一款便携式脑电采集系统的设计与实现研究

黄一清，俞荷娟

（苏州高等职业技术学校（江苏联合职业技术学院苏州分院）电子工程系，江苏苏州，215009）

0 前言

脑电是由中枢神经系统所产生的一种空间离散型非平稳随机信号[1]，其会随意识水平而呈现出不同的节律性活动，通常可以用头皮电极检测到相关变化。当大脑开展某事项时就会阻碍或加强某一特定节律，病理状态下脑电同样也会呈现显著差异。基于此，脑电对于脑部疾病诊断具有一定的参考价值，尤其为颅内病变和颅外损伤诊断等提供了科学依据。

作为脑电信号采集的常用设备，脑电图仪随着超大规模集成电路和微处理控制技术的发展已进入全新的发展阶段[2]。携带便捷、功耗出色、性能完善的脑电采集系统有着广阔的应用前景。可以通过便携式脑电图仪实时监测脑电信号，尤其是预测癫痫患者发病时间及病灶定位，为病情的发现与诊治赢得时间。近年来，随着脑电信号部分节律与注意力维持关联的逐步挖掘，通过脑电信号频谱分析确定大脑专注力水平已成为风向，越来越多的研究人员着手于开发脑电图仪用于专注力监测或训练。

1 总体方案设计

系统总体框架如图1 所示，主要由信号采集模块、主控模块、通信模块和上位机显示等部分构成。本设计通过干电极头带实现前额脑电信号采集，处理硬件电路中设计有前置放大器，信号滤波、放大及电平提升，并通过32 位微控制器内置的模数转换器（ADC）处理得到数字信号，最后经蓝牙通信模块传输至上位机进行存储分析。

图1 系统总体框图

图2 采集模块电路

图3 主控模块电路

2 系统硬件设计

2.1 采集模块设计

脑电信号为低频微弱信号，易受极化电压、工频干扰，其幅值为5-200µV，频率集中在0.5~30Hz[3]。因此脑电前端电路设计对于整个采集系统显得尤为重要，必须选用高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声低漂移的低频放大器[4]。信号源与前置放大电路之间设计有高低压保护。本系统由INA128U 实现前置放大，该芯片为美国德州仪器公司生产的精密仪表放大器，共模抑制比可达130dB，增益由两个2.8kΩ 外置电阻设定。经过前置放大处理后的信号通过RC 构成的fc=0.2Hz 的一阶高通滤波器进一步滤波。50Hz 工频干扰滤除采用双T 型有源陷波器，再通过OP2177 构成的主放大器放大脑电信号。经过放大的脑电信号将再一次通过二阶低通提取出~29Hz 频段，经电平抬升1.65V 防止信号截止。

2.2 主控模块设计

本系统采用ST 公司基于ARM Cortex-M3 内核开发的32 位微控制器STM32F401RCT6 作为主控芯片。该芯片带有12 位ADC，其参考电压为3.3V，配置时选择定时器1作为转换触发源，采样率为512Hz。脑电模拟信号从PA0/ADC0 引脚输入，参考电压加在VREF+端。外围电路设计有复位、晶振和调试接口，其中调试接口采用SWD 模式。

2.3 通信模块设计

选用蓝牙模块HC-06 实现采集数据无线传输，其体积小、功耗低且性能稳定。HC-06 采用蓝牙2.0 协议，内置2.4GHz 天线，低电压3.3V 工作，支持主从模式设置，配对连接成功后，可以忽略内部通信协议直接将其作串口使用[5]。本系统蓝牙模块与主控芯片PA2/U2_TXD、PA3/U2_RXD引脚进行连接，与上位机通信波特率设置为115200 bit/s。

3 系统软件设计

便携式脑电下位机软件系统针对STM32F401RCT6 进行嵌入式编程，采用MDKARM 开发使用C 语言实现。下机位软件流程如图4 所示，下位机上电复位，初始化设备接收到采集信号命令后开启ADC 转换功能，将转换后的脑电数据组包通过DMA 送至数据发送缓冲器经蓝牙传输至上位机。上位机GUI 则使用C#平台编写，主要负责监听通信端口、接收脑电数据并进行数字滤波、实时显示及专注度分析，软件总流程如图5 所示。

图4 下位机软件流程图

图5 上位机软件流程图

当PC 端接收到原始数据后，根据通信协议对原始数据解包。脑电信号特征提取是以脑电为信号源，确定各种参数并以此为向量组成表征信号特征，其特征参数主要包括时域和频域两类[6]。本系统采用功率谱分析即分析信号功率在频域随频率的分布，具体以Welch 法实现即将长度为N 的数据x(n)分成L 段，每段分有M 个数据点，第i 段数据表示为：

将窗函数w(n)加至各数据段，求出各段周期图，其中第i 段表示为：

各段周期图近似看成互不相关，最后功率谱为：

在Matlab 中可直接调用pwelch 函数计算功率谱，再通过bandpower 函数提取特定频段的功率信息。得到各频段脑波功率后，我们直接进行专注度和放松度的分析，并以大脑活动活跃时产生β波中高β/低β比值作为专注度，以低α/高α 比值作为放松度，其中低α、高α、低β和高β 频段分别在8~10Hz、10~12Hz、13~22Hz、23~35Hz[7]。

%计算各个节律频带的信号功率

本系统选择C#作为软件界面实现工具，利用Matlab function 函数将上述信号处理封装并用deploytool 打包成dll，然后在C#中调用动态链接库。需要注意混编数值类型转换，通过下面代码可实现：

4 研究结果

医疗电子设备向便携化、智能化方向发展是必然趋势[8]。为了实现本系统的便携化，所选用元器件基本以SMT 安装替代THT。除个别大功率器件外，包括主控芯片在内的所有IC 均用贴片式，其中电阻电容选择0402 封装，而IC 器件引脚中心距更是由1.27mm 缩小至0.3mm，并在多层PCB 板上进行安装极大地提高了单位面积上器件的密度体积，使本便携式脑电采集系统更加小型化。在功耗方面本系统选择采用功耗较低的运算放大器和电源管理芯片，并充分运用STM32 的低功耗模式。根据前述方案设计的采集系统由标称电压3.7V、额定容量2400mAh 的聚合物锂电池供电，包含脑电头带、脑电板及PVC 外壳如图6 所示。系统动态工作电流小于200mA，共模抑制比大于100dB，频率检测范围为1~29Hz，采样频率512Hz，杂音(50Hz)除去比可达60db 以上。

图6 便携式脑电图仪

采用C#和Matlab 混编设计的显示软件效果如图7 所示。软件开始运行时会自动进入初始化，点击开始监测上位机直接显示采集到的精准脑电波形且基线漂移得到了很好的控制，并能够显示专注度情况，其中蓝色代表放松度，橙色代表专注度。测试结果显示受试者处于冥想状态时蓝色区域面积会增加，反之思考问题时该区域面积会减少。

图7 上位机显示界面

5 结语

针对国内外脑电采集系统中存在的应用需求，设计一种基于STM32 的便携式脑电采集系统，该系统包含信号采集处理模块、STM32F407VE 主控模块、HC-06 蓝牙通信模块和上位机显示，并采用聚合物锂电池供电，其中采集模块中涵盖前置放大器、滤波、主放大和电平提升等。所设计的系统体积小、功耗低，无线通信功能使得脑电数据传输和存储更为便捷。基于C#和Matlab 混编的上位机软件除能实时显示脑电波形外还能进行专注度检测，在脑电监测及诊断等领域具有较大的应用价值。