統(tǒng)對3名聽力健康的成年人進行實驗，對得到的三組數(shù)據(jù)根據(jù)同步信號進行劃分，分別經(jīng)過2 400次的平均疊加，得到時域波形如圖5所示。第一個波形（從下往上）為一個刺激單元序列，橫坐標(biāo)0 ms之前和819.2 ms之后均無刺激聲;第二個波形為3名受試者總平均后的波形，S1，S2，S3為3名受試者一個刺激單元的平均波形。通過分析時域刺激單元誘發(fā)的反應(yīng)，可以看到在刺激聲開始和結(jié)束時均有一段靜息態(tài)和穩(wěn)態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程（圖中黑色粗虛線和箭頭標(biāo)注位置），這個過程分別表示刺激串的起始和結(jié)束所引發(fā)的瞬態(tài)反應(yīng)。將圖5中S1，S2，S3的波形做快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT），得到頻譜如圖6所示。從圖6可以看到三名受試者的誘發(fā)反應(yīng)頻譜在40 Hz附近出現(xiàn)一個峰值，與刺激單元中的click頻率一致，說明有明顯的穩(wěn)態(tài)反應(yīng)。

5 結(jié) 論

本文介紹一種基于藍牙的便攜式聽覺誘發(fā)電位測量系統(tǒng)，此系統(tǒng)采用獨立的聽覺刺激器配合腦電采集器的設(shè)計方案，并通過藍牙與上位機進行交互。經(jīng)過聽覺誘發(fā)反應(yīng)實驗結(jié)果證明，本系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)真實可靠，且具有便攜性、無線傳輸?shù)奶攸c，符合當(dāng)前聽覺誘發(fā)電位儀的發(fā)展。

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