可抑制工頻干擾的8 通道腦電采集系統(tǒng)及信號處理方法

李菁波，張晶園，劉昌祎，黃向東，柴 鈺

（西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引 言

腦電信號（Electroencephalogram，EEG）是大腦活動時神經(jīng)元突觸后產(chǎn)生電位的綜合，其中蘊含有豐富的腦部信息，是研究腦部疾病、康復(fù)醫(yī)療、疲勞駕駛、腦-機(jī)接口（BCI）以及其他腦類科學(xué)方面的重要手段。要對腦電信號進(jìn)行研究則必然離不開對該信號的采集，由于腦信號是弱振幅信號，通常在10~100 μV 的范圍內(nèi)，所以傳統(tǒng)的腦電采集系統(tǒng)為了得到精度較高的腦電信號，采取了模擬放大、模擬濾波、ADC 采集等模塊化方式，也由此出現(xiàn)了體積大、功耗高、操作困難等問題。因此設(shè)計出一款體積小、抗干擾能力強(qiáng)的腦電采集系統(tǒng)具有極大的研究及應(yīng)用價值。

為了實現(xiàn)腦電信號采集系統(tǒng)的便攜式小型化，人們常常采取模擬和數(shù)字信號處理相結(jié)合的方式。隨著腦電信號采集系統(tǒng)設(shè)計的不斷發(fā)展，雖然傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)已經(jīng)逐漸被數(shù)字系統(tǒng)取代，但是該系統(tǒng)仍需要占用很小的面積，因此，模擬電路依舊需執(zhí)行各種關(guān)鍵任務(wù)，將數(shù)字部分與外部世界連接起來。如文獻(xiàn)[2]為了從大量噪聲中提取出腦電信號，設(shè)計了前置放大電路、高通濾波器、低通濾波器以及隔離電路，這樣的設(shè)計雖然可以得到效果較好的腦電信號，但其整個系統(tǒng)體積偏大，不便于使用。文獻(xiàn)[3]采用ADS1298 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號采集，通過數(shù)字側(cè)實現(xiàn)濾波以及陷波，這種方法很好地簡化了整個系統(tǒng)模擬側(cè)體積，但是采集的信號中噪聲多、信噪比低，而且該系統(tǒng)使用的芯片是針對心電信號采集，在采集腦電信號時性能較低。文獻(xiàn)[4]針對穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦電信號設(shè)計了8通道的采集系統(tǒng)，采用微處理器和ADS1299簡化前端采集模擬部分，通過特定頻率的閃爍來誘發(fā)α 波產(chǎn)生，但其處理方法只能從頻率側(cè)單方面觀察是否受到刺激，無法從時域側(cè)觀察到刺激存在的時長以及何時受到刺激。

據(jù)腦電圖儀與臨床生理學(xué)會國際聯(lián)盟的分類，腦電信號的頻率分為5 個頻段：分別是δ 波（0~4 Hz）、θ 波（4~7 Hz）、α 波（8~13 Hz）、β 波（14~30 Hz）、γ 波（25~70 Hz）。在采集上述頻段信號的過程中會受到不同程度的干擾，其中最為嚴(yán)重的是50 Hz 的電力線工頻干擾（國外大部分為60 Hz）。本研究根據(jù)通道數(shù)量較少的腦電信號采集系統(tǒng)的特點和市場需求，以德州儀器公司推出的ADS1299 模擬前端和UAF42 陷波芯片為核心設(shè)計了一款體積小、抗干擾能力強(qiáng)的腦電信號采集系統(tǒng)，減小了數(shù)字側(cè)處理難度，完成了腦電信號的實時采集和監(jiān)測。

綜上所述，目前的腦電信號采集裝置依然存在體積大、抗干擾能力低的問題。因此，本文設(shè)計了一種抗干擾能力強(qiáng)的采集設(shè)備并提出了頻率譜分析法與頻率擾動圖像分析法相結(jié)合的腦電信號處理方法（FS-FPI-EEG），實驗驗證了其有效性。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本文研制的腦電采集系統(tǒng)整體框架如圖1 所示。主要包含預(yù)處理電路、集成模擬前端ADS1299 采集電路、微控制器以及電源管理電路4 個大部分。首先，采用國際標(biāo)準(zhǔn)腦電帽采集8 個通道的模擬腦電數(shù)據(jù)，該模擬信號經(jīng)過預(yù)處理電路進(jìn)行陷波以抑制工頻干擾，再通過集成模擬前端ADS1299 得到數(shù)字腦電數(shù)據(jù)。隨后將所得的數(shù)字信號通過SPI 接口傳輸?shù)揭許TM32F103 為核心的主控模塊，再以藍(lán)牙通信方式上傳至上位機(jī)。上位機(jī)是由Java 編寫在processing 平臺運行的動態(tài)顯示軟件，可以對采集的腦電數(shù)據(jù)實時地顯示和存儲，可為后續(xù)的Matlab 分析數(shù)據(jù)提供方便。

圖1 系統(tǒng)整體方案結(jié)構(gòu)框圖

2 腦電采集系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 集成模擬前端

在微弱信號的采集設(shè)備中，腦電采集裝置的性能指標(biāo)都相對較高，要求高共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio，CMRR）、高輸入阻抗和低輸入噪聲，因此模擬前端部分是系統(tǒng)整體性能的保障和關(guān)鍵。ADS1299 是德州儀器（TI）公司專門為采集腦電這一微弱信號而設(shè)計，其主要參數(shù)如CMRR 為-110 dB、采樣頻率可達(dá)250 SPS~16 KSPS、每個通道的功耗為5 mV。ADS1299 芯片是一款8 通道24 位分辨率的模擬前端產(chǎn)品，具有非常低的等效輸入噪聲、低輸入偏置電流和較高的共模抑制比，該芯片還包含了可變增益放大器（Variable Gain Amplifier，VGA）、同步采樣的Σ-ΔADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器、串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）和偏置驅(qū)動放大器（BIAS）。

ADS1299 電路原理圖及實物圖如圖2a）、圖2b）所示。在采集腦電信號時，輸入信號采用差分輸入方式進(jìn)行測量。通過腦電電極和耳夾電極在采集時所形成的電勢差，輸入到復(fù)用器（MUX）進(jìn)入VGA 中進(jìn)行放大。為了進(jìn)一步抑制腦電信號中包含的共模噪聲，利用ADS1299 內(nèi)置的BIAS 設(shè)計出右腿驅(qū)動電路，通過內(nèi)置的采樣電阻將輸入的共模信號采樣疊加后輸入到BIAS 的負(fù)輸入端，產(chǎn)生一個與共模信號極性相反的共模信號，通過偏置輸出到另一個耳夾電極進(jìn)入人體，從而降低共模干擾，提高信噪比。為反饋電阻，為限流電阻，將電流在進(jìn)入人體前限制在一個安全的范圍內(nèi)。為反饋電容，目的是防止自激。

圖2 ADS1299 電路圖

2.2 主控及無線傳輸模塊

為了得到一款低功耗的采集裝置，在選擇控制器時應(yīng)選擇低功耗芯片。為保證傳輸速度和低功耗準(zhǔn)則，綜合對比后采用ST 公司生產(chǎn)的STM32F103 芯片，該芯片以Cortex-M3 為內(nèi)核，以32 位的ARM 位框架作為低功耗處理芯片，擁有豐富的外設(shè)接口，可以與ADS1299在SPI 接口上直接相連，另外包含有高速串行通信接口。

STM32F103 單片機(jī)除了配置ADS1299 之外，還有把數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。單片機(jī)和藍(lán)牙模塊通過主從模式進(jìn)行通信，RXD、TXD 接收和發(fā)送單片機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與配置信息，再通過AT 口配置藍(lán)牙的名稱、配對碼和波特率等參數(shù)，這樣就實現(xiàn)了上位機(jī)和下位機(jī)的連接。

整個裝置所得到的數(shù)據(jù)可以完整地傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，其關(guān)鍵在于藍(lán)牙模塊的傳輸速率。本裝置的采樣頻率為500 Hz，ADS1299 的同步采樣為24 位。當(dāng)裝置工作時，數(shù)據(jù)上傳速率為：

式中：pass 為每秒傳出的數(shù)據(jù)，單位為b/s；為腦電電極數(shù)（除耳夾電極）；為采樣周期。由于本裝置的腦電電極數(shù)為8，所以pass 為96 000 b/s。由于藍(lán)牙串口的波特率可達(dá)115 200 b/s，所以可以滿足本裝置的傳輸要求。HC05 藍(lán)牙模塊大小僅有27 mm×13 mm，并且擁有超低的功耗，因此有利于整個裝置的小型化。

2.3 預(yù)處理電路

在采集生物電信號或者微弱信號時，50 Hz 的工頻干擾是不可避免的干擾信號，為了準(zhǔn)確地獲得腦電信號，采集裝置必須能夠?qū)涣麟娏€干擾和帶外噪聲信號進(jìn)行衰減。因此，就需要在模擬電路中增加陷波模塊，專門針對50 Hz 的噪聲。

對于導(dǎo)聯(lián)數(shù)較少的腦電采集裝置來說，通過模擬側(cè)進(jìn)行陷波，可以減小數(shù)字側(cè)處理難度，讓數(shù)據(jù)可以實時地顯示在上位機(jī)中。

為了實現(xiàn)整個系統(tǒng)的便攜性和低功耗性，合理地平衡陷波器的陷波深度和截止頻率是該電路的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)的陷波方法是以文氏電橋電路為核心，由電阻、電容等無源元件組成，雖然可以實現(xiàn)陷波功能，但是其阻帶衰減寬，衰減增益只能達(dá)到-30 dB。隨著微電子產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，市場上紛紛推出了各種集成芯片，不僅減小了電路體積，還降低了功率消耗。UAF42 是TI 公司推出的一款集成陷波芯片，只需要通過計算外圍電阻值就可得到陷波電路，具體電路如圖3a）所示。

圖3 UAF42 陷波電路與仿真

該陷波器的陷波頻率由式（2）決定：

式中：是低通增益；為高通增益；為陷波頻率；為陷波中心頻率。通常情況下：

因此，陷波器中心頻率為：

式中由式（5）確定：

式中：R=R=R；==。

在設(shè)計陷波器時，除了設(shè)置中心頻率，更重要的是陷波器的通頻帶設(shè)置。陷波器的通頻帶主要受值的影響，而值由輔助放大電路的輸入電阻和增益決定。在UAF42 芯片中值又可由R的值調(diào)節(jié)。

因此，電路-3 dB 的帶寬為：

根據(jù)TI 公司提供的FILTER42 軟件進(jìn)行計算，當(dāng)陷波中心頻率為50 Hz，阻帶寬度為8 Hz 時，得到的參數(shù)如表1 所示。

表1 參數(shù)計算結(jié)果

UAF42 電路仿真如圖3b）所示，從圖3b）中可以看出，頻率在49.99 Hz 時的衰減增益為-43.84 dB，達(dá)到了腦電采集時的要求并且比文氏電橋電路的性能更好。

3 實驗測試與處理方法

3.1 自發(fā)α 腦電波實驗

在正常生活時大腦所產(chǎn)生的腦電波中，α 波的波段是最為明顯的，因此測試α 波是否存在是驗證腦電采集系統(tǒng)的重點。研制出的腦電測試儀具有8 通道，通道位置根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)10~20 電極系統(tǒng)放置在FP1、FP2、T、T、C、C、O、O等八處地方，該八處位置可以很好地用于刺激視覺部位各項功能的腦信號采集。實驗通過采集枕葉區(qū)電極O、O的自發(fā)腦電信號，其次再分別采集6 位健康人員的O電極的腦電信號，實驗條件如表2所示。

表2 實驗條件

由于α 波在大腦枕葉部位有明顯的特征，識別相對容易，因此將系統(tǒng)的兩個電極分別連接到O、O處，參考電極夾在左耳耳垂處，偏置電極夾在右耳耳垂處。經(jīng)過實驗，采樣點波形如圖4 所示。

從圖4 可見，在O、O兩個電極所采集的1 200 個采樣點形成的波形中有明顯的閉眼（A）、睜眼（B）信息。

圖4 O1、O2 電極1 200 采樣點波形

3.2 頻率擾動圖像改進(jìn)頻率譜的處理方法

為了更直觀地看到α 波的影響，本文使用頻率譜分析以及頻譜擾動圖像分析進(jìn)行分析。頻率譜分析法是將腦電信號分解為不同頻率的正弦波信號，再進(jìn)行功率譜計算。該方法可以有效觀測到某個頻率或頻率段功率的增減，但無法知曉該頻率發(fā)生的時間。頻率擾動圖像分析法將腦電信號從時域上對頻率進(jìn)行分段處理，權(quán)衡每一段時間與頻率分辨率，再進(jìn)行信號重構(gòu)。頻率擾動圖像分析法擴(kuò)展了頻率譜分析法，實現(xiàn)了時域和頻域的共存。

在閉眼時，O、O頻譜圖如圖5a）所示。從圖5a）可見，在8~13 Hz 處有明顯的功率譜譜峰值并且在50 Hz處有明顯的陷波下降。O、O電極的頻率擾動圖像分析如圖5b）所示。

從圖5b）可見，在200~600 ms 時8~13 Hz 處的頻率表現(xiàn)為“1 dB”方向的深色，說明所含有的α 波頻率較為明顯并且左側(cè)頻率的能量值有明顯上升，該時間段動作為閉眼動作；800 ms 后8~13 Hz 處的頻率表現(xiàn)為淺紅色及綠色，說明α 波頻率下降，該時間段動作為睜眼動作。整個時間段內(nèi)50 Hz 的頻率表現(xiàn)為“-1 dB”方向的深色，說明整個系統(tǒng)受工頻干擾的影響較少。

圖5 實驗數(shù)據(jù)及圖像

3.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性驗證

本實驗為了驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性又采集了6 名被試者（身體均保持健康）的睜眼、閉眼下α波的頻譜圖。6名被試者在安靜的環(huán)境中完成閉眼、睜眼動作，使用O電極采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)分析處理后如圖6 所示。

從圖6 中可明顯地觀測到10 Hz 附近有α 波的功率譜譜峰值以及50 Hz 處的陷波效果并且6 名被試者分析后的功率譜相近，只有較小的波動，證明了該腦電信號采集儀的穩(wěn)定性較好，可有效用于腦電信號的采集。

圖6 六名被試者閉眼頻譜圖

4 結(jié) 語

本文利用最新的模擬前端以及陷波芯片設(shè)計了一個8 通道腦電采集系統(tǒng)，具有抗干擾能力好的特點。提出了頻率譜分析法與頻譜擾動圖像分析法相結(jié)合的腦電信號處理方法，對枕葉區(qū)O、O電極采集的腦電信號分別進(jìn)行分析處理，另采集了6 位健康大學(xué)生的枕葉區(qū)O單電極腦電信號并進(jìn)行譜分析。被試者閉眼時發(fā)現(xiàn)了α 節(jié)律；在8~13 Hz 處α 波譜峰值尤為明顯并且觀測到在50 Hz 頻率處有明顯的信號衰減，從而實現(xiàn)了針對通道少且抗干擾能力差的8 通道腦電信號采集儀對工頻干擾的抑制能力。實驗證明了本系統(tǒng)可以有效用于腦電信號的采集，為視覺誘發(fā)以及運動想象等腦-機(jī)接口領(lǐng)域提供了技術(shù)基礎(chǔ)。