劉亞，伍倚明，李承煒，陳軍，吳凱，4，5

1.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，廣東廣州510006；2.廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，廣東廣州510663；3.廣東省醫(yī)療器械研究所，廣東廣州510500；4.廣東省老年癡呆診斷與康復(fù)工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510500；5.廣東省精神疾病轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510370

前言

隨著便攜式醫(yī)療裝置的發(fā)展，便攜式腦電檢測(cè)裝置的研究也得到快速發(fā)展。傳統(tǒng)的腦電圖（EEG）一般采用有線方式，采集導(dǎo)聯(lián)數(shù)較多，處理能力較強(qiáng)，但這類(lèi)裝置往往存在操作復(fù)雜和裝置體積笨重以及用戶體驗(yàn)差等問(wèn)題［1］。而便攜式腦電檢測(cè)裝置具有諸多優(yōu)點(diǎn)：裝置小巧便攜，交互體驗(yàn)好，可在不同使用場(chǎng)景下長(zhǎng)時(shí)連續(xù)地進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，檢測(cè)成本與維護(hù)費(fèi)用低，操作方法相對(duì)簡(jiǎn)單。因而，開(kāi)發(fā)出可靠的便攜式生理參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置具有廣泛的科學(xué)研究?jī)r(jià)值與市場(chǎng)應(yīng)用前景。

本研究基于TI半導(dǎo)體公司的集成模擬前端芯片ADS1299進(jìn)行設(shè)計(jì)［2］，集成模擬前端芯片采用24位Σ-ΔADC對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并結(jié)合藍(lán)牙4.0無(wú)線傳輸模塊，該腦電檢測(cè)裝置具有體積小、功耗低、精度高等優(yōu)點(diǎn)，并通過(guò)電源管理與低功耗設(shè)計(jì)從而降低設(shè)備功耗，運(yùn)用單片機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)腦電采集功能，通過(guò)程序配置內(nèi)部測(cè)試信號(hào)，從而驗(yàn)證ADS1299的精確性與低噪聲特性［3］，最大限度地將腦電檢測(cè)服務(wù)延伸到院外，能夠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、實(shí)時(shí)以及在線監(jiān)護(hù)。

1 便攜式腦電檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)方案

便攜式腦電檢測(cè)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括集成模擬前端ADS1299腦電采集電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)及電源管理電路設(shè)計(jì)3大部分。便攜式腦電設(shè)備通過(guò)腦電電極采集使用者腦電信號(hào)，然后通過(guò)集成模擬前端芯片ADS1299對(duì)模擬腦電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理與模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字腦電信號(hào)通過(guò)SPI接口輸出給外部低功耗鐵電存儲(chǔ)MCU控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該控制器采用MSP430FR5739系列［4］，處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)BLE藍(lán)牙4.0模塊進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，電源管理單元采用雙極電源供電方式為各功能單元供電并進(jìn)行功耗管理，整個(gè)裝置的控制通過(guò)單片機(jī)的腦電采集程序設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。最后，腦電采集結(jié)果可通過(guò)Matlab GUI進(jìn)行顯示和分析。便攜式腦電檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 便攜式腦電檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of portable electroencephalogram(EEG)detection device

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 集成模擬前端腦電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

腦電檢測(cè)電路基于集成模擬前端芯片ADS1299進(jìn)行設(shè)計(jì)。ADS1299具有8通道低噪聲、高分辨率同步采樣的Σ-ΔADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置可編程增益放大器（Programmable Gain Amplifier,PGA）、輸入復(fù)用器、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓、時(shí)鐘振蕩器和偏置放大電路與內(nèi)部測(cè)試源以及導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)電路，內(nèi)部器件噪聲低于1 μV，具備腦電采集所需的全部常用功能［2,5］。并且以通道正常運(yùn)行時(shí)消耗5 mW的低功耗特性和高集成度特點(diǎn)，能夠大幅度縮小板級(jí)空間，顯著降低整體成本，構(gòu)建可擴(kuò)展的腦電采集系統(tǒng)。

由于ADS1299的模擬電源供電范圍為4.75～5.25 V，而鋰電池的工作電壓為3.7 V，因此本設(shè)計(jì)ADS1299的電源供電方式采用雙極電源方式進(jìn)行供電，即模擬電源AVDD=+2.5 V，AVSS=-2.5 V，可通過(guò)低壓差線性穩(wěn)壓器LDO對(duì)鋰電池電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到［6］。數(shù)字電源DVDD為3.0 V。其中模擬電源的紋波噪聲應(yīng)盡量小，每個(gè)電源都要通過(guò)10 μF和0.1 μF與地相連，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上采用星形連接方式。ADS1299的電路原理圖如圖2所示。

集成模擬前端芯片ADS1299通過(guò)配置輸入復(fù)用器可將輸入信號(hào)配置為不同類(lèi)型的輸入信號(hào)。在測(cè)試階段可以將輸入信號(hào)配置為內(nèi)部方波測(cè)試信號(hào)和輸入短路測(cè)試信號(hào)，在測(cè)量正常腦電信號(hào)時(shí)，可將輸入信號(hào)配置成單端輸入方式和差分輸入方式進(jìn)行測(cè)量。本裝置采用單端輸入方式進(jìn)行腦電信號(hào)的檢測(cè)，所有通道的負(fù)輸入端連接到耳電極，作為參考電極。腦電電極與耳電極之間形成電勢(shì)差，通過(guò)輸入復(fù)用器進(jìn)入PGA進(jìn)行一級(jí)放大［7］。另一部分通過(guò)采樣電阻將輸入信號(hào)采樣疊加后輸入到偏置放大器的負(fù)輸入端，然后通過(guò)偏置輸出到耳電極，從而將耦合進(jìn)來(lái)的共模干擾通過(guò)偏置放大器進(jìn)行反相輸出到人體，從而降低共模干擾的影響［8］，只需微弱的電流即可很大程度上提升系統(tǒng)的共模抑制比（CMRR），從而提高腦電信號(hào)采集的質(zhì)量。經(jīng)過(guò)PGA放大后的腦電信號(hào)進(jìn)入Σ-ΔADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的腦電數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口發(fā)送給外部低功耗鐵電存儲(chǔ)MCU進(jìn)行處理分析，即可通過(guò)ADS1299完成高質(zhì)量的腦電數(shù)據(jù)采集。外部MCU通過(guò)SPI與ADS1299進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將腦電數(shù)據(jù)通過(guò)異步通信串口發(fā)送給藍(lán)牙模塊，從而進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸［9-13］。ADS1299可通過(guò)寄存器的配置，從而將系統(tǒng)配置成所需的數(shù)據(jù)輸出率和帶寬，便于設(shè)計(jì)者對(duì)性能和功耗進(jìn)行優(yōu)化配置，可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)腦電采集裝置進(jìn)行不同配置，具有很高的靈活性和低功耗特性［2］。

2.2 電源管理電路

圖2 ADS1299腦電檢測(cè)電路原理圖Fig.2 ADS1299-based EEG detection circuit

采用低壓差線性穩(wěn)壓器S-1721A3025固定輸出兩路電源，分別為3.0與2.5 V。然后通過(guò)電源反相器LMP2664進(jìn)行反向輸出-2.5 V電壓，通過(guò)2.5 V雙極電源對(duì)ADS1299的模擬電壓AVDD進(jìn)行供電。適配器連接電源插座，接頭J2與3.7 V鋰電池相連，POWER_EN、AFE_ON和OFF/START 3個(gè)端口與低功耗鐵電存儲(chǔ)MCU控制器相連，可控制其它單元模塊的電源開(kāi)斷，從而靈活管理各功能模塊的電源供電，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并通過(guò)程序控制可有效提升系統(tǒng)的續(xù)航能力［14］?？紤]到便攜式腦電檢測(cè)設(shè)備的便攜性與可持續(xù)使用的要求，設(shè)計(jì)了單鍵開(kāi)關(guān)機(jī)電路，可通過(guò)長(zhǎng)按與短按控制設(shè)備的開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)，并進(jìn)一步運(yùn)用充電芯片BQ24202進(jìn)行充電管理。腦電采集裝置電源管理電路原理圖如圖3所示。

2.3 低功耗設(shè)計(jì)

電源是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提與基礎(chǔ)，便攜式設(shè)備的電源設(shè)計(jì)必須具備體積小、噪聲低、集成度高等特點(diǎn)。本裝置的低功耗設(shè)計(jì)主要通過(guò)電源管理模塊與低功耗集成芯片的選型來(lái)降低功耗，通過(guò)程序控制各功能模塊的功耗模式，有采集任務(wù)處于正常工作狀態(tài)，無(wú)任務(wù)時(shí)則處于待機(jī)狀態(tài)，可有效降低系統(tǒng)功耗，提升設(shè)備續(xù)航能力。本設(shè)計(jì)中低功耗MCU控制器選擇具有超低功耗鐵電存儲(chǔ)器系列的MSP430FR5739控制器［4］，該型號(hào)控制器具有豐富的內(nèi)部資源，并采用非易失性超低功率鐵電存儲(chǔ)FRAM技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。BLE藍(lán)牙4.0模塊采用基于無(wú)線收發(fā)集成芯片CC2541進(jìn)行開(kāi)發(fā)，支持藍(lán)牙4.0協(xié)議，可通過(guò)UART接口進(jìn)行功能配置，并通過(guò)電源管理模塊與單片機(jī)程序控制可按需配置各功能模塊的功耗模式與電源開(kāi)斷狀態(tài)，從而達(dá)到降低設(shè)備功耗，提升設(shè)備續(xù)航能力的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

便攜式腦電檢測(cè)功能主要通過(guò)低功耗鐵電存儲(chǔ)MCU控制器MSP430FR5739單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，圖4為腦電信號(hào)檢測(cè)軟件程序流程圖，設(shè)備上電以后，主程序?qū)ο到y(tǒng)時(shí)鐘、外設(shè)模塊所需的GPIO端口、UART、SPI接口進(jìn)行初始化設(shè)置，設(shè)置腦電數(shù)據(jù)包格式，并對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行初始化。初始化完成后開(kāi)始校驗(yàn)ADS1299是否工作正常，ID正確后對(duì)ADS1299進(jìn)行初始化配置，包括ADS1299的內(nèi)部功能寄存器和時(shí)鐘源配置等；以上配置完成后則開(kāi)啟全局中斷，發(fā)送開(kāi)始連續(xù)讀數(shù)據(jù)操作指令；中斷產(chǎn)生則通過(guò)SPI連續(xù)讀取8通道腦電數(shù)據(jù)；通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送給PC端Matlab GUI進(jìn)行接收。

4 結(jié)果和測(cè)試

圖3 電源管理電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of power management circuit

圖4 腦電檢測(cè)裝置單片機(jī)程序流程圖Fig.4 Flow chart of microcontroller program of EEG detection device

通過(guò)以上原理分析與單元電路設(shè)計(jì)，各單元電路的搭建模型與測(cè)試實(shí)驗(yàn)如圖5所示，包括集成模擬前端芯片ADS1299腦電采集電路、低功耗鐵電存儲(chǔ)MCU控制器、電源管理電路、BLE藍(lán)牙4.0及測(cè)試模擬儀MiniSim330，最終實(shí)現(xiàn)印刷電路板PCB的繪制與產(chǎn)品實(shí)物的設(shè)計(jì)（圖6），腦電檢測(cè)裝置的真人佩戴方式如圖7所示。由于腦電信號(hào)屬于微弱信號(hào)源，因此在PCB布線時(shí)對(duì)噪聲的抗干擾能力要求更高。在進(jìn)行布線時(shí)電源旁路去耦電容應(yīng)盡量靠近元器件，封裝焊盤(pán)連接到地線，電源電路引出的所有電源應(yīng)采用單點(diǎn)接地方式連接于同一點(diǎn)，集成模擬前端ADS1299的數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)應(yīng)盡可能分開(kāi)走線，模擬輸入信號(hào)和模擬地應(yīng)加屏蔽［15］。便攜式腦電檢測(cè)設(shè)備幾何尺寸大小為（4.1×7.5）cm2，可檢測(cè)8通道腦電信號(hào)，具有體積小、功耗低、精度高等特點(diǎn)。

系統(tǒng)基本參數(shù)測(cè)試主要參照標(biāo)準(zhǔn)JJG 1043-2008腦電圖機(jī)檢定規(guī)程提出的技術(shù)要求［16］。集成模擬前端芯片ADS1299內(nèi)部通過(guò)輸入復(fù)用器可以提供多種測(cè)量信號(hào)，包括輸入短路系統(tǒng)噪聲測(cè)量和方波測(cè)量信號(hào)，該芯片評(píng)估板通過(guò)USB接口與PC端上位機(jī)軟件進(jìn)行連接，可將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至PC端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，可連續(xù)采集，也可按需進(jìn)行數(shù)據(jù)采集［2］，因此，可以通過(guò)配置ADS1299的內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)備的精確性與低噪聲特性測(cè)試，主要流程如圖8所示。ADS1299評(píng)估板如圖9所示。

便攜式腦電檢測(cè)設(shè)備的基本參數(shù)測(cè)試，通過(guò)單片機(jī)配置寄存器產(chǎn)生內(nèi)部方波測(cè)試信號(hào)與輸入短接測(cè)試信號(hào)，用于測(cè)試設(shè)備的精確性與低噪聲特性。本設(shè)計(jì)中內(nèi)部方波測(cè)試信號(hào)的幅度為(VREFP-VREFN)/2.4，頻率為Fclk/221，式中VREFP-VREFN=VREF=4.5 V，F(xiàn)clk=2.048 MHz，便攜式腦電檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)到的測(cè)試信號(hào)通過(guò)Matlab進(jìn)行波形顯示（圖10），分析可知Vpp=3.74 mV，頻率為1 Hz，與給定的內(nèi)部測(cè)試信號(hào)幅值與頻率相一致。當(dāng)輸入信號(hào)配置為輸入短路測(cè)試信號(hào)時(shí)，通過(guò)Matlab進(jìn)行波形顯示（圖11），截取內(nèi)部方波測(cè)試信號(hào)4 000采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析可知輸入短接后器件內(nèi)部噪聲有大約19 μV的基線漂移，信號(hào)峰峰值小于1 μV，由此可見(jiàn)ADS1299具有非常低的器件噪聲，對(duì)于腦電μV級(jí)別的信號(hào)具有很好的器件噪聲性能，適用于微弱腦電信號(hào)的前端采集。

通過(guò)示波器的4個(gè)通道分別連接至ADS1299的CS、SCLK、DIN和DOUT引腳，同步測(cè)試SPI的時(shí)序電平，可以用來(lái)測(cè)試便攜式腦電檢測(cè)設(shè)備的SPI通信是否正常配置，測(cè)試結(jié)果如圖12所示。其中藍(lán)色線為CS低電平使能狀態(tài)波形，黃色線為SCLK時(shí)鐘信號(hào)，紫色線為DIN高足狀態(tài)信號(hào)波形，熒色線為DOUT數(shù)據(jù)輸出波形，對(duì)比ADS1299的SPI時(shí)序圖，可知示波器的時(shí)序測(cè)試結(jié)果與之相一致，從而保證ADS1299進(jìn)行寄存器指令配置的正確性與數(shù)據(jù)通訊的正確性。

圖5 各單元電路的搭建模型與測(cè)試實(shí)驗(yàn)圖Fig.5 Construction model of each unit circuit and test experiment

圖6 腦電檢測(cè)裝置PCB布線圖與3D圖及裝置實(shí)物圖Fig.6 PCB wiring diagram and 3D graph of EEG detection device and its picture

圖7 腦電檢測(cè)裝置佩戴圖Fig.7 EEG detection device wearer

MiniSim330是由Netech公司生產(chǎn)的一款便攜小巧的腦電模擬儀，該儀器可模擬ABR、方波、正弦波和三角波等波形，具有5個(gè)獨(dú)立的輸出通道，可用于腦電圖機(jī)等設(shè)備的性能測(cè)試。該款模擬儀具有專(zhuān)用的腦電電極接頭，可輸出多種信號(hào)波形，且頻率和幅值可通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)，體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)便。輸出的ABR波幅值為0.64 μV，頻率為1 kHz，另外輸出的正弦波、方波和三角波，頻率可在0.1、2、5、50、60 Hz之間選擇，幅值最低可達(dá)10 μV，最高可達(dá)2.5 mV，進(jìn)度為±1%［17-18］。

圖8 ADS1299內(nèi)部測(cè)試信號(hào)程序流程圖Fig.8 Flow chart of ADS1299 internal test signal program

圖9 ADS1299評(píng)估板Fig.9 ADS1299 evaluation board

圖10 腦電檢測(cè)裝置內(nèi)部方波測(cè)試信號(hào)Fig.10 Internal square wave test signals of EEG detection device

圖11 腦電檢測(cè)裝置輸入短接測(cè)試信號(hào)Fig.11 Input short connection test signals for EEG detection device

便攜式腦電檢測(cè)設(shè)備對(duì)μV級(jí)腦電信號(hào)的檢測(cè)性能主要通過(guò)MiniSim330腦電模擬儀產(chǎn)生μV級(jí)別的方波與正弦波信號(hào)以及三角波信號(hào)，本測(cè)試選取30 μV，2 Hz的正弦波作為輸入信號(hào)，輸入給便攜式腦電檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換與藍(lán)牙無(wú)線傳輸，PC端基于Matlab編寫(xiě)的GUI對(duì)接收到的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行顯示分析，波形顯示如圖13所示。由圖13可知便攜式腦電檢測(cè)設(shè)備具有很低的器件噪聲，對(duì)于μV級(jí)腦電信號(hào)具有較強(qiáng)的檢測(cè)能力。

本裝置的最小分辨率為0.16 μV，數(shù)據(jù)輸出率為250 Hz，信號(hào)帶寬為70 Hz，系統(tǒng)噪聲小于1 μV，因此可滿足便攜式腦電檢測(cè)設(shè)備對(duì)于信號(hào)可靠性、低功耗以及便攜性的需求。

5 總結(jié)

圖12 集成模擬前端ADS1299的SPI時(shí)序測(cè)試Fig.12 SPI timing test by integrated analog front-end ADS1299

圖13 MiniSim330正弦波測(cè)試GUI實(shí)時(shí)顯示界面Fig.13 Real-time display interface of GUI for MiniSim330 sine wave test

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)腦電采集裝置相對(duì)笨重、體積龐大、導(dǎo)聯(lián)線冗長(zhǎng)、不可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)護(hù)等問(wèn)題的分析，以及對(duì)便攜式健康監(jiān)測(cè)設(shè)備信號(hào)精確性、穩(wěn)定性和系統(tǒng)低功耗性能的研究，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款基于集成模擬前端ADS1299的便攜式腦電采集裝置，可以將院內(nèi)傳統(tǒng)腦電檢測(cè)服務(wù)延伸到院外進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、實(shí)時(shí)、在線監(jiān)護(hù)。通過(guò)內(nèi)部方波與器件噪聲對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了該裝置的精確性與低噪聲特性，適用于腦電信號(hào)的檢測(cè)，可滿足日常生活中不同狀態(tài)下的監(jiān)護(hù)需求，對(duì)智能醫(yī)療的發(fā)展有著重要的推動(dòng)和參考價(jià)值。