基于TGAM 的无线脑电监测系统*

丛 林，马 进，胡文东，程 珊，张太辉

(空军军医大学 航空航天医学系，陕西 西安710032)

0 引言

脑电信号是脑神经细胞电活动在头皮表面或大脑皮层表现出的电现象，其包含了大量的与人类活动密切相关的生理信息，通过按照一定规则放置在头皮不同位置的电极提取脑电信号并绘制成一系列时间的曲线就是通常所说的脑电图(Electroencephalogram，EEG)[1]。 飞行是一种高负荷作业，对飞行员的心理素质特别是认知能力要求很高，有研究表明从脑电信号中获得的专注度参数能良好地反馈心理评价指标，对飞行训练有重要的参考价值[2-3]。 由于飞行员日常模拟训练一般在高负荷仿真环境座舱内进行，单次训练持续时间较长，而传统的脑电采集设备体积较大、价格昂贵并且使用条件较为苛刻，不能满足这些特殊的应用需求。因此，本文设计了一种低功耗、小型化、易使用的无线脑电监测系统。

1 总体设计

系统由脑电采集、无线平台和PC 端三部分组成，脑电采集使用TGAM 模块，输出的脑电信号通过串口传输到Nordic 2.4G 超低功耗无线平台，其中无线传输模块nRF24LE1 可将串口接收的脑电信号经内嵌的射频核心L01 无线发送至PC 端，PC 端通过无线接收器nRF24LU1接收数据，其内部的射频端首先接收射频信号，然后再将数据转发至USB 控制器，此时PC 通过API 函数与驱动程序访问USB 控制器从而获取无线传输过来的脑电数据并实时显示与存储。 系统总体结构如图1 所示。

图1 系统总体结构

2 硬件设计

2.1 脑电采集硬件设计

TGAM 是NeuroSky 公司的脑电模块，其内部集成了模拟前端和数字信号处理结构，最大10 mV 的系统输入噪声保证了自身硬件对脑电波采集的影响达到最小。该模块通过三路脑电通道将检测到的脑电信号经芯片内部放大、消噪、DAC 处理后可由NeuroSky eSense 专利算法将脑电波解读为用于表示用户当前精神状态的专注度和冥想度，同时TGAM 亦可输出原始脑电波数据，所有输出的数字信号都通过串口传输[4]。 脑电模块结构如图2 所示。

图2 TGAM 模块结构

P1 的5 脚从上到下分别为脑电信号输入、脑电信号保护、逻辑地、参考端保护、参考端输入。 脑电信号输入应接信号电极，逻辑地和参考端分别接参考电极和地电极，脑电信号保护与信号电极的导线屏蔽层相连，参考端保护与参考电极的导线屏蔽层相连。 P4 是电源供电，1 脚接VCC，2 脚接GND。 P3 的1 脚和2 脚是串口供电端，3 脚Rx 与4 脚Tx 则直接接入无线模块nRF24LE1的增强型51 内核的一路串口即可。

TGAM 在使用时还需在硬件上配置好内部陷波器和串口输出内容。 其中可配置的50 Hz/60 Hz 陷波器用来滤除不同国家地区电网的工频干扰，将其M 跳线接10 kΩ上拉电阻至VCC 拉高电平可选择为60 Hz 陷波器，接10 kΩ 下拉电阻至GND 拉低电平则配置为50 Hz 陷波器。 B0 与B1 跳线通过接10 kΩ 上拉或下拉电阻来配置TGAM 的波特率和输出内容，具体方法如表1 所示。 国内市电为50 Hz 电网，应配置TGAM 为50 Hz 陷波器，可通过将M 跳线盘接10 kΩ 下拉电阻至VCC。 进行脑电监测时需获取专注度、冥想度和EEG 波形值等全部数据，故应将B1 引脚上拉至VCC，BR0 引脚下拉至GND进行输出配置，如表1 所示。

表1 TGAM 输出配置

2.2 导联设计

脑电的电极按功能可分为信号电极、参考电极和地电极。 信号电极指用来直接采集脑电信号的电极，参考电极是用来设置参考零电位的电极，地电极主要是用来消除市电的工频干扰。导联方式可分为单极导联和双极导联，两种导联方式其信号电极和地电极要求是一致的，区别仅是参考电极的使用方式不同[5]。 单极导联是将参考电极放置于人体相对零电位处，使TGAM 记录到信号电极下的头皮脑电变化的绝对值。单机导联可获得比较稳定和完整的EEG 波形，能很好地反映实际的脑电变化。 双极导联则是将参考电极当作信号电极来使用，可记录信号电极与参考电极下的脑电电位差，即最终获得的脑电信号是两处头皮处波幅相减后的脑电信号。 双极导联无法准确地采集到完整的脑电波，比较适合采集局部脑电的波动，但却可避免因参考电极电位变化带来的误差。

综合比较两种导联方式的特点，考虑到监测时不但需要专注度和冥想度指标，亦需完整稳定的脑电信号，故采用了单极导联方式。单极导联时信号电极放置在前额中心处即可，主要问题是要选择好参考零电位的位置，绝对的参考零电位无法实现，只能选取尽量远离头皮的位置，如若选择四肢或者躯干，则易引入心电、肌电等其他生物电信号造成干扰。耳垂是一个较为理想的位置，可一定程度上远离头皮又不易引入其他生物电，故可选择一侧耳垂接参考电极作为零电位，另一侧耳垂接地电极。

2.3 无线传输

nRF24LE1 是Nordic 2.4G 无线射频系列的无线模块之一， 它集成了高速51 内核、2.4G 无线传输和丰富外设接口，可以形象表示为nRF24LE1=Flash51+2.4 GHz+WDT+ADC+AES+SPI+UART+I2C+PWM[6]。 本 文 使 用nRF24LE1 集成的串口与脑电的TGAM 模块进行通信，并把采集到的脑电数据经内嵌的无线射频核心L01 发送至PC 端。 nRF24LE1 内置的增强型51 内核、内存、外设接口等资源已满足脑电采集和无线收发的硬件需求，采用该模块既简化了电路结构，又节约了额外的微控制器成本。 nRF24LE1 发射框图如图3 所示。

图3 nRF24LE1 发射框图

PC 端的接收器使用了Nordic 2.4G 无线射频系列的nRF24LU1 无线模块，该模块与nRF24LE1 特点相似，都是高集成的片上系统且内嵌了射频核心，为方便区分两种模块的射频核心，称nRF24LU1 集成的射频核心为L01+。nRF24LU1 提供了支持USB2.0 协议的接口，可通过USB直接供电而无需设计额外的供电电路[7]。 L01+射频核心在接收到脑电模块的数据后通过SPI 口传输给增强型51 内核，51 内核再将接收到的无线数据转发给USB 控制器，当PC 端调用脑电监测软件时即可通过USB 进行通信。 nRF24LU1 接收框图如图4 所示。

图4 nRF24LU1 接收框图

3 监测软件设计

3.1 接收器与PC 的USB 通信

HID(Human Inter Device)，即人机交互设备，因Windows预安装了HID 设备的通用驱动，上位机应用程序可以很方便地通过系统自带的API 函数与HID 驱动进行通信[8]。 USB 协议规定只要符合HID 类别规范的设备都是HID 设备，并非一定要有人机接口，主要是指设备必须通过报告的形式进行数据传输[9]。 将接收器nRF24LU1配置为HID 设备不但大大节省了开发周期，也使得设备的系统兼容性更好。 具体配置过程分为HID 枚举、HID描述符设计、报告描述符设计三部分，本文主要阐述报告描述符的设计。

设计的报告描述符如下：

该报告描述符描述了一个广义用途为用户设备，但却未定义具体用途的HID 设备，因为该用途没有详细定义， 当进行开集合时系统不会把它当作标准系统设备，从而就形成了一个用户自定义的HID 设备。因为射频核心L01 和L01+二者一次传输的最大数据包皆为32 B，故两个输入报告的大小应设为31 B(报告ID 占1 B)。 令全 局 项 目REPORT_COUNT 为31，REPORT_SIZE 为8，此时对应的输入报告即为31 个数据域，每个数据域的长度为8 bit。 因为每字节的8 bit 都是有效数据位，则数据域逻辑值范围应为0～255，故令全局项目LOGICAL_MINIMUM 为0，LOGICAL_MAXIMUM 为255。 因 设 计 的HID 设备仅作数据传输用，不需要人机交互功能，局部项目USAGE_MAXIMUM 和USAGE_MINIMUM 无需专门定义，可设为未定义状态。

3.2 监测显示

脑电图的实时监测是利用人眼的视觉暂留在极短的时间内进行数据处理并显示局部变化的图像来实现的。 系统使用标准C++语言并以Microsoft Visual Studio 2019 为软件开发环境，采用西班牙Steema 公司开发的TeeChart 图表类控件呈现图形显示功能[10]。 将从数据流中提取出来的每一个真实原始波值放入数组RAW 中，使用Timer 定时器设置1/512 s 触发一次响应事件，设置好TeeChart 的输出为Fastline 曲线，每当触发定时事件时就将RAW 中的一组数据写入TeeChart 的序列中，TeeChart会自动描点相连得到连续的曲线。为了能够动态显示波形，采用了类似数字示波器的显示方式(即翻页方式)。曲线从绘图区域X 轴最左端的起点依次向右显示，等达到绘图区域最右端终点时，将此页曲线波形清除并将起点重新置于X 轴最左端以进行新一轮曲线的绘制。整个曲线绘制和清除过程循环刷新从而实现动态波形。通过TeeChart 的Export 类还可将当前绘图区域的心电图或脑电图保存成BMP、JPG、GIF 等格式供后续分析使用。 脑电监测软件界面如图5 所示。

图5 脑电监测软件界面

4 结论

本文基于TGAM 脑波模块，以低功耗、小型化、易使用为原则设计了无线脑电监测系统，构建了无线射频网络，实现了采集设备和监测电脑之间的无线传输，可实时监控飞行员地面模拟训练期间的专注度、冥想度以及脑电图，避免了因采集设备繁冗的连接线路而对操作造成干扰，影响训练结果。 系统运行稳定、功耗低、扩展性好，易于在特殊能力训练、医疗监护设备、玩具、游戏、教育等行业方面得到应用。