基于STM32单片机的脑电图机电极与头皮接触阻抗的测试系统设计

景维斌

（江苏联合职业技术学院徐州医药分院，江苏 徐州 221000；江苏省徐州医药高等职业学校，江苏 徐州 221000）

脑电信号的获取是通过脑电电极连接脑电图机与人体头皮从而将脑电信号采集出来。由于脑电信号极其微弱，所以在监测过程中容易受到外界的干扰，而电极和头皮间接触不良则是其中一个主要的干扰源。为了得到更真实准确的极其微弱的脑电信号，脑电图机对电极与头皮间的接触阻抗的要求非常严格，接触阻抗越小，引入的交流干扰越小，得到的反映脑电信号的波形的质量越高、越稳定，一般接触阻抗应小于10KΩ。由于电极与头皮间接触的好坏是直接影响二者之间接触阻抗大小的重要因素，因此，脑电图机均配置有电极与头皮接触阻抗检测电路。医护人员在开始记录脑电信号之前对各电极与头皮间的接触阻抗进行检测，并在检测完成后通过指示灯的指示来判断各电极与头皮间的接触是否正常，以保证后续进行的脑电信号记录的可靠性。

1.系统总体结构

基于STM32单片机的数字脑电图机电极与头皮接触阻抗的测试系统总体结构如图1所示。由脑电信号采集电路、信号处理电路、STM32F103ZET6单片机、阻抗测试电路和上位机等组成。其中信号处理电路由导联选择、前置放大器、低通滤波、二级放大器构成。系统读取人体脑电信号，经信号处理电路进行预处理，将预处理后的信号经A/D转换和光耦隔离电路送入单片机进行数据分析。单片机采集到的数值与10K阻抗值进行比较。若大于10K阻抗值，则说明头皮与电极接触不良，相应导联指示灯亮；若小于10K阻抗值，则说明接触良好，相应导联指示灯不亮。其分析结果通过USB通讯接口传输到上位机显示、处理，并通过Φ3绿色发光二极管对电极与头皮接触好坏进行直观指示。

2.硬件电路设计

2.1 单片机的选取

本系统的单片机采用意法半导体公司基于Cortex-M3内核的32位微处理器STM32F103ZET6，该芯片最大工作频率可达72MHz，拥有丰富的片内资源，如定时器、ADC、DAC、PWM和串口等，具有处理速度快、应用成本低、性价比高等特点。系统使用了该芯片12位高精度ADC、定时器和串口资源，使得硬件电路更加简洁，提高了系统的集成性。

2.2 振荡电路

由SA555构成多谐振荡器电路。电路图如图2所示：

多谐振荡器的振荡周期公式：T=0.693×（R1+2R2）×C。其中，R1=10KΩ，R2是脑电图电极与耳电极之间的阻抗，C=0.01μF。

2.3 指示灯控制电路

指示灯控制电路采用ZLG7289，电路图如图3所示：

图3 指示灯控制电路

ZLG7289具有SPI串行接口功能的、可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片。可以很方便地管理LED显示，特别是LED数量比较多时，可以为系统节约大量的资源，ZLG7289内部含有显示译码器，可直接接收BCD码或16进制码，并同时具有两种译码方式。

3.软件电路设计

单片机用一个定时器实现1s定时，用中断实现脉冲计数。启动1s定时，打开中断开始计数，当定时1s时间到了，关闭中断停止计数，中断计数的值就是频率值。通过公式T=0.693×（R1+2R2）×C计算的频率值与电阻值的对应关系如下表1所示。

表1 频率值与电阻值的对应关系

由表1可知，10K阻抗的频率为4810Hz。进行头皮阻抗测试时，单片机采集到的频率值与4810Hz进行比较，若大于4810Hz则说明接触不良，相应导联的指示灯亮；若小于4810Hz，则说明接触良好，相应导联的指示灯不亮。一般检测标准脑电16导联，为了用户更直观地观察，可以在上位机软件模拟人的头型电极放置位置安放16个指示灯，单片机通过USB通讯将采集的数值上传到上位机，上位机进行数值判断，进而用模拟的指示灯进行接触好坏的指示。

程序流程图如图4所示：

图 4 程序流程图

4.结语

本文介绍了一款基于STM32单片机的脑电图机电极与头皮接触阻抗的测试系统。介绍了系统总体设计方案，搭建了系统硬件平台，阐述了软件程序流程。通过测试，系统运行可靠，医护人员在开始记录脑电信号之前对各电极与头皮间的接触阻抗进行检测，并在检测完成后通过指示灯的指示来判断各电极与头皮间的接触是否正常，以保证后续进行的脑电信号记录的可靠性。