一款便攜式腦電采集系統的設計與實現研究

黃一清，俞荷娟

（蘇州高等職業技術學校（江蘇聯合職業技術學院蘇州分院）電子工程系，江蘇蘇州，215009）

0 前言

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

作為腦電信號采集的常用設備，腦電圖儀隨著超大規模集成電路和微處理控制技術的發展已進入全新的發展階段[2]。攜帶便捷、功耗出色、性能完善的腦電采集系統有著廣闊的應用前景。可以通過便攜式腦電圖儀實時監測腦電信號，尤其是預測癲癇患者發病時間及病灶定位，為病情的發現與診治贏得時間。近年來，隨著腦電信號部分節律與注意力維持關聯的逐步挖掘，通過腦電信號頻譜分析確定大腦專注力水平已成為風向，越來越多的研究人員著手于開發腦電圖儀用于專注力監測或訓練。

1 總體方案設計

系統總體框架如圖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成。本設計通過干電極頭帶實現前額腦電信號采集，處理硬件電路中設計有前置放大器，信號濾波、放大及電平提升，并通過32 位微控制器內置的模數轉換器（ADC）處理得到數字信號，最后經藍牙通信模塊傳輸至上位機進行存儲分析。

圖1 系統總體框圖

圖2 采集模塊電路

圖3 主控模塊電路

2 系統硬件設計

2.1 采集模塊設計

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計對于整個采集系統顯得尤為重要，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計有高低壓保護。本系統由INA128U 實現前置放大，該芯片為美國德州儀器公司生產的精密儀表放大器，共模抑制比可達130dB，增益由兩個2.8kΩ 外置電阻設定。經過前置放大處理后的信號通過RC 構成的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 構成的主放大器放大腦電信號。經過放大的腦電信號將再一次通過二階低通提取出~29Hz 頻段，經電平抬升1.65V 防止信號截止。

2.2 主控模塊設計

本系統采用ST 公司基于ARM Cortex-M3 內核開發的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作為轉換觸發源，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。外圍電路設計有復位、晶振和調試接口，其中調試接口采用SWD 模式。

2.3 通信模塊設計

選用藍牙模塊HC-06 實現采集數據無線傳輸，其體積小、功耗低且性能穩定。HC-06 采用藍牙2.0 協議，內置2.4GHz 天線，低電壓3.3V 工作，支持主從模式設置，配對連接成功后，可以忽略內部通信協議直接將其作串口使用[5]。本系統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置為115200 bit/s。

3 系統軟件設計

便攜式腦電下位機軟件系統針對STM32F401RCT6 進行嵌入式編程，采用MDKARM 開發使用C 語言實現。下機位軟件流程如圖4 所示，下位機上電復位，初始化設備接收到采集信號命令后開啟ADC 轉換功能，將轉換后的腦電數據組包通過DMA 送至數據發送緩沖器經藍牙傳輸至上位機。上位機GUI 則使用C#平臺編寫，主要負責監聽通信端口、接收腦電數據并進行數字濾波、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PC 端接收到原始數據后，根據通信協議對原始數據解包。腦電信號特征提取是以腦電為信號源，確定各種參數并以此為向量組成表征信號特征，其特征參數主要包括時域和頻域兩類[6]。本系統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 法實現即將長度為N 的數據x(n)分成L 段，每段分有M 個數據點，第i 段數據表示為：

將窗函數w(n)加至各數據段，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，最后功率譜為：

在Matlab 中可直接調用pwelch 函數計算功率譜，再通過bandpower 函數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]。

%計算各個節律頻帶的信號功率

本系統選擇C#作為軟件界面實現工具，利用Matlab function 函數將上述信號處理封裝并用deploytool 打包成dll，然后在C#中調用動態鏈接庫。需要注意混編數值類型轉換，通過下面代碼可實現：

4 研究結果

醫療電子設備向便攜化、智能化方向發展是必然趨勢[8]。為了實現本系統的便攜化，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更加小型化。在功耗方面本系統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。根據前述方案設計的采集系統由標稱電壓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。系統動態工作電流小于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，點擊開始監測上位機直接顯示采集到的精準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。測試結果顯示受試者處于冥想狀態時藍色區域面積會增加，反之思考問題時該區域面積會減少。

圖7 上位機顯示界面

5 結語

針對國內外腦電采集系統中存在的應用需求，設計一種基于STM32 的便攜式腦電采集系統，該系統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。所設計的系統體積小、功耗低，無線通信功能使得腦電數據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，在腦電監測及診斷等領域具有較大的應用價值。