穿戴式脑电采集系统的研制

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自1924年人的脑电活动被首次记录下以来,关于脑电的研究一直没有停止。其间产生了神经科学研究领域的一门重要技术:脑-机接口。脑-机接口系统从整体上可分为脑电采集、信号处理和外部设备控制三部分。本文设计即围绕脑电采集展开。  随着科技的进步,采集脑电的设备—脑电图机已从早期的模拟脑电图机发展为现代主流的数字脑电图机。近几年,得益于发达的电子元器件集成技术,“穿戴式医疗设备”已成为研究热点。实现穿戴式脑电采集成为了一种趋势。  本文先分析脑电信号的特性,以确定脑电采集系统的功能需求及技术指标。再对系统进行整体设计,这其中包括关键元器件的选型及理论分析。  系统分为下位机、上位机两部分。其中,下位机硬件—脑电采集板的关键元器件确定为:前置放大器(AD8422)、A/D转换器(ADS1298)、主控单片机(STM32)、USB隔离(ADuM4160)及蓝牙串口模块(HC-06)。下位机工作原理为:脑电信号由电极导出送入采集板,信号经过前置放大后 A/D转换为数字信号;主控单片机通过 SPI总线将 A/D转换数据读回,并与蓝牙串口接收的脑电诱发同步信号一起打包;最后将打包数据通过USB总线发给上位机。为了保证采集脑电时人体的安全,采用USB隔离芯片对上、下位机进行电气隔离。在下位机软件中,结合使用了DMA、USB端点双缓冲及USB块传输来实现高速通信。  上位机软件的开发在LabVIEW平台下进行,使用NI-VISA工具包及其函数库实现上、下位机的USB通信。同时上位机软件还兼有波形显示和数据存储的功能。  本文的最后,对整个系统做出了测试。在关键技术指标中A/D转换误差为0.098%;共模抑制比达到了87.06db;整体内部噪声水平为1.82μV;USB通信速率达到了512KB/S。在实际脑电采集中,得到显著的α脑电波节律及ERP信号叠加图。同时整个脑电采集板的尺寸仅为63×43(mm×mm),在采集脑电时可以很方便的与脑电极帽连接,实现了可穿戴化。
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