0 引言

    腦電圖(Electroencephalogram，EEG)是記錄大腦電活動(dòng)的一種無創(chuàng)性方法,，是通過把電極按照10-20國際標(biāo)準(zhǔn)放在大腦頭皮表面,，并運(yùn)用腦電采集系統(tǒng)記錄得到的腦電信號。采集有效的腦電信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析,，對大腦研究,、生理研究和臨床疾病診斷具有重要意義^[1]。隨著腦電在臨床應(yīng)用,、康復(fù)科技,、智能醫(yī)療、娛樂,、體育和軍事方面的應(yīng)用前景越來越廣泛,，開發(fā)用于移動(dòng)環(huán)境的便攜式小型化腦電采集系統(tǒng)成為需求^[2],。微電子學(xué)和無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，促進(jìn)了低成本,、高效率的腦電采集系統(tǒng)開發(fā)^[3],。

    本設(shè)計(jì)采用級聯(lián)模式連接多個(gè)模擬前端創(chuàng)建可擴(kuò)展的便攜式16通道腦電采集系統(tǒng)。采集系統(tǒng)具有簡單易用,、體積小,、低功耗的特點(diǎn)。用該系統(tǒng)采集受試者的α自發(fā)腦電和穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦電均取得較高的信號質(zhì)量,，采集的信號符合相應(yīng)的腦電信號特征,。結(jié)果表明本系統(tǒng)可用于腦科學(xué)及腦機(jī)接口應(yīng)用領(lǐng)域，具有一定理論與應(yīng)用價(jià)值,。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由采集傳輸模塊和PC主機(jī)兩部分組成,。采集和傳輸模塊主要負(fù)責(zé)采集,、放大、A/D轉(zhuǎn)換,、腦電信號的傳輸以及整個(gè)系統(tǒng)的供電,；PC主機(jī)主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和處理接收到的數(shù)據(jù)，還能對采集傳輸模塊的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改和設(shè)置,。

2 采集和傳輸模塊

    采集和傳輸模塊由模擬前端ADS1299,、微控制器ATmega328、無線模塊RFD22301以及系統(tǒng)電源組成,。采集和傳輸模塊框圖如圖2所示,。

2.1 模擬前端

    本系統(tǒng)的核心是TI公司用于測量生物電勢的模擬前端ADS1299，集成化的模擬前端具有腦電應(yīng)用所需的所有常用特性^[4-5],。

    本系統(tǒng)中采用級聯(lián)模式串聯(lián)兩個(gè)ADS1299器件,，同時(shí)采集16通道的腦電信號。級聯(lián)模式下,，時(shí)鐘信號線SCLK,、數(shù)據(jù)輸入線DIN和數(shù)據(jù)輸出線DOUT在多個(gè)設(shè)備間共用，每個(gè)設(shè)備都有各自的片選CS,，如此將多個(gè)設(shè)備連接起來,。因此主控制器與n個(gè)從設(shè)備通信所需信號線數(shù)量為3+n。這個(gè)特性可以用來減少設(shè)備與微控制器之間的引腳連接數(shù)量,，從而大大簡化多通道采集系統(tǒng)的電路,。級聯(lián)連接設(shè)備的最大數(shù)量取決于設(shè)備操作所在的數(shù)據(jù)速率?？杉壜?lián)設(shè)備的最大數(shù)目可用式(1)估算：

式中,，f_SCLK表示串行時(shí)鐘頻率,，f_DR表示輸出數(shù)據(jù)速率，N_BITS表示芯片的分辨率,，N_CHANNELS表示設(shè)備的通道數(shù),。在使用級聯(lián)模式連接多個(gè)AD器件時(shí)，其中一個(gè)設(shè)備需要作為主設(shè)備且使用內(nèi)部時(shí)鐘,，主設(shè)備時(shí)鐘作為其他設(shè)備的外部時(shí)鐘源,，以保證16個(gè)通道數(shù)據(jù)采集的同步性。

2.2 微控制器

    選用ATmega328作為主控制器,，該微控制器提供串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface,，SPI），因此可以很方便地讀取ADS1299數(shù)據(jù)并控制藍(lán)牙模塊,。通過在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行功能強(qiáng)大的指令,，該設(shè)備的數(shù)據(jù)吞吐率可達(dá)1 MIPS/MHz，可平衡系統(tǒng)功耗和處理速度的關(guān)系,。本系統(tǒng)中同時(shí)采集16通道的腦電數(shù)據(jù),，需要MCU具有較高的處理速度，采用電池供電也需要整個(gè)系統(tǒng)具有較低功耗,。因此選用該高性能,、低功耗的8位微控制器，能較好地滿足系統(tǒng)要求,。

    本系統(tǒng)中,，微控制器通過SPI與ADS1299等從設(shè)備進(jìn)行通信。微控制器工作在SPI的主模式下,，根據(jù)從計(jì)算機(jī)接收到的命令管理信號采集系統(tǒng),，主要負(fù)責(zé)采集前端初始化（片選信號、激活通道,、每個(gè)通道的增益/偏移設(shè)置等）以及與PC主機(jī)通信,。

2.3 無線模塊

    無線腦電采集系統(tǒng)中最相關(guān)的度量就是單位時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)吞吐量。級聯(lián)多個(gè)AD器件時(shí),，通道數(shù)成倍增加,，單位時(shí)間內(nèi)采集的腦電數(shù)據(jù)也成指數(shù)倍增長，要無線傳輸16通道的腦電數(shù)據(jù),，就需要藍(lán)牙模塊具有較高的傳輸速率,。本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的吞吐率可由下式計(jì)算：

式中,，throughput為每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù),，x為通道數(shù)，T為采樣周期^[6],。本設(shè)計(jì)中通道數(shù)為16,，采樣率為125 Hz,，由式(2)可得要求的上傳速率為48 000 b/s。本系統(tǒng)中藍(lán)牙通信電路的核心是RFD22301,，內(nèi)置藍(lán)牙4.0,，無線傳輸速率可達(dá)250 kb/s，滿足本系統(tǒng)傳輸速率的要求,。RFD22301無線模塊僅指尖大小(15mm×15mm)且超低功耗,，這些優(yōu)良性能均有利于整個(gè)采集系統(tǒng)的便攜性和低功耗性。

2.4 系統(tǒng)電源

    所設(shè)計(jì)的腦電采集系統(tǒng)需要非常低的噪聲,、高精度的電源電壓以進(jìn)行數(shù)字化處理而不降低其性能,，因此電源模塊由鋰電池和低壓差線性穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)。經(jīng)穩(wěn)壓芯片LP2992輸出穩(wěn)定的+5 V電壓為主控制器供電,。本設(shè)計(jì)中ADS1299采用雙極電源,，需要±2.5 V的模擬電源和+3.3 V的數(shù)字電源為芯片供電。穩(wěn)壓芯片TPS73225和TP5907分別將+5 V電壓轉(zhuǎn)換為+2.5 V和+3.3 V,；為了提供負(fù)電壓,，先通過電壓轉(zhuǎn)換芯片LM2664將+5 V轉(zhuǎn)為-5 V，再由穩(wěn)壓芯片TPS72325將-5 V轉(zhuǎn)為-2.5 V,。德州儀器生產(chǎn)的穩(wěn)壓芯片TPS73225和TPS72325具有降低噪聲的功能，能夠?qū)⑤敵鲈肼暯档胶艿?，符合腦電采集系統(tǒng)低噪聲的要求,。

3 腦電信號采集及分析

    利用自主設(shè)計(jì)開發(fā)的16通道腦電采集系統(tǒng)采集腦電數(shù)據(jù)。本文中使用武漢格林泰克公司生產(chǎn)的64導(dǎo)可拆卸電極帽(CM型號),，腦電采集系統(tǒng)的采樣率為125 Hz,，電極放置位置參照國際10-20系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。采集自發(fā)腦電,，所連通的16通道電極位置依次為：P3,，P4，Pz,，O1,，Oz，O2,，T7,，T8，C4,，Cz,，C3，F(xiàn)4,，F(xiàn)z,，F(xiàn)3,，F(xiàn)8，F(xiàn)7,。圖3所示為某位被試者睜眼狀態(tài)的腦電信號,，持續(xù)時(shí)間為4 s。由圖3可以較為直觀地觀察到被試者腦波活動(dòng)：0.9s左右有眨眼噪聲,；1.2 s左右由于被試肌肉收縮導(dǎo)致全腦信號波動(dòng),；第16通道波形較異常，可能原因是被試頭動(dòng)出汗,。

    為驗(yàn)證腦電信號采集系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,，分別采集分析了5位被試的自發(fā)腦電和誘發(fā)腦電信號。

3.1 α波自發(fā)腦電實(shí)驗(yàn)

    首先,，測試被試者在睜眼和閉眼兩個(gè)階段枕葉上的α頻帶（8～13 Hz）腦波活動(dòng),。選擇α頻帶，是因?yàn)棣敛ǘ文X電信號特征明顯,、相對容易識(shí)別,，且能夠在人腦枕部位置被較為準(zhǔn)確地采集^[7]。

    將腦電采集系統(tǒng)的第一通道連接到電極位置O2,，參考電極為左側(cè)乳突,，偏置電極連接到右側(cè)乳突。在每個(gè)通道的參數(shù)設(shè)置相同的條件下重復(fù)該實(shí)驗(yàn),，依次循環(huán)使用每個(gè)通道,，得到的結(jié)果相同，表明各通道采集信號效果相同,。

    本實(shí)驗(yàn)共采集5名被試者（均為健康大學(xué)生,、右利手）睜眼和閉眼階段腦電數(shù)據(jù)。圖4為某位被試者分別在睜眼和閉眼情況下的腦電信號波形,，頻譜如圖5所示,。由圖4可看出：閉眼時(shí)腦電中出現(xiàn)明顯的α節(jié)律，且波幅較睜眼時(shí)變大,；由圖5可看出：睜眼階段α節(jié)律被抑制,，閉眼階段α波段能量明顯強(qiáng)于睜眼階段。圖6為5名被試者閉眼階段腦電頻譜圖,，結(jié)果表明5名被試者的α頻段能量呈現(xiàn)一致性,。

3.2 SSVEP誘發(fā)腦電實(shí)驗(yàn)

    除了人體自發(fā)腦電信號外，還有一類需要經(jīng)過一定外部因素誘發(fā)才能產(chǎn)生,，稱為誘發(fā)腦電,，誘發(fā)腦電包含了大量的生理和病理信息。研究人體在正常功能狀態(tài)下和在疾病過程中的誘發(fā)腦電的變化，對于基礎(chǔ)生理研究和臨床診斷都有重要的意義^[8],。因此,，能否有效準(zhǔn)確地采集誘發(fā)腦電信號是衡量本采集系統(tǒng)性能好壞的重要依據(jù)。

    本文采用穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（Steady-State Visual Evoked Potential,，SSVEP）實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證系統(tǒng)性能,。SSVEP是指當(dāng)受到一個(gè)固定頻率的閃爍視覺刺激時(shí)，大腦視覺皮層產(chǎn)生的一個(gè)連續(xù)的與刺激頻率相同或更高次諧波頻率成分的EEG穩(wěn)態(tài)響應(yīng),。SSVEP具有信息傳輸率較高,、且被試者不需要接受大量訓(xùn)練等優(yōu)點(diǎn)，因此常被用來分析和處理誘發(fā)腦電信號^[9],。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

    實(shí)驗(yàn)對象為5名健康大學(xué)生（右利手）,。SSVEP響應(yīng)主要出現(xiàn)在大腦皮層枕區(qū)^[10]，本實(shí)驗(yàn)中選擇P3,、P4,、Pz、O1,、O2電極腦電信號,，參考電極和偏置電極分別放置于左右乳突部位。

    為了保證刺激頻率的精準(zhǔn)性,，需要設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的刺激源,。視覺刺激可以用閃爍的燈光（LED）實(shí)現(xiàn)，或者在計(jì)算機(jī)屏幕上閃爍呈現(xiàn),?？紤]到刺激參數(shù)(如大小、顏色和位置)在計(jì)算機(jī)顯示器上呈現(xiàn)閃爍比使用單獨(dú)的LED更加方便和靈活,。本實(shí)驗(yàn)采用一個(gè)LCD顯示器（21英寸，60 Hz刷新率）,，利用單頻率刺激的視覺刺激方式呈現(xiàn)閃爍刺激,。為確保閃爍頻率的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定度，需要考慮到顯示器的刷新率,。若屏幕刷新率為f_scr,，刺激頻率為f_sti，則刺激頻率應(yīng)滿足兩個(gè)條件^[11]：

    考慮到EEG穩(wěn)態(tài)響應(yīng)與刺激頻率存在基頻和倍頻的關(guān)系,，本實(shí)驗(yàn)中選用4個(gè)刺激頻率：7.5 Hz,、8.57 Hz、10 Hz和12 Hz,。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    SSVEP實(shí)驗(yàn)中需要研究腦電信號與刺激頻率的關(guān)系,，需要將時(shí)域上的腦電信號轉(zhuǎn)化為頻率上頻率和幅值的關(guān)系?；陬l譜特征的SSVEP信號檢測,，引入快速傅里葉變換將時(shí)域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號,。圖7是某位被試在不同頻率刺激下枕骨電極處的頻譜。在這些頻譜圖中可以清楚看到不同刺激頻率下的SSVEP譜峰,，如10 Hz刺激頻率時(shí),，在刺激頻率的基頻10.01 Hz和倍頻20.02 Hz處出現(xiàn)峰值，表明在不同刺激頻率下SSVEP均能有效誘發(fā),；4種刺激頻率下,，SSVEP的頻率響應(yīng)均出現(xiàn)在刺激頻率的基頻和一次諧波處，且基頻處的幅值明顯高于一次諧波處的幅值,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合SSVEP響應(yīng)的特點(diǎn)^[12],，驗(yàn)證本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確采集到誘發(fā)腦電。圖8為5名被試者在4種刺激頻率下的腦電頻譜圖,，結(jié)果表明5名被試者在對應(yīng)刺激頻率下均能誘發(fā)EEG穩(wěn)態(tài)響應(yīng),。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一個(gè)16通道腦電采集系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)具有體積小,、功耗低,、簡單易用等特點(diǎn)。采用級聯(lián)模式,，連接多個(gè)模擬前端,，創(chuàng)建可擴(kuò)展的便攜式多通道腦電采集系統(tǒng)。系統(tǒng)可以靈活選擇所需的通道數(shù),，并能以動(dòng)態(tài)和個(gè)性化的方式配置每個(gè)通道,。電池供電、無線傳輸?shù)确绞绞沟孟到y(tǒng)的移動(dòng)性大大提高,。分別采集自發(fā)腦電和誘發(fā)腦電對系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證,，驗(yàn)證結(jié)果表明本系統(tǒng)可用于采集自發(fā)腦電和誘發(fā)腦電，且信號質(zhì)量較好,，表明系統(tǒng)可有效應(yīng)用于腦電研究相關(guān)領(lǐng)域,，例如睡眠監(jiān)測或探索基于SSVEP的腦機(jī)接口?；诒驹O(shè)計(jì)思路可以擴(kuò)展更多導(dǎo)聯(lián)數(shù)的腦電采集系統(tǒng),，以應(yīng)用于腦功能研究、高級認(rèn)知任務(wù)研究和臨床診斷中,。

參考文獻(xiàn)

[1] 王斐,，張育中，寧廷會(huì),，等.腦-機(jī)接口研究進(jìn)展[J].智能系統(tǒng)學(xué)報(bào),，2011，6(3)：189-199.

[2] De Vos M，DEBENER S.Mobile EEG：towards brain activity monitoring during natural action and cognition[J].International Journal of Psyc-Hophysiology：Official Journal of the International Organization of Psychophysiology,，2014,，91(1)：1-2.

[3] 歐陽昭連，楊國忠,，池慧.中國腦-機(jī)接口研究現(xiàn)狀及其在國際中地位[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程,，2010，29(4)：394-398.

[4] 陳悅,，羅錦宏,，何可人，等.基于模擬前端ADS1299的腦電信號采集系統(tǒng)[J].測控技術(shù),，2015,，34(8)：55-57.

[5] BOQUETE L，ASCARIZ J M R,，CANTOS J,，et al.A portable wireless biometric multi-channel system[J].Measurement，2012,，45(6)：1587-1598.

[6] DAVIES P J,，BOH?魷RQUEZ J.Design of a portable wireless EEG system using a fully integrated analog front end[C].Biomedical Engineering Conference(SBEC)，2013 29th Southern.IEEE,，2013：63-64.

[7] CLERC M.Brain computer interfaces,，principles and practise[J].BioMedical Engineering OnLine，2013,，12(1)：1-4.

[8] 黃日輝,，李霆，阜艷,，等.誘發(fā)腦電提取方法的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代電子技術(shù),，2008，31(22)：139-141.

[9] VOLOSYAK I.SSVEP-based Bremen-BCI interface-boosting information transfer rates[J].Journal of Neural Engineering,，2011,，8(3)：036020.

[10] PAN J，LI Y,，ZHANG R，et al.Discrimination between control and idle states in asynchronous SSVEP-based brain switches：a pseudo-key-based approach[J].IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering,，2013,，21(3)：435-443.

[11] ZHU D，BIEGER J,，GARCIA M G,，et al.A survey of stimulation methods used in SSVEP-based BCIs[J].Computational Intelligence and Neuroscience，2010.

[12] Wu Zhanghua，Wu Zhang.Functional symmetry of the primary visual pathway evidenced by steady-state visual evoked potentials[J].Brain Research Bulletin,，2017,，128：13-21.

作者信息：

葉志雄1，2,，羅錦宏3,，糜  超1，2,，鄒  凌1,，2

（1.常州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州213164,；

2.常州市生物醫(yī)學(xué)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，江蘇 常州213164；3.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,，江蘇 常州213164）