刘亚，伍倚明，李承炜，陈军，吴凯，4，5

1.华南理工大学材料科学与工程学院生物医学工程系，广东广州510006；2.广东省医疗器械质量监督检验所，广东广州510663；3.广东省医疗器械研究所，广东广州510500；4.广东省老年痴呆诊断与康复工程技术研究中心，广东广州510500；5.广东省精神疾病转化医学工程技术研究中心，广东广州510370

前言

随着便携式医疗装置的发展，便携式脑电检测装置的研究也得到快速发展。传统的脑电图（EEG）一般采用有线方式，采集导联数较多，处理能力较强，但这类装置往往存在操作复杂和装置体积笨重以及用户体验差等问题［1］。而便携式脑电检测装置具有诸多优点：装置小巧便携，交互体验好，可在不同使用场景下长时连续地进行健康监测，检测成本与维护费用低，操作方法相对简单。因而，开发出可靠的便携式生理参数监测装置具有广泛的科学研究价值与市场应用前景。

本研究基于TI半导体公司的集成模拟前端芯片ADS1299进行设计［2］，集成模拟前端芯片采用24位Σ-ΔADC对脑电信号进行模数转换，并结合蓝牙4.0无线传输模块，该脑电检测装置具有体积小、功耗低、精度高等优点，并通过电源管理与低功耗设计从而降低设备功耗，运用单片机程序设计实现脑电采集功能，通过程序配置内部测试信号，从而验证ADS1299的精确性与低噪声特性［3］，最大限度地将脑电检测服务延伸到院外，能够进行长时间、实时以及在线监护。

1 便携式脑电检测装置设计方案

便携式脑电检测装置系统设计主要包括集成模拟前端ADS1299脑电采集电路设计、系统低功耗设计及电源管理电路设计3大部分。便携式脑电设备通过脑电电极采集使用者脑电信号，然后通过集成模拟前端芯片ADS1299对模拟脑电信号进行信号调理与模数转换，转换后的数字脑电信号通过SPI接口输出给外部低功耗铁电存储MCU控制器进行数据处理，该控制器采用MSP430FR5739系列［4］，处理后的数据通过BLE蓝牙4.0模块进行无线数据传输，电源管理单元采用双极电源供电方式为各功能单元供电并进行功耗管理，整个装置的控制通过单片机的脑电采集程序设计来实现。最后，脑电采集结果可通过Matlab GUI进行显示和分析。便携式脑电检测装置结构框图如图1所示。

图1 便携式脑电检测装置结构框图Fig.1 Block diagram of portable electroencephalogram(EEG)detection device

2 系统硬件设计与实现

2.1 集成模拟前端脑电检测电路设计

脑电检测电路基于集成模拟前端芯片ADS1299进行设计。ADS1299具有8通道低噪声、高分辨率同步采样的Σ-ΔADC模数转换器，内置可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier,PGA）、输入复用器、内部基准电压、时钟振荡器和偏置放大电路与内部测试源以及导联脱落检测电路，内部器件噪声低于1 μV，具备脑电采集所需的全部常用功能［2,5］。并且以通道正常运行时消耗5 mW的低功耗特性和高集成度特点，能够大幅度缩小板级空间，显著降低整体成本，构建可扩展的脑电采集系统。

由于ADS1299的模拟电源供电范围为4.75～5.25 V，而锂电池的工作电压为3.7 V，因此本设计ADS1299的电源供电方式采用双极电源方式进行供电，即模拟电源AVDD=+2.5 V，AVSS=-2.5 V，可通过低压差线性稳压器LDO对锂电池电压进行转换得到［6］。数字电源DVDD为3.0 V。其中模拟电源的纹波噪声应尽量小，每个电源都要通过10 μF和0.1 μF与地相连，拓扑结构上采用星形连接方式。ADS1299的电路原理图如图2所示。

集成模拟前端芯片ADS1299通过配置输入复用器可将输入信号配置为不同类型的输入信号。在测试阶段可以将输入信号配置为内部方波测试信号和输入短路测试信号，在测量正常脑电信号时，可将输入信号配置成单端输入方式和差分输入方式进行测量。本装置采用单端输入方式进行脑电信号的检测，所有通道的负输入端连接到耳电极，作为参考电极。脑电电极与耳电极之间形成电势差，通过输入复用器进入PGA进行一级放大［7］。另一部分通过采样电阻将输入信号采样叠加后输入到偏置放大器的负输入端，然后通过偏置输出到耳电极，从而将耦合进来的共模干扰通过偏置放大器进行反相输出到人体，从而降低共模干扰的影响［8］，只需微弱的电流即可很大程度上提升系统的共模抑制比（CMRR），从而提高脑电信号采集的质量。经过PGA放大后的脑电信号进入Σ-ΔADC进行模数转换，转换后的脑电数据通过SPI接口发送给外部低功耗铁电存储MCU进行处理分析，即可通过ADS1299完成高质量的脑电数据采集。外部MCU通过SPI与ADS1299进行数据通信，将脑电数据通过异步通信串口发送给蓝牙模块，从而进行无线数据的传输［9-13］。ADS1299可通过寄存器的配置，从而将系统配置成所需的数据输出率和带宽，便于设计者对性能和功耗进行优化配置，可根据不同应用场景对脑电采集装置进行不同配置，具有很高的灵活性和低功耗特性［2］。

2.2 电源管理电路

图2 ADS1299脑电检测电路原理图Fig.2 ADS1299-based EEG detection circuit

采用低压差线性稳压器S-1721A3025固定输出两路电源，分别为3.0与2.5 V。然后通过电源反相器LMP2664进行反向输出-2.5 V电压，通过2.5 V双极电源对ADS1299的模拟电压AVDD进行供电。适配器连接电源插座，接头J2与3.7 V锂电池相连，POWER_EN、AFE_ON和OFF/START 3个端口与低功耗铁电存储MCU控制器相连，可控制其它单元模块的电源开断，从而灵活管理各功能模块的电源供电，增强系统的稳定性，并通过程序控制可有效提升系统的续航能力［14］。考虑到便携式脑电检测设备的便携性与可持续使用的要求，设计了单键开关机电路，可通过长按与短按控制设备的开关机状态，并进一步运用充电芯片BQ24202进行充电管理。脑电采集装置电源管理电路原理图如图3所示。

2.3 低功耗设计

电源是系统稳定运行的前提与基础，便携式设备的电源设计必须具备体积小、噪声低、集成度高等特点。本装置的低功耗设计主要通过电源管理模块与低功耗集成芯片的选型来降低功耗，通过程序控制各功能模块的功耗模式，有采集任务处于正常工作状态，无任务时则处于待机状态，可有效降低系统功耗，提升设备续航能力。本设计中低功耗MCU控制器选择具有超低功耗铁电存储器系列的MSP430FR5739控制器［4］，该型号控制器具有丰富的内部资源，并采用非易失性超低功率铁电存储FRAM技术进行数据读写。BLE蓝牙4.0模块采用基于无线收发集成芯片CC2541进行开发，支持蓝牙4.0协议，可通过UART接口进行功能配置，并通过电源管理模块与单片机程序控制可按需配置各功能模块的功耗模式与电源开断状态，从而达到降低设备功耗，提升设备续航能力的目的。

3 系统软件设计

便携式脑电检测功能主要通过低功耗铁电存储MCU控制器MSP430FR5739单片机编程实现，图4为脑电信号检测软件程序流程图，设备上电以后，主程序对系统时钟、外设模块所需的GPIO端口、UART、SPI接口进行初始化设置，设置脑电数据包格式，并对数据包进行初始化。初始化完成后开始校验ADS1299是否工作正常，ID正确后对ADS1299进行初始化配置，包括ADS1299的内部功能寄存器和时钟源配置等；以上配置完成后则开启全局中断，发送开始连续读数据操作指令；中断产生则通过SPI连续读取8通道脑电数据；通过串口将数据发送给蓝牙模块，蓝牙模块进行无线数据传输发送给PC端Matlab GUI进行接收。

4 结果和测试

图3 电源管理电路原理图Fig.3 Schematic diagram of power management circuit

图4 脑电检测装置单片机程序流程图Fig.4 Flow chart of microcontroller program of EEG detection device

通过以上原理分析与单元电路设计，各单元电路的搭建模型与测试实验如图5所示，包括集成模拟前端芯片ADS1299脑电采集电路、低功耗铁电存储MCU控制器、电源管理电路、BLE蓝牙4.0及测试模拟仪MiniSim330，最终实现印刷电路板PCB的绘制与产品实物的设计（图6），脑电检测装置的真人佩戴方式如图7所示。由于脑电信号属于微弱信号源，因此在PCB布线时对噪声的抗干扰能力要求更高。在进行布线时电源旁路去耦电容应尽量靠近元器件，封装焊盘连接到地线，电源电路引出的所有电源应采用单点接地方式连接于同一点，集成模拟前端ADS1299的数字信号与模拟信号应尽可能分开走线，模拟输入信号和模拟地应加屏蔽［15］。便携式脑电检测设备几何尺寸大小为（4.1×7.5）cm2，可检测8通道脑电信号，具有体积小、功耗低、精度高等特点。

系统基本参数测试主要参照标准JJG 1043-2008脑电图机检定规程提出的技术要求［16］。集成模拟前端芯片ADS1299内部通过输入复用器可以提供多种测量信号，包括输入短路系统噪声测量和方波测量信号，该芯片评估板通过USB接口与PC端上位机软件进行连接，可将采集的数据发送至PC端进行实时显示，可连续采集，也可按需进行数据采集［2］，因此，可以通过配置ADS1299的内部寄存器进行设备的精确性与低噪声特性测试，主要流程如图8所示。ADS1299评估板如图9所示。

便携式脑电检测设备的基本参数测试，通过单片机配置寄存器产生内部方波测试信号与输入短接测试信号，用于测试设备的精确性与低噪声特性。本设计中内部方波测试信号的幅度为(VREFP-VREFN)/2.4，频率为Fclk/221，式中VREFP-VREFN=VREF=4.5 V，Fclk=2.048 MHz，便携式脑电检测设备检测到的测试信号通过Matlab进行波形显示（图10），分析可知Vpp=3.74 mV，频率为1 Hz，与给定的内部测试信号幅值与频率相一致。当输入信号配置为输入短路测试信号时，通过Matlab进行波形显示（图11），截取内部方波测试信号4 000采样点数据，分析可知输入短接后器件内部噪声有大约19 μV的基线漂移，信号峰峰值小于1 μV，由此可见ADS1299具有非常低的器件噪声，对于脑电μV级别的信号具有很好的器件噪声性能，适用于微弱脑电信号的前端采集。

通过示波器的4个通道分别连接至ADS1299的CS、SCLK、DIN和DOUT引脚，同步测试SPI的时序电平，可以用来测试便携式脑电检测设备的SPI通信是否正常配置，测试结果如图12所示。其中蓝色线为CS低电平使能状态波形，黄色线为SCLK时钟信号，紫色线为DIN高足状态信号波形，荧色线为DOUT数据输出波形，对比ADS1299的SPI时序图，可知示波器的时序测试结果与之相一致，从而保证ADS1299进行寄存器指令配置的正确性与数据通讯的正确性。

图5 各单元电路的搭建模型与测试实验图Fig.5 Construction model of each unit circuit and test experiment

图6 脑电检测装置PCB布线图与3D图及装置实物图Fig.6 PCB wiring diagram and 3D graph of EEG detection device and its picture

图7 脑电检测装置佩戴图Fig.7 EEG detection device wearer

MiniSim330是由Netech公司生产的一款便携小巧的脑电模拟仪，该仪器可模拟ABR、方波、正弦波和三角波等波形，具有5个独立的输出通道，可用于脑电图机等设备的性能测试。该款模拟仪具有专用的脑电电极接头，可输出多种信号波形，且频率和幅值可通过按键调节，体积小、重量轻、操作简便。输出的ABR波幅值为0.64 μV，频率为1 kHz，另外输出的正弦波、方波和三角波，频率可在0.1、2、5、50、60 Hz之间选择，幅值最低可达10 μV，最高可达2.5 mV，进度为±1%［17-18］。

图8 ADS1299内部测试信号程序流程图Fig.8 Flow chart of ADS1299 internal test signal program

图9 ADS1299评估板Fig.9 ADS1299 evaluation board

图10 脑电检测装置内部方波测试信号Fig.10 Internal square wave test signals of EEG detection device

图11 脑电检测装置输入短接测试信号Fig.11 Input short connection test signals for EEG detection device

便携式脑电检测设备对μV级脑电信号的检测性能主要通过MiniSim330脑电模拟仪产生μV级别的方波与正弦波信号以及三角波信号，本测试选取30 μV，2 Hz的正弦波作为输入信号，输入给便携式脑电检测设备进行模数转换与蓝牙无线传输，PC端基于Matlab编写的GUI对接收到的测试信号进行显示分析，波形显示如图13所示。由图13可知便携式脑电检测设备具有很低的器件噪声，对于μV级脑电信号具有较强的检测能力。

本装置的最小分辨率为0.16 μV，数据输出率为250 Hz，信号带宽为70 Hz，系统噪声小于1 μV，因此可满足便携式脑电检测设备对于信号可靠性、低功耗以及便携性的需求。

5 总结

图12 集成模拟前端ADS1299的SPI时序测试Fig.12 SPI timing test by integrated analog front-end ADS1299

图13 MiniSim330正弦波测试GUI实时显示界面Fig.13 Real-time display interface of GUI for MiniSim330 sine wave test

通过对传统脑电采集装置相对笨重、体积庞大、导联线冗长、不可长时间连续监护等问题的分析，以及对便携式健康监测设备信号精确性、稳定性和系统低功耗性能的研究，设计开发了一款基于集成模拟前端ADS1299的便携式脑电采集装置，可以将院内传统脑电检测服务延伸到院外进行长时间、实时、在线监护。通过内部方波与器件噪声对系统参数进行测试，验证了该装置的精确性与低噪声特性，适用于脑电信号的检测，可满足日常生活中不同状态下的监护需求，对智能医疗的发展有着重要的推动和参考价值。