脑电信号在线采集系统设计与实现*

杨善阳，张学军,2

(1.南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210003； 2.江苏省射频集成与微组装工程实验室，江苏 南京 210003)

脑电信号在线采集系统设计与实现*

杨善阳1，张学军1,2

(1.南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京210003；2.江苏省射频集成与微组装工程实验室，江苏 南京210003)

为了实现对脑电信号的实时采集，设计了一种基于ADS1299的无线脑电信号采集系统。该系统由硬件和软件两部分构成，硬件部分由以ADS1299为核心构成的信号采集模块、ATmega328主控制模块、RFD22301数据传输模块组成；软件部分则使用Java编写上位机检序，能够实时显示与处理脑电信号。高共模抑制比和高信噪比的前置放大器设计是信号采集模块设计的关键。同时，对经典的双T陷波电路进行改进，使得Q因子可调。通过一系列的采集和处理，最终实现脑电信号在上位机上的实时显示。

脑电信号；ADS1299；放大器设计；陷波电路

0 引言

脑科学的研究已经进入高速发展的时期，现阶段用于脑电信号(Electro Encephalo Graphy, EEG)的采集设备通常体积庞大，价格昂贵，只能用于专业机构和科研场所。而便携式脑电采集设备的出现将改变这一现象，加快脑科学的普及[1]。

脑电信号[2]表征了大脑相关电流活动，能够反映人体(例如大部分癫痫患者)的特定状态。当离子流到达特定区域的电极时，吸引或者排斥金属电极上的电子，进而产生电势差，由此测得任何两电极之间的电压值，EEG信号便记录了该电压随时间的动态变化过程。脑电信号非常微弱，一般只有50 μV左右，幅值范围为5 μV～100 μV，极易淹没在噪声之中[3]。

本文针对脑电信号的以上特性，基于TI的ADS1299芯片设计出了分辨率高、实时性强的便携式脑电在线信号采集系统。

1 系统总体设计

图1 脑电信号采集系统

图3 双T陷波电路原理图及波特图

图1中，将金属电极一端放置在头皮上，另一端接到放大电路的输入端。一般来说，采集到的原始脑电信号中包含着各种各样的伪迹成分，比如工频干扰、眼电信号和实验环境下的噪声等。由于原始脑电信号幅值非常小，要将脑电信号放大至能被A/D转换器所识别的大小，整个系统至少要实现上千倍增益。放大后的脑电信号经过ADS1299被转换成数字信号，在ATmega382的控制下，通过无线传输的形式传送到上位机。

2 硬件模块

本系统硬件部分的主要任务就是对脑电信号进行滤噪及放大，并将调理后的信号转换为数字形式，发送至上位机。

2.1前置放大电路的设计

本文设计的前置放大电路具有低失调、高共模抑制比、高输入阻抗、高增益等优点，电路原理图如图2所示。电路中的增益为：

(1)

图2 前置放大电路原理图

2.250Hz陷波滤波器

由于电源的噪声干扰，所需的脑电信号被完全淹没，因此陷波电路必不可少[4]。图3中对古典双T 陷波滤波器进行改进，电桥的纵臂不接地，而是接到U2的输出端。放大器将部分输出信号反馈到纵臂，使得窄带变窄，Q值提高。U1、U2都是电压跟随器组态，U1输入阻抗高，U2输入阻抗低，跟随器的接入不影响双T电路的谐振频率。电路中的反馈系数为：

β=R4/(R4+R5)

有各种记录全家旅行经历的方式，在这个项目中，我们会把一批图片拼在一起来表现一个故事。我们的别出心裁之处在于，照片中没有任何可辨识的面孔，只是表明有人存在而已。这样做是为了让人关注背景，好让观众产生设身处地的体验。

(2)

而陷波器的Q值为：

Q=1/4(1-β)，0lt;βlt;1

(3)

由式(3)，当β=0时，没有反馈，Q=1/4。β越接近于1，Q值越大。该电路的特点是Q因子独立可调。

图4 低通滤波电路

2.3低通滤波器设计

进一步对脑电信号的频率段进行滤波。尤其针对截止到30 Hz的β节律波段进行分析，这就需要尽可能地滤除波段外干扰目标频段的噪声频率。电路设计如图4所示，在31.23 Hz处的增益为0.71，并且从该点以一定比率降低，直到30 Hz处，信号的衰减因子为100。

2.4ADS1299

ADS 1299是系统硬件采集部分的核心器件，该芯片是TI公司专门为脑电信号采集而设计的[5]。其具有如下突出的特性:

(1)8个低噪声可编程增益放大器(PGA)，其放大倍数可以是1,2,4,6,8,12或24；CMRR(共模抑制比)gt;110 dB。

(2)8个高分辨率同步采样模数转换器(ADC)。

(3)采样频率可工作在250 S/s和16KS/s之间。

(4)内置偏置驱动放大器和持续断电检测(LEAD-OFF Detection)功能。

本设计中ADS1299上的8个INN引脚作为输入端，分别连接脑电图帽上的8个电极，采集模拟信号。SRB2端连接参考电极，在芯片内部与所有INP引脚相连。采集数据之前要对ADS1299进行初始化。首先拉高PWDN引脚，芯片内部上电；拉低REST引脚，芯片复位，拉低CS引脚，片选SPI接口。然后发送SDATAC命令，停止连续读取模式。随后发送START命令以及WREG命令，配置CONFIG1、CONFIG2、CONFIG3寄存器和各个通道的寄存器，设置额外功能。最后进行数据采集，ADS1299等待读取，初始化流程结束。

3 软件模块

考虑到将来需要将上位机移植到移动端中去，结合Java跨平台的优点，本设计中的上位机采用Java程序编写[6]。上位机可以存储并实时显示脑电波形，同时对存储的脑电信号进行FFT变换，将FFT的结果显示在屏幕的右下方。在脑电采集过程中，用户在上位机界面上单击“start system”开始脑电信号的采集和显示，并且可以通过位于上位机界面上方的工具栏调整滤波器的参数。

4 实验结果

由于基于SSVEP(稳态视觉诱发电位)[7]的脑电信号特征较为明显，能够在人脑的O1、O2电极处准确地采集，因此可以用来测试脑电采集设备的效果。为验证本文设计的脑电在线采集系统，设计了一个闪烁频率为10 Hz的刺激界面。实验开始时，要求被试眼睛看着刺激界面，实验时间持续30 s。实验结果如图5所示。

图5 脑电信号在线显示

5 结论

本文设计的脑电采集设备能够准确获取活跃电极的EEG信号，该信号经过放大和数字滤波后，能够很好地消除其噪声仅留下需要的1 Hz～30 Hz频率范围的信号。预处理后的信号通过模数转换后，即时通过无线传输的形式送入上位机中。上位机将获取的信号存在文件中并实时显示出其时域波形和进行FFT变换后的频谱图。实验结果表明，本文设计的系统能够以较高的分辨率测量到脑电信号，为后续将该EEG采集系统集成在FPGA平台上提供了基础。

[1] 张学军,温炜. 脑电信号调理电路设计[J]. 微型机与应用，2016,35(10):55-57.

[2] 徐宝国,宋爱国,费树岷.在线脑机接口中脑电信号的特征提取与分类方法[J].电子学报,2011,39(5):1025-1030.

[3] 王三强,何为,石坚.新型脑电信号前置级放大电路设计[J].重庆大学学报，2006,29(6):51-51.

[4] 康华光. 电子技术基础模拟部分(第五版)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5] 谢宏,李亚男,夏冰,等.基于ADS1299的可穿戴式脑电采集信号系统前端[J].电子技术应用,2014,40(3):86-89.

[6] 王保罗.Java面向对象程序设计[M]. 北京：清华大学出版社，2003.

[7] 徐光华，张锋，谢俊，等. 稳态视觉诱发电位的脑机-接口范式及其信号处理方法研究[J].西安交通大学学报，2015,46(6):1-7.

2017-03-30)

杨善阳(1992-)，通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：SSVEP、脑机接口、嵌入式系统、脑电信号的控制系统。E-mail：18761859685@163.com。

张学军(1969-),男，博士,教授,主要研究方向：智能信号处理、脑机接口技术、嵌入式系统等。

Design and implementation of on-line EEG signal acquisition system

Yang Shanyang1, Zhang Xuejun1,2

(1. School of Electronic Science and Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China; 2. Jiangsu Province Engineering Lab of RF integration amp; Micro-package, Nanjing 210003, China)

To collect the real-time EEG signal on-line, this paper puts forward a novel AD1299 wireless EEG signal acquisition system. This system consists of hardware and software. The hardware is composed of three modules: ADS1299-centred signal collection module, ATmega328-controlled module and RFD22301 data transfer module. The software is realized with the Java computer program to display and handle the EEG signal on the PC. High common mode rejection ratio and large signal-noise ratio preamplifier design is a significant design of the signal acquisition procedure. Meanwhile, an advancement in the double T notch circuit makes theQfactor variable. Finally, the EEG signal can be collected and in real time displayed on the PC through a series treatments.

EEG; ADS1299; amplifier design; notch circuit

TN98

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.22.030

杨善阳，张学军.脑电信号在线采集系统设计与实现J.微型机与应用，2017,36(22)：112-114.

国家自然科学基金项目(61271334)