基于嵌入式處理器技術的便攜式腦電圖儀

傅夢云，霍楚龍，梁浩愉，陳傳虎（通信作者）

江蘇師范大學 （江蘇徐州 221116）

腦電圖儀是一種記錄腦電信號（腦電波）的專用設備。該儀器通過電極記錄腦細胞群的自發性、節律性電活動，然后將腦細胞電活動的電位作為縱軸，時間作為橫軸，得到的電位與時間關系圖即為腦電圖。腦電圖儀可用于對腦損傷、腦血栓、腦發育異常及新陳代謝和內分泌疾病進行診斷，尤其適用于對癲的診斷[1]。此外，通過腦電圖儀研究人的腦電信號，可以掌握人腦部活動的規律，了解人的思維過程；提取人腦部活動規律的特征，并把這種特征應用于腦機接口[2]，可以實現直接通過人的思維控制機器設備。傳統腦電圖儀雖然可以滿足以上醫療和研究的需求，但其體積大、不便攜帶，且儀器各部分采用導線相連，存在信號串擾現象，嚴重時會影響監測結果的準確性，進而影響正常的診療活動。基于此，本文設計了一種具有觸摸顯示屏的便攜式腦電圖儀，該設計通過信號調理電路與嵌入式處理器技術，完成對腦電信號的采集、存儲、處理及傳輸等工作，可實時監測、分析患者的腦電信號，且具有體積小、便于攜帶的優勢。

1 嵌入式處理器技術

根據美國電氣電子工程師學會的定義，嵌入式系統是“控制、監視或者輔助設備、機器或工廠運行的裝置”，具有內核小、專用性強、系統精簡、實時性高等特點，適用于實時性強且任務多的體系。嵌入式處理器是嵌入式系統的核心，集信息采集、轉換、存儲、處理與I/O 等功能于一體，被廣泛應用于無線通信、工業控制、網絡、醫療等領域。本設計中電極帽采集到的腦電信號經濾波放大后，再由嵌入式處理器存儲處理，得到的數據通過通信接口傳輸，從而實現對腦電信號的監測。

2 總體設計

本設計由信號采集模塊、信息存儲處理模塊、外部接口模塊組成。信號采集模塊的電極帽拾取微弱腦電信號，信號經過調理與采集后被送入嵌入式處理器和存儲器中，最后通過通信接口在觸摸顯示屏上顯示出來。系統總體設計見圖1。

圖1 便攜式腦電圖儀總體設計

2.1 信號采集模塊

此模塊選用BrainScience-Ⅱ型電極帽與盤狀電極配合使用，基于國際標準10-20定位系統，無需電極定位操作。電極帽外皮的材質為醫用彈性硅膠，可減輕長時間使用時盤狀電極產生的壓痛感，佩戴舒適，適合所有頭型。

2.2 信息存儲處理模塊

2.2.1 信號調理與采集

隨著醫療技術的飛速發展，對腦電信號的調理與采集技術也不斷提升，出現了腦電信號調理電路[3]、腦機接口等技術。本設計主要采用腦電信號調理電路。

腦電信號是一種微弱的生物信號，頻率集中在0.5～100.0 Hz，幅值僅為5～100 μV[4]，因此腦電信號易受到外部噪聲的干擾；而本設計采用的腦電信號調理電路可先對腦電信號進行前級放大，再對放大后的腦電信號進行濾噪和后級放大調整，最后將其抬升至標準電壓（0.0～3.3 V）[5]。

本設計所采用的電路分為前后級放大電路和濾波電路。腦電信號的微弱特性使其無法被一次性放大，需要多級逐步完成。在運算放大器輸入端分別輸入信號V1和V2時，則輸出電壓為：Rf為反饋電阻值。

輸入電阻為：

其中，Rid為輸入電阻，R1、R2為輸入電阻值。

差動放大器的電路圖見圖2。

圖2 差動放大器的電路圖

本設計的放大電路部分采用同相放大器和差動放大器。前級放大電路采用同相放大器，可獲得很高的輸入阻抗；后級放大電路采用差動放大器，可獲得很高的共模抑制比，增強電路的抗干擾能力。選擇R1=R2，R3=R4，R5=R6，Rf=R7，則電路的電壓放大倍數為：

其中，Au為電壓放大倍數，V0為輸出電壓值，V1、V2為輸入電壓值，R、R1為輸入電阻值，R3、R4為反饋電阻值，R5為一級放大器輸出電阻值。

前后級放大電路的電路圖見圖3。

圖3 前后級放大電路的電路圖

濾波電路主要應用于濾除多余頻率的腦電信號，使信號集中于對應范圍內（0.5～100.0 Hz），同時濾除50 Hz 的工頻干擾噪聲[6]。本設計的濾波電路由上限頻率為100.0 Hz 的二階低通濾波器和下限頻率為0.5 Hz 的二階高通濾波器組成的帶通濾波器（見圖4）和50 Hz 帶阻濾波器（見圖5）構成，可滿足對腦電信號的精準提取。

低通濾波器的傳遞系數為：

其中,Ad為差模電壓增益，V0為輸出電壓值，V1、V2為輸入電壓值，R1、R2、R3為輸入電阻值，

2.2.2 嵌入式處理器與存儲器

由于本設計體積小及需要頭部佩戴，必須考慮采用低功耗方式[7]，提高電源及器件的運行效率，及時關閉非工作狀態下的器件，降低處理器的運行電壓。本設計中的嵌入式處理器采用ST 公司的STM32F207微處理器，該處理器基于ARM 內核的32位MCU，處理單元功耗僅為188 uA/MHz，以120 MHz 高速運行時可達到150 DMIPS 的處理能力，工作電壓設計為3 V，工作頻率為60 MHz；同時，STM32F207微處理器集成了更多靈活創新的高性能外設及高容量的RAM 和FLASH 存儲器，RAM 存儲器可以滿足數字濾波器的需求，FLASH 存儲器不僅可以存儲程序，還可以存儲圖片和設定參數。

2.3 外部接口模塊

2.3.1 通信接口

選用普通ISP 接口。

2.3.2 觸摸顯示屏

采用USART-HMI 串口顯示屏，支持多種通信接口（如TTL、CAN、RS232等），可根據使用者需求定制，橫豎可控，具有極大的靈活性。屏幕尺寸統一采用30 cm×15 cm，尺寸較小，方便使用。本設計不僅具有良好的界面設計和圖形布局，而且無需再外部接入控制電路，只需在界面修改即可完成。因此不僅可以提高人機交互的體驗，同時也可使系統更加簡潔通用。

3 主要參數設計

本設計的主要技術參數滿足同等設備技術要求，見表1。

表1 主要技術參數

4 實驗結果

本研究使用Multisim 仿真軟件構建電路仿真圖，在電路原理圖的基礎上進行仿真實驗，在函數發生器界面設置信號參數，波形選用正弦波為參考，頻率為60 Hz,占空比為50%，振幅為10 μV。通過觀察檢測結果可知，輸出波形振幅為100 mV，與輸入參數相比，信號放大了10 000倍，且無明顯失真現象，證明了電路的放大與降噪作用。函數信號發生器界面見圖6，實驗結果見圖7。

圖6 函數信號發生器

圖7 信號波形圖

5 小結

本研究對腦電圖儀進行模塊化[8]，實現了儀器的小型化，通過腦電信號采集技術與調理電路完成了信號的采集與調理，在嵌入式處理器與儲存器的作用下對腦電信號進行存儲、處理及與外部的通信。本設計無需與計算機相連，減少了因多導線連接帶來的信號串擾等問題，大大提高了系統工作時的信號準確性與容錯率，整體成本也得以降低。下一階段，我們將對產品及相應參數進行進一步評價，并將儀器用于對患者病情的診斷研究中。