基于STM32單片機的腦電圖機電極與頭皮接觸阻抗的測試系統設計

景維斌

（江蘇聯合職業技術學院徐州醫藥分院，江蘇 徐州 221000；江蘇省徐州醫藥高等職業學校，江蘇 徐州 221000）

腦電信號的獲取是通過腦電電極連接腦電圖機與人體頭皮從而將腦電信號采集出來。由于腦電信號極其微弱，所以在監測過程中容易受到外界的干擾，而電極和頭皮間接觸不良則是其中一個主要的干擾源。為了得到更真實準確的極其微弱的腦電信號，腦電圖機對電極與頭皮間的接觸阻抗的要求非常嚴格，接觸阻抗越小，引入的交流干擾越小，得到的反映腦電信號的波形的質量越高、越穩定，一般接觸阻抗應小于10KΩ。由于電極與頭皮間接觸的好壞是直接影響二者之間接觸阻抗大小的重要因素，因此，腦電圖機均配置有電極與頭皮接觸阻抗檢測電路。醫護人員在開始記錄腦電信號之前對各電極與頭皮間的接觸阻抗進行檢測，并在檢測完成后通過指示燈的指示來判斷各電極與頭皮間的接觸是否正常，以保證后續進行的腦電信號記錄的可靠性。

1.系統總體結構

基于STM32單片機的數字腦電圖機電極與頭皮接觸阻抗的測試系統總體結構如圖1所示。由腦電信號采集電路、信號處理電路、STM32F103ZET6單片機、阻抗測試電路和上位機等組成。其中信號處理電路由導聯選擇、前置放大器、低通濾波、二級放大器構成。系統讀取人體腦電信號，經信號處理電路進行預處理，將預處理后的信號經A/D轉換和光耦隔離電路送入單片機進行數據分析。單片機采集到的數值與10K阻抗值進行比較。若大于10K阻抗值，則說明頭皮與電極接觸不良，相應導聯指示燈亮；若小于10K阻抗值，則說明接觸良好，相應導聯指示燈不亮。其分析結果通過USB通訊接口傳輸到上位機顯示、處理，并通過Φ3綠色發光二極管對電極與頭皮接觸好壞進行直觀指示。

2.硬件電路設計

2.1 單片機的選取

本系統的單片機采用意法半導體公司基于Cortex-M3內核的32位微處理器STM32F103ZET6，該芯片最大工作頻率可達72MHz，擁有豐富的片內資源，如定時器、ADC、DAC、PWM和串口等，具有處理速度快、應用成本低、性價比高等特點。系統使用了該芯片12位高精度ADC、定時器和串口資源，使得硬件電路更加簡潔，提高了系統的集成性。

2.2 振蕩電路

由SA555構成多諧振蕩器電路。電路圖如圖2所示：

多諧振蕩器的振蕩周期公式：T=0.693×（R1+2R2）×C。其中，R1=10KΩ，R2是腦電圖電極與耳電極之間的阻抗，C=0.01μF。

2.3 指示燈控制電路

指示燈控制電路采用ZLG7289，電路圖如圖3所示：

圖3 指示燈控制電路

ZLG7289具有SPI串行接口功能的、可同時驅動8位共陰式數碼管或64只獨立LED的智能顯示驅動芯片。可以很方便地管理LED顯示，特別是LED數量比較多時，可以為系統節約大量的資源，ZLG7289內部含有顯示譯碼器，可直接接收BCD碼或16進制碼，并同時具有兩種譯碼方式。

3.軟件電路設計

單片機用一個定時器實現1s定時，用中斷實現脈沖計數。啟動1s定時，打開中斷開始計數，當定時1s時間到了，關閉中斷停止計數，中斷計數的值就是頻率值。通過公式T=0.693×（R1+2R2）×C計算的頻率值與電阻值的對應關系如下表1所示。

表1 頻率值與電阻值的對應關系

由表1可知，10K阻抗的頻率為4810Hz。進行頭皮阻抗測試時，單片機采集到的頻率值與4810Hz進行比較，若大于4810Hz則說明接觸不良，相應導聯的指示燈亮；若小于4810Hz，則說明接觸良好，相應導聯的指示燈不亮。一般檢測標準腦電16導聯，為了用戶更直觀地觀察，可以在上位機軟件模擬人的頭型電極放置位置安放16個指示燈，單片機通過USB通訊將采集的數值上傳到上位機，上位機進行數值判斷，進而用模擬的指示燈進行接觸好壞的指示。

程序流程圖如圖4所示：

圖 4 程序流程圖

4.結語

本文介紹了一款基于STM32單片機的腦電圖機電極與頭皮接觸阻抗的測試系統。介紹了系統總體設計方案，搭建了系統硬件平臺，闡述了軟件程序流程。通過測試，系統運行可靠，醫護人員在開始記錄腦電信號之前對各電極與頭皮間的接觸阻抗進行檢測，并在檢測完成后通過指示燈的指示來判斷各電極與頭皮間的接觸是否正常，以保證后續進行的腦電信號記錄的可靠性。