基于双ADS1298的多导联脑电采集仪的研究设计

景维斌

（江苏省徐州医药高等职业学校 江苏省徐州市 221116）

1 背景

人体的脑电信号是大脑中的神经元细胞在大脑皮层上的电位变化信号，反应了神经元细胞生理活动情况，包含很多有关身体健康的信息。采集脑电信号并提取脑电特征成为研究人脑工作机理和病理分析的有效方法。脑电信号非常微弱，幅值一般在毫伏的等级，频率在0.5Hz至100Hz间，且极易受噪声干扰。因此研究设计一款多导联、低功耗的脑电信号采集仪具有重要的实际意义和应用价值。

近年来，脑电信号采集仪的研究设计层出不穷。左超华设计了一种脑电采集仪，并研究了脑电信号的处理方法，但其设计的采集仪仅能采集单个导联的数据。陶熔铸针对非接触式干电极提出了AE芯片与BE芯片配合工作的四通道脑电信号测量接口专用集成电路设计方案。高广恒等人设计一套应用于自由活动动物脑电信号采集与分析的便携式装置,成功获取动物脑电信号，实现小型化。陈健宁等人设计了无线多通道肌电信号采集系统，成功采集肌电信号，但肌电信号幅值大于脑电信号。本文采用双ADS1298设计多导联脑电采集仪，可以实现多达16导联的脑电信号同步采样。

2 系统设计原理

脑电信号采集仪采用ADS1298作为信号采集前端，单导联输入，以左右耳垂作为零电位点，测量各导联至耳垂之间的电压差值作为每个导联的信号。同时可以根据需要设置ADS1298的信号采样频率，捕捉更加敏感的频率成份，便于后期的数据分析。主控芯片采用新塘低功耗单片机NANO100，主控制器具有按键控制和声光报警提示的功能，同时主控芯片驱动液晶显示屏显示各个导联的波形，便于医生定性的判断信号质量。此外，具有TF卡存储功能，将采集到的数据实时存储下来，有利于借助专业的脑电信号处理工具进行离线数据分析。蓝牙实时传输单导联数据至上位机，可以在上位机上实时处理采集到的数据，对脑电信号的采集质量做定性的判断。采集前端芯片ADS1298与普通的运放电路相比，因其极高的集成度可以大大降低采用运放级联产生噪声和温漂。脑电信号采集仪整体结构如图1所示。

图1中每个通道采用差分输入的方式测量大脑皮层电极和耳垂间的电压值，信号经过低通滤波器后进入ADS1298信号采集前端，从硬件方面滤除高频信号的干扰。ADS1298与主控芯片间采用SPI接口进行通信，读取ADS1298数据并将其通过SPI数据通信的方式存储到存储器TF卡中。主控芯片在TF卡中存储数据的同时还可以UART串口通信的方式传送至蓝牙芯片CC2540，实现单导联数据在上位机中实时显示和数据处理。

图1：采集仪整体结构示意图

2.1 硬件低通滤波器设计

采用一阶RC滤波电路，16个通道均采用一样的滤波电路。人体脑电的信号频率大多集中在0.5～100Hz，一阶RC滤波器的截止频率设为159Hz。系统电路设计时，整个PCB板中含有数字电路接地和模拟电路接地，要将两种“地”经过零欧姆电阻串接分割，否则数字电路的电压波动会对信号产生严重的干扰。所以需要将模拟地和数字地分开，RC滤波器中的电容需接模拟地。

2.2 采集前端设计

脑电信号采集前端芯片采用ADS1298。ADS1298芯片是专门用于生物电位测量的低功耗、8通道、24位模拟前端芯片，可用于脑电、心电和肌电等信号的测量。因单个ADS1298芯片最多可以测量8路信号，16导联脑电采集仪需要使用2个芯片，为实现16通道数据同步采样，2个芯片之间采用菊花链的串接的方式连接，菊花链串接示意图如图2所示。本设计中使用的采样频率低于32k，两个芯片菊花链串接时在每个数据集之间需要发出一个额外的时钟脉冲。ADS1298与主控芯片间以SPI的方式进行数据通讯。实际电路图如图3所示。

图2：ADS1298菊花链连接方式

图3：ADS1298实际电路图

2.3 主控芯片选择

主控芯片采用低功耗的NANO100芯片。NANO100是新塘公司生产的超低功耗的32-位内嵌ARM®Cortex™-M0核的微控制器。工作在1.8V到3.6V的宽电压范围，最高可运行到42MHz，提供高性能的外围接口连接，如UART, SPI, I2C, I2S, GPIOs。NANO100最小系统中包含复位电路、2个晶振时钟电路和1个程序下载电路。最小系统电路图如图4所示。

图4：NANO100最小系统电路原理图

3 信号仿真与数据处理

3.1 信号采集

采用郑州市先达电子科技有限公司生产的ECG-3智能心脑电图机心电监护仪检定仪。检定仪产生10Hz、8uV的正弦信号送至脑电采集仪的16个导联，采集仪以250Hz的采样频率连续采集约20s的数据。信号时域波形和频谱如图5和图6所示。此处时域波形中的幅值未进行工程量换算，从其波形中可看出一个波形稠密，波形包络的频率约为0.5Hz。从采集数据的频谱中可以看出，50Hz的频率成分能量特别大，检定仪输出的10Hz频率在频谱中能量特小，说明采集到的数据，50Hz工频干扰非常严重，频率10Hz的有效信号被淹没在工频干扰中，需要对采集到的信号进行陷波和低通滤波处理。

图5：脑电时域波形

图6：脑电时域波形频谱

3.2 信号处理

从数据频率图中获知，数据50Hz工频干扰严重，且含有高频成份。首先设计50Hz数字陷波器。50Hz陷波器是一种简单的二阶IIR滤波器，其幅度响应在50Hz频率上为零，可用来消除该频率分量。50Hz数字陷波器系统传递函数如下：

其中：

ω=2πf/f：陷波数字频率(rad)；

f：陷波频率(Hz)；

f：取样频率(Hz)；

r：常数。

采用椭圆滤波器设计截止频率为100Hz的低通滤波器，椭圆滤波器又被称为考尔滤波器，其是一种在通带和阻带等波纹特性的滤波器，通带、阻带逼近特性良好。采用的椭圆低通滤波器的伯德图如图7所示。

图7：椭圆低通滤波器的伯德图

脑电数据信号首先经过50Hz陷波，陷波后的波形和频谱如图8和图9所示。时域波形中，幅值较大的50Hz工频被有效的滤除，在信号的初始阶段出现滤波滞后现象。在频谱中可以明显看出50Hz工频干扰信号消失，10Hz的有效频率成份幅值明显。

图8：脑电数据陷波后的时域波形

图9：脑电数据陷波后的频谱

陷波后的数据有效地滤除了50Hz的工频干扰，但频谱中其他频率成份的信号幅值依然较大，对10Hz的正弦波信号存在较大的干扰，还需进一步处理。再对其进行低通滤波，滤除50Hz以上的频率成份，提取10Hz的正弦波信号。从滤波后的图中可以看出，频谱中10Hz信号成份明显，时域波形中正弦波趋势明显，但波形中含有毛刺，依然存在干扰。

3.3 信噪比降噪

本设计采用一种信噪比降噪方法将低于频谱中最高值90%的频率成份全部滤除。此方法仅对离线处理脑电数据较为理想，在实际动脑数据的处理过程中可以采用类似微积分等方法分时段处理。采用信噪比降噪法后，脑电数据中低于10Hz频率幅值90%的频谱成份都被视为干扰，将频谱中低于主要频率90%的成份滤除后，在时域波形中可以得到纯净的正弦波信号，频谱中10Hz清晰无其他频率成份干扰。

4 结论

本文采用双ADS1298作为信号采集前端，NANO100作为主控芯片成功设计多导联脑电采集仪，仿真结果表明，采集仪可实现16通道同步采样，精度达到8uV。