無線腦電信號采集檢測系統(tǒng)，方案設(shè)計，軟硬件實(shí)現(xiàn)

一、項目概述

1.1 引言

腦電信號是由腦神經(jīng)活動產(chǎn)生并且始終存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自發(fā)性電位活動，含有豐富的大腦活動信息，經(jīng)常用于腦部疾病、精神疾病、睡眠分析等腦科學(xué)相關(guān)研究，是大腦研究、生理研究、臨床醫(yī)學(xué)診斷的重要手段。因此，腦電信號采集系統(tǒng)具有非常重要的科學(xué)研究價值和臨床診斷意義。我們采用了Cypress公司的可編程片上系統(tǒng)芯片CY8C3866來設(shè)計腦電信號無線采集系統(tǒng)。

Cypress公司的PSoC系列芯片是一種真正具有混合信號處理能力的可編程片上系統(tǒng)芯片(PSoC)，片內(nèi)集成了可編程的模擬與數(shù)字系統(tǒng)，可靈活配置用戶所需的各種功能模塊，這樣提高了硬件開發(fā)的成功率、靈活性和可靠性。在本系統(tǒng)中我們設(shè)置了2導(dǎo)電極，它們采用單極導(dǎo)聯(lián)方式，通過這2個電極對腦電信號進(jìn)行同時采集，然后進(jìn)行信號調(diào)理、A/D變換、MCU處理，再經(jīng)由USB與計算機(jī)通信，將采集到的腦電圖顯示在顯示器上并記錄到電腦中，以便于人機(jī)交互和數(shù)據(jù)分析。

1.2 項目背景/選題動機(jī)

當(dāng)今社會腦部疾病困擾了越來越多的人，是導(dǎo)致人類死亡的主要疾病之一。例如癲癇，它發(fā)作時對患者帶來的痛苦和身心傷害，嚴(yán)重時甚至危及生命，患者若為兒童還將影響到身體和智力發(fā)育。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國癲癇病患者總?cè)藬?shù)為900萬人，每一年新增抱病人35萬，其中兒童就占總癲癇病患者總?cè)藬?shù)的2/3，有癲癇專家指出兒童癲癇患者人數(shù)將持續(xù)走高。而癲癇的臨床診斷一般都通過分析患者的腦電波來完成;再如腦中風(fēng)、腦癱、肌肉萎縮、多發(fā)性硬化等腦部及脊髓疾病都會損傷控制肌肉運(yùn)動的神經(jīng)通路或者損害肌肉本身，嚴(yán)重時將導(dǎo)致患者完全失去對肌肉的控制能力，不能以任何方式傳遞信息。然而可以通過實(shí)時采集監(jiān)測腦電信號為大腦建立一條新型的信息與控制通道向外界傳送信息和指令以實(shí)現(xiàn)患者與外界溝通交流的愿望。

二、需求分析

2.1 功能要求

(1) 增益可調(diào)節(jié)，以便處理信號幅值微弱且因人變化較大時的情況;

(2) 輸入阻抗大，以便拾取的信號強(qiáng);

(3) 高共模抑制比，消除工頻及極化電壓的干擾;

(4) 低噪聲，以便提高信號的信噪比;

(5) 合適的帶寬，以便有效的抑制噪聲，提取有用信號;

(6) 高安全性，以確保人體的絕對安全;

(7) 硬件部分實(shí)現(xiàn)2導(dǎo)腦電信號采集;

(8) 2導(dǎo)采集到的腦電信號通過無線傳輸信號;

(9) 2導(dǎo)腦電信號在PC機(jī)上實(shí)時顯示。

2.2 性能要求

(1) 系統(tǒng)分辨率，達(dá)到5V;

(2) 系統(tǒng)精度，達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換的20位精度;

(3) 采樣頻率，達(dá)到128Hz;

(4) 無線通信距離，達(dá)到10m。

三、方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理(除圖片外需有文字介紹)

該項目主要由三個部分組成：腦電信號采集處理模塊、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和終端數(shù)據(jù)顯示模塊。系統(tǒng)設(shè)計采用以CY8C3866AXI為主微控制器的CY8CKIT-003開發(fā)板，將通過專用電極采集得到腦電信息，經(jīng)過高精度高增益的放大電路和濾波預(yù)處理后送入主控制器(CY8C3866AXI)進(jìn)行PSoc內(nèi)部放大及A/D轉(zhuǎn)換模塊等處理，最后將處理得到的腦電信號傳輸?shù)紺yFi的節(jié)點(diǎn)RF Node，再通過CY8CKIT-003開發(fā)板上擴(kuò)展RF Hub接收來自RF Node的腦電信息，利用USB控制芯片CY7C68013A控制與主機(jī)的USB數(shù)據(jù)傳輸。另外PC端設(shè)計上位機(jī)程序在線顯示腦電信號。系統(tǒng)框圖如下所示：

3.2 硬件平臺選用及資源配置

硬件平臺選用CY8CKIT-003

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括：下位機(jī)(PSoC)程序編制和上位機(jī)(計算機(jī))軟件。下位機(jī)的主要任務(wù)是完成腦電信號的調(diào)理、采集和計算機(jī)通信等;上位機(jī)軟件是用來實(shí)時顯示腦電圖、記錄腦電數(shù)據(jù)以及完成對下位機(jī)的監(jiān)控等。上位機(jī)軟件用來同時顯示2導(dǎo)腦電波形圖。此外，我們也可以在PSoC芯片和計算機(jī)內(nèi)部集成一些用戶自己編制的相關(guān)算法程序，以實(shí)現(xiàn)腦電信號分析處理和腦機(jī)接口等方面的應(yīng)用研究。

3.4 系統(tǒng)軟件流程(除圖片外需有文字介紹)

(1) 腦電信號采集的程序流程圖設(shè)計如下圖所示：[!--empirenews.page--]

(2) 無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蛄鞒虉D設(shè)計如下圖所示：

(3) 上位機(jī)見面設(shè)計的程序流程圖設(shè)計如下圖所示：

3.5 系統(tǒng)預(yù)計實(shí)現(xiàn)結(jié)果

在PC機(jī)上能實(shí)時監(jiān)測采集到的腦電信號，預(yù)測在PC機(jī)上顯示的效果如下圖所示;