基于TGAM 的無線腦電監(jiān)測系統(tǒng)*

叢 林，馬 進，胡文東，程 珊，張?zhí)x

(空軍軍醫(yī)大學(xué) 航空航天醫(yī)學(xué)系，陜西 西安710032)

0 引言

腦電信號是腦神經(jīng)細胞電活動在頭皮表面或大腦皮層表現(xiàn)出的電現(xiàn)象，其包含了大量的與人類活動密切相關(guān)的生理信息，通過按照一定規(guī)則放置在頭皮不同位置的電極提取腦電信號并繪制成一系列時間的曲線就是通常所說的腦電圖(Electroencephalogram，EEG)[1]。 飛行是一種高負荷作業(yè)，對飛行員的心理素質(zhì)特別是認知能力要求很高，有研究表明從腦電信號中獲得的專注度參數(shù)能良好地反饋心理評價指標，對飛行訓(xùn)練有重要的參考價值[2-3]。 由于飛行員日常模擬訓(xùn)練一般在高負荷仿真環(huán)境座艙內(nèi)進行，單次訓(xùn)練持續(xù)時間較長，而傳統(tǒng)的腦電采集設(shè)備體積較大、價格昂貴并且使用條件較為苛刻，不能滿足這些特殊的應(yīng)用需求。因此，本文設(shè)計了一種低功耗、小型化、易使用的無線腦電監(jiān)測系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計

系統(tǒng)由腦電采集、無線平臺和PC 端三部分組成，腦電采集使用TGAM 模塊，輸出的腦電信號通過串口傳輸?shù)絅ordic 2.4G 超低功耗無線平臺，其中無線傳輸模塊nRF24LE1 可將串口接收的腦電信號經(jīng)內(nèi)嵌的射頻核心L01 無線發(fā)送至PC 端，PC 端通過無線接收器nRF24LU1接收數(shù)據(jù)，其內(nèi)部的射頻端首先接收射頻信號，然后再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至USB 控制器，此時PC 通過API 函數(shù)與驅(qū)動程序訪問USB 控制器從而獲取無線傳輸過來的腦電數(shù)據(jù)并實時顯示與存儲。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

2.1 腦電采集硬件設(shè)計

TGAM 是NeuroSky 公司的腦電模塊，其內(nèi)部集成了模擬前端和數(shù)字信號處理結(jié)構(gòu)，最大10 mV 的系統(tǒng)輸入噪聲保證了自身硬件對腦電波采集的影響達到最小。該模塊通過三路腦電通道將檢測到的腦電信號經(jīng)芯片內(nèi)部放大、消噪、DAC 處理后可由NeuroSky eSense 專利算法將腦電波解讀為用于表示用戶當(dāng)前精神狀態(tài)的專注度和冥想度，同時TGAM 亦可輸出原始腦電波數(shù)據(jù)，所有輸出的數(shù)字信號都通過串口傳輸[4]。 腦電模塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 TGAM 模塊結(jié)構(gòu)

P1 的5 腳從上到下分別為腦電信號輸入、腦電信號保護、邏輯地、參考端保護、參考端輸入。 腦電信號輸入應(yīng)接信號電極，邏輯地和參考端分別接參考電極和地電極，腦電信號保護與信號電極的導(dǎo)線屏蔽層相連，參考端保護與參考電極的導(dǎo)線屏蔽層相連。 P4 是電源供電，1 腳接VCC，2 腳接GND。 P3 的1 腳和2 腳是串口供電端，3 腳Rx 與4 腳Tx 則直接接入無線模塊nRF24LE1的增強型51 內(nèi)核的一路串口即可。

TGAM 在使用時還需在硬件上配置好內(nèi)部陷波器和串口輸出內(nèi)容。 其中可配置的50 Hz/60 Hz 陷波器用來濾除不同國家地區(qū)電網(wǎng)的工頻干擾，將其M 跳線接10 kΩ上拉電阻至VCC 拉高電平可選擇為60 Hz 陷波器，接10 kΩ 下拉電阻至GND 拉低電平則配置為50 Hz 陷波器。 B0 與B1 跳線通過接10 kΩ 上拉或下拉電阻來配置TGAM 的波特率和輸出內(nèi)容，具體方法如表1 所示。 國內(nèi)市電為50 Hz 電網(wǎng)，應(yīng)配置TGAM 為50 Hz 陷波器，可通過將M 跳線盤接10 kΩ 下拉電阻至VCC。 進行腦電監(jiān)測時需獲取專注度、冥想度和EEG 波形值等全部數(shù)據(jù)，故應(yīng)將B1 引腳上拉至VCC，BR0 引腳下拉至GND進行輸出配置，如表1 所示。

表1 TGAM 輸出配置

2.2 導(dǎo)聯(lián)設(shè)計

腦電的電極按功能可分為信號電極、參考電極和地電極。 信號電極指用來直接采集腦電信號的電極，參考電極是用來設(shè)置參考零電位的電極，地電極主要是用來消除市電的工頻干擾。導(dǎo)聯(lián)方式可分為單極導(dǎo)聯(lián)和雙極導(dǎo)聯(lián)，兩種導(dǎo)聯(lián)方式其信號電極和地電極要求是一致的，區(qū)別僅是參考電極的使用方式不同[5]。 單極導(dǎo)聯(lián)是將參考電極放置于人體相對零電位處，使TGAM 記錄到信號電極下的頭皮腦電變化的絕對值。單機導(dǎo)聯(lián)可獲得比較穩(wěn)定和完整的EEG 波形，能很好地反映實際的腦電變化。 雙極導(dǎo)聯(lián)則是將參考電極當(dāng)作信號電極來使用，可記錄信號電極與參考電極下的腦電電位差，即最終獲得的腦電信號是兩處頭皮處波幅相減后的腦電信號。 雙極導(dǎo)聯(lián)無法準確地采集到完整的腦電波，比較適合采集局部腦電的波動，但卻可避免因參考電極電位變化帶來的誤差。

綜合比較兩種導(dǎo)聯(lián)方式的特點，考慮到監(jiān)測時不但需要專注度和冥想度指標，亦需完整穩(wěn)定的腦電信號，故采用了單極導(dǎo)聯(lián)方式。單極導(dǎo)聯(lián)時信號電極放置在前額中心處即可，主要問題是要選擇好參考零電位的位置，絕對的參考零電位無法實現(xiàn)，只能選取盡量遠離頭皮的位置，如若選擇四肢或者軀干，則易引入心電、肌電等其他生物電信號造成干擾。耳垂是一個較為理想的位置，可一定程度上遠離頭皮又不易引入其他生物電，故可選擇一側(cè)耳垂接參考電極作為零電位，另一側(cè)耳垂接地電極。

2.3 無線傳輸

nRF24LE1 是Nordic 2.4G 無線射頻系列的無線模塊之一， 它集成了高速51 內(nèi)核、2.4G 無線傳輸和豐富外設(shè)接口，可以形象表示為nRF24LE1=Flash51+2.4 GHz+WDT+ADC+AES+SPI+UART+I2C+PWM[6]。 本 文 使 用nRF24LE1 集成的串口與腦電的TGAM 模塊進行通信，并把采集到的腦電數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)嵌的無線射頻核心L01 發(fā)送至PC 端。 nRF24LE1 內(nèi)置的增強型51 內(nèi)核、內(nèi)存、外設(shè)接口等資源已滿足腦電采集和無線收發(fā)的硬件需求，采用該模塊既簡化了電路結(jié)構(gòu)，又節(jié)約了額外的微控制器成本。 nRF24LE1 發(fā)射框圖如圖3 所示。

圖3 nRF24LE1 發(fā)射框圖

PC 端的接收器使用了Nordic 2.4G 無線射頻系列的nRF24LU1 無線模塊，該模塊與nRF24LE1 特點相似，都是高集成的片上系統(tǒng)且內(nèi)嵌了射頻核心，為方便區(qū)分兩種模塊的射頻核心，稱nRF24LU1 集成的射頻核心為L01+。nRF24LU1 提供了支持USB2.0 協(xié)議的接口，可通過USB直接供電而無需設(shè)計額外的供電電路[7]。 L01+射頻核心在接收到腦電模塊的數(shù)據(jù)后通過SPI 口傳輸給增強型51 內(nèi)核，51 內(nèi)核再將接收到的無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給USB 控制器，當(dāng)PC 端調(diào)用腦電監(jiān)測軟件時即可通過USB 進行通信。 nRF24LU1 接收框圖如圖4 所示。

圖4 nRF24LU1 接收框圖

3 監(jiān)測軟件設(shè)計

3.1 接收器與PC 的USB 通信

HID(Human Inter Device)，即人機交互設(shè)備，因Windows預(yù)安裝了HID 設(shè)備的通用驅(qū)動，上位機應(yīng)用程序可以很方便地通過系統(tǒng)自帶的API 函數(shù)與HID 驅(qū)動進行通信[8]。 USB 協(xié)議規(guī)定只要符合HID 類別規(guī)范的設(shè)備都是HID 設(shè)備，并非一定要有人機接口，主要是指設(shè)備必須通過報告的形式進行數(shù)據(jù)傳輸[9]。 將接收器nRF24LU1配置為HID 設(shè)備不但大大節(jié)省了開發(fā)周期，也使得設(shè)備的系統(tǒng)兼容性更好。 具體配置過程分為HID 枚舉、HID描述符設(shè)計、報告描述符設(shè)計三部分，本文主要闡述報告描述符的設(shè)計。

設(shè)計的報告描述符如下：

該報告描述符描述了一個廣義用途為用戶設(shè)備，但卻未定義具體用途的HID 設(shè)備，因為該用途沒有詳細定義， 當(dāng)進行開集合時系統(tǒng)不會把它當(dāng)作標準系統(tǒng)設(shè)備，從而就形成了一個用戶自定義的HID 設(shè)備。因為射頻核心L01 和L01+二者一次傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)包皆為32 B，故兩個輸入報告的大小應(yīng)設(shè)為31 B(報告ID 占1 B)。 令全 局 項 目REPORT_COUNT 為31，REPORT_SIZE 為8，此時對應(yīng)的輸入報告即為31 個數(shù)據(jù)域，每個數(shù)據(jù)域的長度為8 bit。 因為每字節(jié)的8 bit 都是有效數(shù)據(jù)位，則數(shù)據(jù)域邏輯值范圍應(yīng)為0～255，故令全局項目LOGICAL_MINIMUM 為0，LOGICAL_MAXIMUM 為255。 因 設(shè) 計 的HID 設(shè)備僅作數(shù)據(jù)傳輸用，不需要人機交互功能，局部項目USAGE_MAXIMUM 和USAGE_MINIMUM 無需專門定義，可設(shè)為未定義狀態(tài)。

3.2 監(jiān)測顯示

腦電圖的實時監(jiān)測是利用人眼的視覺暫留在極短的時間內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理并顯示局部變化的圖像來實現(xiàn)的。 系統(tǒng)使用標準C++語言并以Microsoft Visual Studio 2019 為軟件開發(fā)環(huán)境，采用西班牙Steema 公司開發(fā)的TeeChart 圖表類控件呈現(xiàn)圖形顯示功能[10]。 將從數(shù)據(jù)流中提取出來的每一個真實原始波值放入數(shù)組RAW 中，使用Timer 定時器設(shè)置1/512 s 觸發(fā)一次響應(yīng)事件，設(shè)置好TeeChart 的輸出為Fastline 曲線，每當(dāng)觸發(fā)定時事件時就將RAW 中的一組數(shù)據(jù)寫入TeeChart 的序列中，TeeChart會自動描點相連得到連續(xù)的曲線。為了能夠動態(tài)顯示波形，采用了類似數(shù)字示波器的顯示方式(即翻頁方式)。曲線從繪圖區(qū)域X 軸最左端的起點依次向右顯示，等達到繪圖區(qū)域最右端終點時，將此頁曲線波形清除并將起點重新置于X 軸最左端以進行新一輪曲線的繪制。整個曲線繪制和清除過程循環(huán)刷新從而實現(xiàn)動態(tài)波形。通過TeeChart 的Export 類還可將當(dāng)前繪圖區(qū)域的心電圖或腦電圖保存成BMP、JPG、GIF 等格式供后續(xù)分析使用。 腦電監(jiān)測軟件界面如圖5 所示。

圖5 腦電監(jiān)測軟件界面

4 結(jié)論

本文基于TGAM 腦波模塊，以低功耗、小型化、易使用為原則設(shè)計了無線腦電監(jiān)測系統(tǒng)，構(gòu)建了無線射頻網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了采集設(shè)備和監(jiān)測電腦之間的無線傳輸，可實時監(jiān)控飛行員地面模擬訓(xùn)練期間的專注度、冥想度以及腦電圖，避免了因采集設(shè)備繁冗的連接線路而對操作造成干擾，影響訓(xùn)練結(jié)果。 系統(tǒng)運行穩(wěn)定、功耗低、擴展性好，易于在特殊能力訓(xùn)練、醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備、玩具、游戲、教育等行業(yè)方面得到應(yīng)用。