無(wú)線腦電信號(hào)采集檢測(cè)系統(tǒng)，方案設(shè)計(jì)，軟硬件實(shí)現(xiàn)

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

腦電信號(hào)是由腦神經(jīng)活動(dòng)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(dòng)，含有豐富的大腦活動(dòng)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(hào)采集系統(tǒng)具有非常重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)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(lái)設(shè)計(jì)腦電信號(hào)無(wú)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(hào)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(kāi)發(fā)的成功率、靈活性和可靠性。在本系統(tǒng)中我們?cè)O(shè)置了2導(dǎo)電極，它們采用單極導(dǎo)聯(lián)方式，通過(guò)這2個(gè)電極對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采集，然后進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、A/D變換、MCU處理，再經(jīng)由USB與計(jì)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(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

當(dāng)今社會(huì)腦部疾病困擾了越來(lái)越多的人，是導(dǎo)致人類(lèi)死亡的主要疾病之一。例如癲癇，它發(fā)作時(shí)對(duì)患者帶來(lái)的痛苦和身心傷害，嚴(yán)重時(shí)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(jì)，全國(guó)癲癇病患者總?cè)藬?shù)為900萬(wàn)人，每一年新增抱病人35萬(wàn)，其中兒童就占總癲癇病患者總?cè)藬?shù)的2/3，有癲癇專(zhuān)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(guò)分析患者的腦電波來(lái)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(huì)損傷控制肌肉運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)通路或者損害肌肉本身，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致患者完全失去對(duì)肌肉的控制能力，不能以任何方式傳遞信息。然而可以通過(guò)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)腦電信號(hào)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(hào)幅值微弱且因人變化較大時(shí)的情況；

(2) 輸入阻抗大，以便拾取的信號(hào)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(hào)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(hào)；

(6) 高安全性，以確保人體的絕對(duì)安全；

(7) 硬件部分實(shí)現(xiàn)2導(dǎo)腦電信號(hào)采集；

(8) 2導(dǎo)采集到的腦電信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸信號(hào)；

(9) 2導(dǎo)腦電信號(hào)在PC機(jī)上實(shí)時(shí)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(wú)線通信距離，達(dá)到10m。

三、方案設(shè)計(jì)

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(xiàng)目主要由三個(gè)部分組成：腦電信號(hào)采集處理模塊、無(wú)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(jì)采用以CY8C3866AXI為主微控制器的CY8CKIT-003開(kāi)發(fā)板，將通過(guò)專(zhuān)用電極采集得到腦電信息，經(jīng)過(guò)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(hào)傳輸?shù)紺yFi的節(jié)點(diǎn)RF Node，再通過(guò)CY8CKIT-003開(kāi)發(fā)板上擴(kuò)展RF Hub接收來(lái)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(jì)上位機(jī)程序在線顯示腦電信號(hào)。系統(tǒng)框圖如下所示：

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

硬件平臺(tái)選用CY8CKIT-003

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括：下位機(jī)（PSoC）程序編制和上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）軟件。下位機(jī)的主要任務(wù)是完成腦電信號(hào)的調(diào)理、采集和計(jì)算機(jī)通信等；上位機(jī)軟件是用來(lái)實(shí)時(shí)顯示腦電圖、記錄腦電數(shù)據(jù)以及完成對(duì)下位機(jī)的監(jiān)控等。上位機(jī)軟件用來(lái)同時(shí)顯示2導(dǎo)腦電波形圖。此外，我們也可以在PSoC芯片和計(jì)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(hào)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(hào)采集的程序流程圖設(shè)計(jì)如下圖所示：

（2） 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蛄鞒虉D設(shè)計(jì)如下圖所示：

（3） 上位機(jī)見(jiàn)面設(shè)計(jì)的程序流程圖設(shè)計(jì)如下圖所示：

3.5 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

在PC機(jī)上能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集到的腦電信號(hào)，預(yù)測(cè)在PC機(jī)上顯示的效果如下圖所示；