腦電信號在線采集系統設計與實現*

楊善陽，張學軍,2

(1.南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003； 2.江蘇省射頻集成與微組裝工程實驗室，江蘇 南京 210003)

腦電信號在線采集系統設計與實現*

楊善陽1，張學軍1,2

(1.南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京210003；2.江蘇省射頻集成與微組裝工程實驗室，江蘇 南京210003)

為了實現對腦電信號的實時采集，設計了一種基于ADS1299的無線腦電信號采集系統。該系統由硬件和軟件兩部分構成，硬件部分由以ADS1299為核心構成的信號采集模塊、ATmega328主控制模塊、RFD22301數據傳輸模塊組成；軟件部分則使用Java編寫上位機檢序，能夠實時顯示與處理腦電信號。高共模抑制比和高信噪比的前置放大器設計是信號采集模塊設計的關鍵。同時，對經典的雙T陷波電路進行改進，使得Q因子可調。通過一系列的采集和處理，最終實現腦電信號在上位機上的實時顯示。

腦電信號；ADS1299；放大器設計；陷波電路

0 引言

腦科學的研究已經進入高速發展的時期，現階段用于腦電信號(Electro Encephalo Graphy, EEG)的采集設備通常體積龐大，價格昂貴，只能用于專業機構和科研場所。而便攜式腦電采集設備的出現將改變這一現象，加快腦科學的普及[1]。

腦電信號[2]表征了大腦相關電流活動，能夠反映人體(例如大部分癲癇患者)的特定狀態。當離子流到達特定區域的電極時，吸引或者排斥金屬電極上的電子，進而產生電勢差，由此測得任何兩電極之間的電壓值，EEG信號便記錄了該電壓隨時間的動態變化過程。腦電信號非常微弱，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]。

本文針對腦電信號的以上特性，基于TI的ADS1299芯片設計出了分辨率高、實時性強的便攜式腦電在線信號采集系統。

1 系統總體設計

圖1 腦電信號采集系統

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中包含著各種各樣的偽跡成分，比如工頻干擾、眼電信號和實驗環境下的噪聲等。由于原始腦電信號幅值非常小，要將腦電信號放大至能被A/D轉換器所識別的大小，整個系統至少要實現上千倍增益。放大后的腦電信號經過ADS1299被轉換成數字信號，在ATmega382的控制下，通過無線傳輸的形式傳送到上位機。

2 硬件模塊

本系統硬件部分的主要任務就是對腦電信號進行濾噪及放大，并將調理后的信號轉換為數字形式，發送至上位機。

2.1前置放大電路的設計

本文設計的前置放大電路具有低失調、高共模抑制比、高輸入阻抗、高增益等優點，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，所需的腦電信號被完全淹沒，因此陷波電路必不可少[4]。圖3中對古典雙T 陷波濾波器進行改進，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，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。電路中的反饋系數為：

β=R4/(R4+R5)

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(2)

而陷波器的Q值為：

Q=1/4(1-β)，0lt;βlt;1

(3)

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

圖4 低通濾波電路

2.3低通濾波器設計

進一步對腦電信號的頻率段進行濾波。尤其針對截止到30 Hz的β節律波段進行分析，這就需要盡可能地濾除波段外干擾目標頻段的噪聲頻率。電路設計如圖4所示，在31.23 Hz處的增益為0.71，并且從該點以一定比率降低，直到30 Hz處，信號的衰減因子為100。

2.4ADS1299

ADS 1299是系統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采集而設計的[5]。其具有如下突出的特性:

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

(2)8個高分辨率同步采樣模數轉換器(ADC)。

(3)采樣頻率可工作在250 S/s和16KS/s之間。

(4)內置偏置驅動放大器和持續斷電檢測(LEAD-OFF Detection)功能。

本設計中ADS1299上的8個INN引腳作為輸入端，分別連接腦電圖帽上的8個電極，采集模擬信號。SRB2端連接參考電極，在芯片內部與所有INP引腳相連。采集數據之前要對ADS1299進行初始化。首先拉高PWDN引腳，芯片內部上電；拉低REST引腳，芯片復位，拉低CS引腳，片選SPI接口。然后發送SDATAC命令，停止連續讀取模式。隨后發送START命令以及WREG命令，配置CONFIG1、CONFIG2、CONFIG3寄存器和各個通道的寄存器，設置額外功能。最后進行數據采集，ADS1299等待讀取，初始化流程結束。

3 軟件模塊

考慮到將來需要將上位機移植到移動端中去，結合Java跨平臺的優點，本設計中的上位機采用Java程序編寫[6]。上位機可以存儲并實時顯示腦電波形，同時對存儲的腦電信號進行FFT變換，將FFT的結果顯示在屏幕的右下方。在腦電采集過程中，用戶在上位機界面上單擊“start system”開始腦電信號的采集和顯示，并且可以通過位于上位機界面上方的工具欄調整濾波器的參數。

4 實驗結果

由于基于SSVEP(穩態視覺誘發電位)[7]的腦電信號特征較為明顯，能夠在人腦的O1、O2電極處準確地采集，因此可以用來測試腦電采集設備的效果。為驗證本文設計的腦電在線采集系統，設計了一個閃爍頻率為10 Hz的刺激界面。實驗開始時，要求被試眼睛看著刺激界面，實驗時間持續30 s。實驗結果如圖5所示。

圖5 腦電信號在線顯示

5 結論

本文設計的腦電采集設備能夠準確獲取活躍電極的EEG信號，該信號經過放大和數字濾波后，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。預處理后的信號通過模數轉換后，即時通過無線傳輸的形式送入上位機中。上位機將獲取的信號存在文件中并實時顯示出其時域波形和進行FFT變換后的頻譜圖。實驗結果表明，本文設計的系統能夠以較高的分辨率測量到腦電信號，為后續將該EEG采集系統集成在FPGA平臺上提供了基礎。

[1] 張學軍,溫煒. 腦電信號調理電路設計[J]. 微型機與應用，2016,35(10):55-57.

[2] 徐寶國,宋愛國,費樹岷.在線腦機接口中腦電信號的特征提取與分類方法[J].電子學報,2011,39(5):1025-1030.

[3] 王三強,何為,石堅.新型腦電信號前置級放大電路設計[J].重慶大學學報，2006,29(6):51-51.

[4] 康華光. 電子技術基礎模擬部分(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系統前端[J].電子技術應用,2014,40(3):86-89.

[6] 王保羅.Java面向對象程序設計[M]. 北京：清華大學出版社，2003.

[7] 徐光華，張鋒，謝俊，等. 穩態視覺誘發電位的腦機-接口范式及其信號處理方法研究[J].西安交通大學學報，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、腦機接口、嵌入式系統、腦電信號的控制系統。E-mail：18761859685@163.com。

張學軍(1969-),男，博士,教授,主要研究方向：智能信號處理、腦機接口技術、嵌入式系統等。

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，張學軍.腦電信號在線采集系統設計與實現J.微型機與應用，2017,36(22)：112-114.

國家自然科學基金項目(61271334)