基于嵌入式处理器技术的便携式脑电图仪

傅梦云，霍楚龙，梁浩愉，陈传虎（通信作者）

江苏师范大学 （江苏徐州 221116）

脑电图仪是一种记录脑电信号（脑电波）的专用设备。该仪器通过电极记录脑细胞群的自发性、节律性电活动，然后将脑细胞电活动的电位作为纵轴，时间作为横轴，得到的电位与时间关系图即为脑电图。脑电图仪可用于对脑损伤、脑血栓、脑发育异常及新陈代谢和内分泌疾病进行诊断，尤其适用于对癫的诊断[1]。此外，通过脑电图仪研究人的脑电信号，可以掌握人脑部活动的规律，了解人的思维过程；提取人脑部活动规律的特征，并把这种特征应用于脑机接口[2]，可以实现直接通过人的思维控制机器设备。传统脑电图仪虽然可以满足以上医疗和研究的需求，但其体积大、不便携带，且仪器各部分采用导线相连，存在信号串扰现象，严重时会影响监测结果的准确性，进而影响正常的诊疗活动。基于此，本文设计了一种具有触摸显示屏的便携式脑电图仪，该设计通过信号调理电路与嵌入式处理器技术，完成对脑电信号的采集、存储、处理及传输等工作，可实时监测、分析患者的脑电信号，且具有体积小、便于携带的优势。

1 嵌入式处理器技术

根据美国电气电子工程师学会的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器或工厂运行的装置”，具有内核小、专用性强、系统精简、实时性高等特点，适用于实时性强且任务多的体系。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，集信息采集、转换、存储、处理与I/O 等功能于一体，被广泛应用于无线通信、工业控制、网络、医疗等领域。本设计中电极帽采集到的脑电信号经滤波放大后，再由嵌入式处理器存储处理，得到的数据通过通信接口传输，从而实现对脑电信号的监测。

2 总体设计

本设计由信号采集模块、信息存储处理模块、外部接口模块组成。信号采集模块的电极帽拾取微弱脑电信号，信号经过调理与采集后被送入嵌入式处理器和存储器中，最后通过通信接口在触摸显示屏上显示出来。系统总体设计见图1。

图1 便携式脑电图仪总体设计

2.1 信号采集模块

此模块选用BrainScience-Ⅱ型电极帽与盘状电极配合使用，基于国际标准10-20定位系统，无需电极定位操作。电极帽外皮的材质为医用弹性硅胶，可减轻长时间使用时盘状电极产生的压痛感，佩戴舒适，适合所有头型。

2.2 信息存储处理模块

2.2.1 信号调理与采集

随着医疗技术的飞速发展，对脑电信号的调理与采集技术也不断提升，出现了脑电信号调理电路[3]、脑机接口等技术。本设计主要采用脑电信号调理电路。

脑电信号是一种微弱的生物信号，频率集中在0.5～100.0 Hz，幅值仅为5～100 μV[4]，因此脑电信号易受到外部噪声的干扰；而本设计采用的脑电信号调理电路可先对脑电信号进行前级放大，再对放大后的脑电信号进行滤噪和后级放大调整，最后将其抬升至标准电压（0.0～3.3 V）[5]。

本设计所采用的电路分为前后级放大电路和滤波电路。脑电信号的微弱特性使其无法被一次性放大，需要多级逐步完成。在运算放大器输入端分别输入信号V1和V2时，则输出电压为：Rf为反馈电阻值。

输入电阻为：

其中，Rid为输入电阻，R1、R2为输入电阻值。

差动放大器的电路图见图2。

图2 差动放大器的电路图

本设计的放大电路部分采用同相放大器和差动放大器。前级放大电路采用同相放大器，可获得很高的输入阻抗；后级放大电路采用差动放大器，可获得很高的共模抑制比，增强电路的抗干扰能力。选择R1=R2，R3=R4，R5=R6，Rf=R7，则电路的电压放大倍数为：

其中，Au为电压放大倍数，V0为输出电压值，V1、V2为输入电压值，R、R1为输入电阻值，R3、R4为反馈电阻值，R5为一级放大器输出电阻值。

前后级放大电路的电路图见图3。

图3 前后级放大电路的电路图

滤波电路主要应用于滤除多余频率的脑电信号，使信号集中于对应范围内（0.5～100.0 Hz），同时滤除50 Hz 的工频干扰噪声[6]。本设计的滤波电路由上限频率为100.0 Hz 的二阶低通滤波器和下限频率为0.5 Hz 的二阶高通滤波器组成的带通滤波器（见图4）和50 Hz 带阻滤波器（见图5）构成，可满足对脑电信号的精准提取。

低通滤波器的传递系数为：

其中,Ad为差模电压增益，V0为输出电压值，V1、V2为输入电压值，R1、R2、R3为输入电阻值，

2.2.2 嵌入式处理器与存储器

由于本设计体积小及需要头部佩戴，必须考虑采用低功耗方式[7]，提高电源及器件的运行效率，及时关闭非工作状态下的器件，降低处理器的运行电压。本设计中的嵌入式处理器采用ST 公司的STM32F207微处理器，该处理器基于ARM 内核的32位MCU，处理单元功耗仅为188 uA/MHz，以120 MHz 高速运行时可达到150 DMIPS 的处理能力，工作电压设计为3 V，工作频率为60 MHz；同时，STM32F207微处理器集成了更多灵活创新的高性能外设及高容量的RAM 和FLASH 存储器，RAM 存储器可以满足数字滤波器的需求，FLASH 存储器不仅可以存储程序，还可以存储图片和设定参数。

2.3 外部接口模块

2.3.1 通信接口

选用普通ISP 接口。

2.3.2 触摸显示屏

采用USART-HMI 串口显示屏，支持多种通信接口（如TTL、CAN、RS232等），可根据使用者需求定制，横竖可控，具有极大的灵活性。屏幕尺寸统一采用30 cm×15 cm，尺寸较小，方便使用。本设计不仅具有良好的界面设计和图形布局，而且无需再外部接入控制电路，只需在界面修改即可完成。因此不仅可以提高人机交互的体验，同时也可使系统更加简洁通用。

3 主要参数设计

本设计的主要技术参数满足同等设备技术要求，见表1。

表1 主要技术参数

4 实验结果

本研究使用Multisim 仿真软件构建电路仿真图，在电路原理图的基础上进行仿真实验，在函数发生器界面设置信号参数，波形选用正弦波为参考，频率为60 Hz,占空比为50%，振幅为10 μV。通过观察检测结果可知，输出波形振幅为100 mV，与输入参数相比，信号放大了10 000倍，且无明显失真现象，证明了电路的放大与降噪作用。函数信号发生器界面见图6，实验结果见图7。

图6 函数信号发生器

图7 信号波形图

5 小结

本研究对脑电图仪进行模块化[8]，实现了仪器的小型化，通过脑电信号采集技术与调理电路完成了信号的采集与调理，在嵌入式处理器与储存器的作用下对脑电信号进行存储、处理及与外部的通信。本设计无需与计算机相连，减少了因多导线连接带来的信号串扰等问题，大大提高了系统工作时的信号准确性与容错率，整体成本也得以降低。下一阶段，我们将对产品及相应参数进行进一步评价，并将仪器用于对患者病情的诊断研究中。