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來設(shè)計(jì)腦電信號(hào)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(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(shí)對(duì)患者帶來的痛苦和身心傷害，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(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)通過無線傳輸信號(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(hào)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(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：[!--empirenews.page--]

(2) 無線數(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;