楊善陽，張學(xué)軍,2

(1.南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210003； 2.江蘇省射頻集成與微組裝工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210003)

腦電信號(hào)在線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

楊善陽1，張學(xué)軍1,2

(1.南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210003；2.江蘇省射頻集成與微組裝工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210003)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)腦電信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，設(shè)計(jì)了一種基于ADS1299的無線腦電信號(hào)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，硬件部分由以ADS1299為核心構(gòu)成的信號(hào)采集模塊、ATmega328主控制模塊、RFD22301數(shù)據(jù)傳輸模塊組成；軟件部分則使用Java編寫上位機(jī)檢序，能夠?qū)崟r(shí)顯示與處理腦電信號(hào)。高共模抑制比和高信噪比的前置放大器設(shè)計(jì)是信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。同時(shí)，對(duì)經(jīng)典的雙T陷波電路進(jìn)行改進(jìn)，使得Q因子可調(diào)。通過一系列的采集和處理，最終實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)在上位機(jī)上的實(shí)時(shí)顯示。

腦電信號(hào)；ADS1299；放大器設(shè)計(jì)；陷波電路

0 引言

腦科學(xué)的研究已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展的時(shí)期，現(xiàn)階段用于腦電信號(hào)(Electro Encephalo Graphy, EEG)的采集設(shè)備通常體積龐大，價(jià)格昂貴，只能用于專業(yè)機(jī)構(gòu)和科研場(chǎng)所。而便攜式腦電采集設(shè)備的出現(xiàn)將改變這一現(xiàn)象，加快腦科學(xué)的普及[1]。

腦電信號(hào)[2]表征了大腦相關(guān)電流活動(dòng)，能夠反映人體(例如大部分癲癇患者)的特定狀態(tài)。當(dāng)離子流到達(dá)特定區(qū)域的電極時(shí)，吸引或者排斥金屬電極上的電子，進(jìn)而產(chǎn)生電勢(shì)差，由此測(cè)得任何兩電極之間的電壓值，EEG信號(hào)便記錄了該電壓隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過程。腦電信號(hào)非常微弱，一般只有50 μV左右，幅值范圍為5 μV～100 μV，極易淹沒在噪聲之中[3]。

本文針對(duì)腦電信號(hào)的以上特性，基于TI的ADS1299芯片設(shè)計(jì)出了分辨率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的便攜式腦電在線信號(hào)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 腦電信號(hào)采集系統(tǒng)

圖3 雙T陷波電路原理圖及波特圖

圖1中，將金屬電極一端放置在頭皮上，另一端接到放大電路的輸入端。一般來說，采集到的原始腦電信號(hào)中包含著各種各樣的偽跡成分，比如工頻干擾、眼電信號(hào)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的噪聲等。由于原始腦電信號(hào)幅值非常小，要將腦電信號(hào)放大至能被A/D轉(zhuǎn)換器所識(shí)別的大小，整個(gè)系統(tǒng)至少要實(shí)現(xiàn)上千倍增益。放大后的腦電信號(hào)經(jīng)過ADS1299被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在ATmega382的控制下，通過無線傳輸?shù)男问絺魉偷缴衔粰C(jī)。

2 硬件模塊

本系統(tǒng)硬件部分的主要任務(wù)就是對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行濾噪及放大，并將調(diào)理后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，發(fā)送至上位機(jī)。

2.1前置放大電路的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的前置放大電路具有低失調(diào)、高共模抑制比、高輸入阻抗、高增益等優(yōu)點(diǎn)，電路原理圖如圖2所示。電路中的增益為：

(1)

圖2 前置放大電路原理圖

2.250Hz陷波濾波器

由于電源的噪聲干擾，所需的腦電信號(hào)被完全淹沒，因此陷波電路必不可少[4]。圖3中對(duì)古典雙T 陷波濾波器進(jìn)行改進(jìn)，電橋的縱臂不接地，而是接到U2的輸出端。放大器將部分輸出信號(hào)反饋到縱臂，使得窄帶變窄，Q值提高。U1、U2都是電壓跟隨器組態(tài)，U1輸入阻抗高，U2輸入阻抗低，跟隨器的接入不影響雙T電路的諧振頻率。電路中的反饋系數(shù)為：

β=R4/(R4+R5)

有各種記錄全家旅行經(jīng)歷的方式，在這個(gè)項(xiàng)目中，我們會(huì)把一批圖片拼在一起來表現(xiàn)一個(gè)故事。我們的別出心裁之處在于，照片中沒有任何可辨識(shí)的面孔，只是表明有人存在而已。這樣做是為了讓人關(guān)注背景，好讓觀眾產(chǎn)生設(shè)身處地的體驗(yàn)。

(2)

而陷波器的Q值為：

Q=1/4(1-β)，0lt;βlt;1

(3)

由式(3)，當(dāng)β=0時(shí)，沒有反饋，Q=1/4。β越接近于1，Q值越大。該電路的特點(diǎn)是Q因子獨(dú)立可調(diào)。

圖4 低通濾波電路

2.3低通濾波器設(shè)計(jì)

進(jìn)一步對(duì)腦電信號(hào)的頻率段進(jìn)行濾波。尤其針對(duì)截止到30 Hz的β節(jié)律波段進(jìn)行分析，這就需要盡可能地濾除波段外干擾目標(biāo)頻段的噪聲頻率。電路設(shè)計(jì)如圖4所示，在31.23 Hz處的增益為0.71，并且從該點(diǎn)以一定比率降低，直到30 Hz處，信號(hào)的衰減因子為100。

2.4ADS1299

ADS 1299是系統(tǒng)硬件采集部分的核心器件，該芯片是TI公司專門為腦電信號(hào)采集而設(shè)計(jì)的[5]。其具有如下突出的特性:

(1)8個(gè)低噪聲可編程增益放大器(PGA)，其放大倍數(shù)可以是1,2,4,6,8,12或24；CMRR(共模抑制比)gt;110 dB。

(2)8個(gè)高分辨率同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。

(3)采樣頻率可工作在250 S/s和16KS/s之間。

(4)內(nèi)置偏置驅(qū)動(dòng)放大器和持續(xù)斷電檢測(cè)(LEAD-OFF Detection)功能。

本設(shè)計(jì)中ADS1299上的8個(gè)INN引腳作為輸入端，分別連接腦電圖帽上的8個(gè)電極，采集模擬信號(hào)。SRB2端連接參考電極，在芯片內(nèi)部與所有INP引腳相連。采集數(shù)據(jù)之前要對(duì)ADS1299進(jìn)行初始化。首先拉高PWDN引腳，芯片內(nèi)部上電；拉低REST引腳，芯片復(fù)位，拉低CS引腳，片選SPI接口。然后發(fā)送SDATAC命令，停止連續(xù)讀取模式。隨后發(fā)送START命令以及WREG命令，配置CONFIG1、CONFIG2、CONFIG3寄存器和各個(gè)通道的寄存器，設(shè)置額外功能。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，ADS1299等待讀取，初始化流程結(jié)束。

3 軟件模塊

考慮到將來需要將上位機(jī)移植到移動(dòng)端中去，結(jié)合Java跨平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中的上位機(jī)采用Java程序編寫[6]。上位機(jī)可以存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)顯示腦電波形，同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)的腦電信號(hào)進(jìn)行FFT變換，將FFT的結(jié)果顯示在屏幕的右下方。在腦電采集過程中，用戶在上位機(jī)界面上單擊“start system”開始腦電信號(hào)的采集和顯示，并且可以通過位于上位機(jī)界面上方的工具欄調(diào)整濾波器的參數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于基于SSVEP(穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位)[7]的腦電信號(hào)特征較為明顯，能夠在人腦的O1、O2電極處準(zhǔn)確地采集，因此可以用來測(cè)試腦電采集設(shè)備的效果。為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的腦電在線采集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)閃爍頻率為10 Hz的刺激界面。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，要求被試眼睛看著刺激界面，實(shí)驗(yàn)時(shí)間持續(xù)30 s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 腦電信號(hào)在線顯示

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的腦電采集設(shè)備能夠準(zhǔn)確獲取活躍電極的EEG信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過放大和數(shù)字濾波后，能夠很好地消除其噪聲僅留下需要的1 Hz～30 Hz頻率范圍的信號(hào)。預(yù)處理后的信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，即時(shí)通過無線傳輸?shù)男问剿腿肷衔粰C(jī)中。上位機(jī)將獲取的信號(hào)存在文件中并實(shí)時(shí)顯示出其時(shí)域波形和進(jìn)行FFT變換后的頻譜圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠以較高的分辨率測(cè)量到腦電信號(hào)，為后續(xù)將該EEG采集系統(tǒng)集成在FPGA平臺(tái)上提供了基礎(chǔ)。

[1] 張學(xué)軍,溫?zé)? 腦電信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(10):55-57.

[2] 徐寶國,宋愛國,費(fèi)樹岷.在線腦機(jī)接口中腦電信號(hào)的特征提取與分類方法[J].電子學(xué)報(bào),2011,39(5):1025-1030.

[3] 王三強(qiáng),何為,石堅(jiān).新型腦電信號(hào)前置級(jí)放大電路設(shè)計(jì)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,29(6):51-51.

[4] 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分(第五版)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5] 謝宏,李亞男,夏冰,等.基于ADS1299的可穿戴式腦電采集信號(hào)系統(tǒng)前端[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(3):86-89.

[6] 王保羅.Java面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[7] 徐光華，張鋒，謝俊，等. 穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦機(jī)-接口范式及其信號(hào)處理方法研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,46(6):1-7.

2017-03-30)

楊善陽(1992-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：SSVEP、腦機(jī)接口、嵌入式系統(tǒng)、腦電信號(hào)的控制系統(tǒng)。E-mail：18761859685@163.com。

張學(xué)軍(1969-),男，博士,教授,主要研究方向：智能信號(hào)處理、腦機(jī)接口技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)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

楊善陽，張學(xué)軍.腦電信號(hào)在線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(22)：112-114.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61271334)