一款便攜式腦電采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)研究

黃一清，俞荷娟

（蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州分院）電子工程系，江蘇蘇州，215009）

0 前言

腦電是由中樞神經(jīng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的一種空間離散型非平穩(wěn)隨機信號[1]，其會隨意識水平而呈現(xiàn)出不同的節(jié)律性活動，通?？梢杂妙^皮電極檢測到相關(guān)變化。當(dāng)大腦開展某事項時就會阻礙或加強某一特定節(jié)律，病理狀態(tài)下腦電同樣也會呈現(xiàn)顯著差異?；诖?，腦電對于腦部疾病診斷具有一定的參考價值，尤其為顱內(nèi)病變和顱外損傷診斷等提供了科學(xué)依據(jù)。

作為腦電信號采集的常用設(shè)備，腦電圖儀隨著超大規(guī)模集成電路和微處理控制技術(shù)的發(fā)展已進入全新的發(fā)展階段[2]。攜帶便捷、功耗出色、性能完善的腦電采集系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用前景?？梢酝ㄟ^便攜式腦電圖儀實時監(jiān)測腦電信號，尤其是預(yù)測癲癇患者發(fā)病時間及病灶定位，為病情的發(fā)現(xiàn)與診治贏得時間。近年來，隨著腦電信號部分節(jié)律與注意力維持關(guān)聯(lián)的逐步挖掘，通過腦電信號頻譜分析確定大腦專注力水平已成為風(fēng)向，越來越多的研究人員著手于開發(fā)腦電圖儀用于專注力監(jiān)測或訓(xùn)練。

1 總體方案設(shè)計

系統(tǒng)總體框架如圖1 所示，主要由信號采集模塊、主控模塊、通信模塊和上位機顯示等部分構(gòu)成。本設(shè)計通過干電極頭帶實現(xiàn)前額腦電信號采集，處理硬件電路中設(shè)計有前置放大器，信號濾波、放大及電平提升，并通過32 位微控制器內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）處理得到數(shù)字信號，最后經(jīng)藍牙通信模塊傳輸至上位機進行存儲分析。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 采集模塊電路

圖3 主控模塊電路

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 采集模塊設(shè)計

腦電信號為低頻微弱信號，易受極化電壓、工頻干擾，其幅值為5-200μV，頻率集中在0.5~30Hz[3]。因此腦電前端電路設(shè)計對于整個采集系統(tǒng)顯得尤為重要，必須選用高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲低漂移的低頻放大器[4]。信號源與前置放大電路之間設(shè)計有高低壓保護。本系統(tǒng)由INA128U 實現(xiàn)前置放大，該芯片為美國德州儀器公司生產(chǎn)的精密儀表放大器，共模抑制比可達130dB，增益由兩個2.8kΩ 外置電阻設(shè)定。經(jīng)過前置放大處理后的信號通過RC 構(gòu)成的fc=0.2Hz 的一階高通濾波器進一步濾波。50Hz 工頻干擾濾除采用雙T 型有源陷波器，再通過OP2177 構(gòu)成的主放大器放大腦電信號。經(jīng)過放大的腦電信號將再一次通過二階低通提取出~29Hz 頻段，經(jīng)電平抬升1.65V 防止信號截止。

2.2 主控模塊設(shè)計

本系統(tǒng)采用ST 公司基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核開發(fā)的32 位微控制器STM32F401RCT6 作為主控芯片。該芯片帶有12 位ADC，其參考電壓為3.3V，配置時選擇定時器1作為轉(zhuǎn)換觸發(fā)源，采樣率為512Hz。腦電模擬信號從PA0/ADC0 引腳輸入，參考電壓加在VREF+端。外圍電路設(shè)計有復(fù)位、晶振和調(diào)試接口，其中調(diào)試接口采用SWD 模式。

2.3 通信模塊設(shè)計

選用藍牙模塊HC-06 實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)無線傳輸，其體積小、功耗低且性能穩(wěn)定。HC-06 采用藍牙2.0 協(xié)議，內(nèi)置2.4GHz 天線，低電壓3.3V 工作，支持主從模式設(shè)置，配對連接成功后，可以忽略內(nèi)部通信協(xié)議直接將其作串口使用[5]。本系統(tǒng)藍牙模塊與主控芯片PA2/U2_TXD、PA3/U2_RXD引腳進行連接，與上位機通信波特率設(shè)置為115200 bit/s。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

便攜式腦電下位機軟件系統(tǒng)針對STM32F401RCT6 進行嵌入式編程，采用MDKARM 開發(fā)使用C 語言實現(xiàn)。下機位軟件流程如圖4 所示，下位機上電復(fù)位，初始化設(shè)備接收到采集信號命令后開啟ADC 轉(zhuǎn)換功能，將轉(zhuǎn)換后的腦電數(shù)據(jù)組包通過DMA 送至數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器經(jīng)藍牙傳輸至上位機。上位機GUI 則使用C#平臺編寫，主要負(fù)責(zé)監(jiān)聽通信端口、接收腦電數(shù)據(jù)并進行數(shù)字濾波、實時顯示及專注度分析，軟件總流程如圖5 所示。

圖4 下位機軟件流程圖

圖5 上位機軟件流程圖

當(dāng)PC 端接收到原始數(shù)據(jù)后，根據(jù)通信協(xié)議對原始數(shù)據(jù)解包。腦電信號特征提取是以腦電為信號源，確定各種參數(shù)并以此為向量組成表征信號特征，其特征參數(shù)主要包括時域和頻域兩類[6]。本系統(tǒng)采用功率譜分析即分析信號功率在頻域隨頻率的分布，具體以Welch 法實現(xiàn)即將長度為N 的數(shù)據(jù)x(n)分成L 段，每段分有M 個數(shù)據(jù)點，第i 段數(shù)據(jù)表示為：

將窗函數(shù)w(n)加至各數(shù)據(jù)段，求出各段周期圖，其中第i 段表示為：

各段周期圖近似看成互不相關(guān)，最后功率譜為：

在Matlab 中可直接調(diào)用pwelch 函數(shù)計算功率譜，再通過bandpower 函數(shù)提取特定頻段的功率信息。得到各頻段腦波功率后，我們直接進行專注度和放松度的分析，并以大腦活動活躍時產(chǎn)生β波中高β/低β比值作為專注度，以低α/高α 比值作為放松度，其中低α、高α、低β和高β 頻段分別在8~10Hz、10~12Hz、13~22Hz、23~35Hz[7]。

%計算各個節(jié)律頻帶的信號功率

本系統(tǒng)選擇C#作為軟件界面實現(xiàn)工具，利用Matlab function 函數(shù)將上述信號處理封裝并用deploytool 打包成dll，然后在C#中調(diào)用動態(tài)鏈接庫。需要注意混編數(shù)值類型轉(zhuǎn)換，通過下面代碼可實現(xiàn)：

4 研究結(jié)果

醫(yī)療電子設(shè)備向便攜化、智能化方向發(fā)展是必然趨勢[8]。為了實現(xiàn)本系統(tǒng)的便攜化，所選用元器件基本以SMT 安裝替代THT。除個別大功率器件外，包括主控芯片在內(nèi)的所有IC 均用貼片式，其中電阻電容選擇0402 封裝，而IC 器件引腳中心距更是由1.27mm 縮小至0.3mm，并在多層PCB 板上進行安裝極大地提高了單位面積上器件的密度體積，使本便攜式腦電采集系統(tǒng)更加小型化。在功耗方面本系統(tǒng)選擇采用功耗較低的運算放大器和電源管理芯片，并充分運用STM32 的低功耗模式。根據(jù)前述方案設(shè)計的采集系統(tǒng)由標(biāo)稱電壓3.7V、額定容量2400mAh 的聚合物鋰電池供電，包含腦電頭帶、腦電板及PVC 外殼如圖6 所示。系統(tǒng)動態(tài)工作電流小于200mA，共模抑制比大于100dB，頻率檢測范圍為1~29Hz，采樣頻率512Hz，雜音(50Hz)除去比可達60db 以上。

圖6 便攜式腦電圖儀

采用C#和Matlab 混編設(shè)計的顯示軟件效果如圖7 所示。軟件開始運行時會自動進入初始化，點擊開始監(jiān)測上位機直接顯示采集到的精準(zhǔn)腦電波形且基線漂移得到了很好的控制，并能夠顯示專注度情況，其中藍色代表放松度，橙色代表專注度。測試結(jié)果顯示受試者處于冥想狀態(tài)時藍色區(qū)域面積會增加，反之思考問題時該區(qū)域面積會減少。

圖7 上位機顯示界面

5 結(jié)語

針對國內(nèi)外腦電采集系統(tǒng)中存在的應(yīng)用需求，設(shè)計一種基于STM32 的便攜式腦電采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含信號采集處理模塊、STM32F407VE 主控模塊、HC-06 藍牙通信模塊和上位機顯示，并采用聚合物鋰電池供電，其中采集模塊中涵蓋前置放大器、濾波、主放大和電平提升等。所設(shè)計的系統(tǒng)體積小、功耗低，無線通信功能使得腦電數(shù)據(jù)傳輸和存儲更為便捷?；贑#和Matlab 混編的上位機軟件除能實時顯示腦電波形外還能進行專注度檢測，在腦電監(jiān)測及診斷等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用價值。