便携式多通道脑电信号采集系统

2022-08-03乐航宇朱子孚袁思念刘梓晨林高藏叶继伦张旭

中国医疗器械杂志 2022年4期

关键词：脑电板卡电信号

【作者】乐航宇，朱子孚，袁思念，刘梓晨，林高藏，叶继伦,，张旭,

1 深圳大学医学部生物医学工程学院，深圳市，518000

2 深圳市生物医学工程重点实验室，深圳市，518000

3 广东省生物医学信息检测与超声成像重点实验室，深圳市，518000

0 引言

随着新时代的发展，人们对于生物科学和脑科学的研究兴趣越来越强烈。脑电信号中包含大量丰富的脑活动信息，能够反映人体的某种特定状态，也能够反映出一些脑疾病相关的信息，是临床脑疾病诊断的重要手段[1-3]。

目前大多数脑电信号采集系统体积比较庞大，不便携带，且一般只能用于特定场合进行脑电信号的采集，对于实时地获取脑电信号极为不便[2]。为此，设计了一款便携式多通道脑电信号采集系统，该系统体积小、功耗低，脑电信号采集通道多达8路，非常适用于便携式可穿戴医疗设备，系统能够实时地采集脑电信号，并将脑电信号上传至上位机进行相关分析。

1 脑电信号测量原理和方案设计

1.1 EEG信号的产生及其特点

大脑是一个有大量的神经元互相连接的复杂动力学系统，大脑的神经细胞在活动状态时会产生电生理现象，在大脑活动时，大量的神经细胞同时发生突触，这些神经细胞总的电位变化会引起人脑皮层表面的电位变化，这个时候，使用脑电电极记录下的人脑电波变化就是脑电波（electroencephalogram,EEG）信号[4-5]。

脑电信号的产生一般分为自发脑电和诱发脑电两种，脑电信号幅度极其微弱，源阻抗小，正常的脑电信号只有几十微伏特，并且具有很强的随机性和非平稳性，频率成分丰富，容易受到外部噪声干扰[2]。在现有的脑电学科中，通常根据脑电信号的频率和幅度将脑电信号分为α波（8～13 Hz，20～100 μV）、β波（13～30 Hz，5～20 μV）、θ波（0.5～4 Hz，20～200 μV）、δ波（4～8 Hz，100～150 μV）[5-7]。波形特征如图1所示。

图1 脑电四种波形Fig.1 Four kinds of EEG waveforms

1.2 EEG采集电极导联方式

EEG测量是头皮上两点之间的电势差。在EEG采集中，按照测量电极是否用到参考电极，一般将电极导联分为两种：单级导联法和双级导联法。单级导联法是将一个电极作为参考电极，另一个电极作为作用电极，一般选择右耳作为参考电极；双级导联法不使用参考电极，两个电极均为作用电极，双极导联法一般要求两个左右电极间距在3 cm以上[7-9]。本系统EEG采集方式是单级导联方式，单级导联法如图2所示。

图2 单级导联法Fig.2 Single lead connection

1.3 系统整体方案

系统总体结构如图3所示。本系统由电源部分、信号预处理电路、信号采集电路、信号接收及处理器（microcontroller unit,MCU）等部分组成。

图3 系统总体结构Fig.3 System overall structure

2 系统硬件设计

2.1 电源部分

板卡电源输入电压为7 V。本设计的信号采集部分模拟集成芯片ADS1299供电可采用单级或者双级电源，ADS1299模拟电源范围为4.75～5.25 V，数字电源范围为1.8～3.6 V。本设计选择的MCU芯片STM32F103RCT6供电范围为2～3.6 V。为此系统硬件电路上设计5.0 V、3.3V、2.5 V、-2.5 V电源给各芯片供电。5.0 V电源作为板卡的二级电源，3.3 V电源分别给MCU和ADS1299数字部分供电，2.5 V、-2.5 V电源给ADS1299模拟部分供电。

TI公司的电源芯片MIC5219、MIC5205、TPS60400具有低压降、低噪声、高电源抑制比（PSRR）、低静态电流等要求，输入输出电压范围可以满足电流电源要求。因此，本设计选用以上芯片作为系统硬件的电源部分。

2.2 信号预处理部分

脑电信号能量极其微弱且其信噪比很低，在脑电信号的采集过程中，信号很容易受到环境噪声以及被测者本身的干扰，因此在脑电信号采集前一般需要对脑电信号进行预处理，以消除各种噪声和各种干扰，提高脑电信号的信噪比[10-12]。

2.3 信号采集部分

脑电信号具有很强的随机性和非平稳性，可以通过脑电电极提取人体脑电信号。脑电采集部分选用的是TI公司的ADS1299模拟采集前端，ADS1299的控制和数据传输接口采用串行外设接口（serial peripheral interface,SPI），芯片内部集成了24 bit模数转换器（analog-to-digital converter,ADC），采样频率可以提供最小250 Hz/s、最大16 kHz/s的同步采样频率，同时芯片集成了8路低噪声可编程增益放大器（programmable gain amplifier,PGA）和反馈信号处理电路，且ADS1299具有电极状态检测功能，可以通过程序编写激励电流源在器件内部实现导联脱落检测。

2.4 单片机部分

本系统选用S T（意法半导体）公司的STM32F1系列单片机中的STM32F103RCT6，这是一款基于ARM Cortex-M3内核的微处理器。其具有64个外部引脚、256 kB的FLASH和48 kB的SRAM。其外设资源丰富，最大运行速度可达 72 MHz，能够保证整个系统的流畅工作以及后续的系统功能扩展。

3 系统软件设计

3.1 下位机程序设计

下位机程序开发环境是基于Keil uVision5软件，流程如图4所示。上电后进入系统初始化，主要包括串口初始化、SPI初始化、外部中断初始化、相关GPIO初始化以及ADS1299初始化。当ADS1299采集数据完毕，ADS1299的DRAY引脚会输出一个高电平，高电平会触发单片机外部中断，之后进入脑电数据采集，每次数据采集都进行相应的数据处理，数据处理主要包括数据格式处理和信号滤波处理，数据处理后将数据通过串口发送至上位机。信号滤波处理的目的是滤除相关噪声，信号滤波处理的相关参数设置是基于Matlab的Filter Designer工具箱自动生成的。

图4 脑电下位机流程Fig.4 EEG lower machine flow

3.2 上位机程序设计

上位机开发平台基于微软公司开发的Visual Studio软件的C++语言编写。上位机平台可以实现8通道脑电波形实时显示、存储，还可以进行某通道信号实时分析频率特性以及系统自检功能。当脑电电极脱落时，上位机平台也会提示。图5为便携式多通道脑电采集系统的上位机主界面。

图5 上位机界面 Fig.5 Host computer interface

4 系统实现与测试

4.1 系统实现

通过上述设计，最终的便携式多通道脑电采集板卡实物如图6所示。板卡整体长80 mm，宽80 mm，厚约5 mm，板块通过外部串口板卡可实现供电和串口收发功能，通过外部的电极线可进行脑电信号的采集。

图6 多通道脑电采集板卡实物Fig.6 Physical diagram of multi-channel EEG acquisition sectino on board

经测试整个系统上电自检时间为3～4 s，经测量系统整体工作电流为45 mA，工作电压为7 V，系统总功耗为0.315 W，能够满足快速响应、实时测量的需求。

4.2 系统关键技术指标测试

为了验证系统的关键指标是否达标，按照JJG 1043—2008[13]、JJG 749—2007[14]等标准对脑电板卡基本性能进行测试，并与标准要求进行对比，如表1所示。

表1 系统关键指标测试对比Tab.1 System key index test comparison

由表1可知，本系统的脑电采集性能指标均达到标准或在其之上，可以满足基本的脑电信号采集功能。

4.3 系统其他技术指标测试

选用系统通道2 进行信号精度测试，将ADS1299通道2将ADS1299输入连接方式配置为方波信号输入模式。通过修改配置寄存器2，设置测试信号峰峰值为4×(VREFP-VREFN)/2 400，即4×(2.5-(-2.5))/2 400≈4.166 mV；设置测试信号频率为fCLK/221，fCLK=2.048 Hz，则测试信号频率为2.048/221≈0.98 Hz。上位机进行数据保存，用Matlab进行数据处理，测得信号峰峰值为4.162 mV，信号频率为1 Hz，与测试信号设置结果基本一致。信号精度测试结果如图7所示。