景維斌

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州醫(yī)藥分院，江蘇 徐州 221000；江蘇省徐州醫(yī)藥高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 徐州 221000）

腦電信號的獲取是通過腦電電極連接腦電圖機與人體頭皮從而將腦電信號采集出來。由于腦電信號極其微弱，所以在監(jiān)測過程中容易受到外界的干擾，而電極和頭皮間接觸不良則是其中一個主要的干擾源。為了得到更真實準(zhǔn)確的極其微弱的腦電信號，腦電圖機對電極與頭皮間的接觸阻抗的要求非常嚴(yán)格，接觸阻抗越小，引入的交流干擾越小，得到的反映腦電信號的波形的質(zhì)量越高、越穩(wěn)定，一般接觸阻抗應(yīng)小于10KΩ。由于電極與頭皮間接觸的好壞是直接影響二者之間接觸阻抗大小的重要因素，因此，腦電圖機均配置有電極與頭皮接觸阻抗檢測電路。醫(yī)護人員在開始記錄腦電信號之前對各電極與頭皮間的接觸阻抗進行檢測，并在檢測完成后通過指示燈的指示來判斷各電極與頭皮間的接觸是否正常，以保證后續(xù)進行的腦電信號記錄的可靠性。

1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于STM32單片機的數(shù)字腦電圖機電極與頭皮接觸阻抗的測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由腦電信號采集電路、信號處理電路、STM32F103ZET6單片機、阻抗測試電路和上位機等組成。其中信號處理電路由導(dǎo)聯(lián)選擇、前置放大器、低通濾波、二級放大器構(gòu)成。系統(tǒng)讀取人體腦電信號，經(jīng)信號處理電路進行預(yù)處理，將預(yù)處理后的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和光耦隔離電路送入單片機進行數(shù)據(jù)分析。單片機采集到的數(shù)值與10K阻抗值進行比較。若大于10K阻抗值，則說明頭皮與電極接觸不良，相應(yīng)導(dǎo)聯(lián)指示燈亮；若小于10K阻抗值，則說明接觸良好，相應(yīng)導(dǎo)聯(lián)指示燈不亮。其分析結(jié)果通過USB通訊接口傳輸?shù)缴衔粰C顯示、處理，并通過Φ3綠色發(fā)光二極管對電極與頭皮接觸好壞進行直觀指示。

2.硬件電路設(shè)計

2.1 單片機的選取

本系統(tǒng)的單片機采用意法半導(dǎo)體公司基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器STM32F103ZET6，該芯片最大工作頻率可達72MHz，擁有豐富的片內(nèi)資源，如定時器、ADC、DAC、PWM和串口等，具有處理速度快、應(yīng)用成本低、性價比高等特點。系統(tǒng)使用了該芯片12位高精度ADC、定時器和串口資源，使得硬件電路更加簡潔，提高了系統(tǒng)的集成性。

2.2 振蕩電路

由SA555構(gòu)成多諧振蕩器電路。電路圖如圖2所示：

多諧振蕩器的振蕩周期公式：T=0.693×（R1+2R2）×C。其中，R1=10KΩ，R2是腦電圖電極與耳電極之間的阻抗，C=0.01μF。

2.3 指示燈控制電路

指示燈控制電路采用ZLG7289，電路圖如圖3所示：

圖3 指示燈控制電路

ZLG7289具有SPI串行接口功能的、可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管或64只獨立LED的智能顯示驅(qū)動芯片。可以很方便地管理LED顯示，特別是LED數(shù)量比較多時，可以為系統(tǒng)節(jié)約大量的資源，ZLG7289內(nèi)部含有顯示譯碼器，可直接接收BCD碼或16進制碼，并同時具有兩種譯碼方式。

3.軟件電路設(shè)計

單片機用一個定時器實現(xiàn)1s定時，用中斷實現(xiàn)脈沖計數(shù)。啟動1s定時，打開中斷開始計數(shù)，當(dāng)定時1s時間到了，關(guān)閉中斷停止計數(shù)，中斷計數(shù)的值就是頻率值。通過公式T=0.693×（R1+2R2）×C計算的頻率值與電阻值的對應(yīng)關(guān)系如下表1所示。

表1 頻率值與電阻值的對應(yīng)關(guān)系

由表1可知，10K阻抗的頻率為4810Hz。進行頭皮阻抗測試時，單片機采集到的頻率值與4810Hz進行比較，若大于4810Hz則說明接觸不良，相應(yīng)導(dǎo)聯(lián)的指示燈亮；若小于4810Hz，則說明接觸良好，相應(yīng)導(dǎo)聯(lián)的指示燈不亮。一般檢測標(biāo)準(zhǔn)腦電16導(dǎo)聯(lián)，為了用戶更直觀地觀察，可以在上位機軟件模擬人的頭型電極放置位置安放16個指示燈，單片機通過USB通訊將采集的數(shù)值上傳到上位機，上位機進行數(shù)值判斷，進而用模擬的指示燈進行接觸好壞的指示。

程序流程圖如圖4所示：

圖 4 程序流程圖

4.結(jié)語

本文介紹了一款基于STM32單片機的腦電圖機電極與頭皮接觸阻抗的測試系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)總體設(shè)計方案，搭建了系統(tǒng)硬件平臺，闡述了軟件程序流程。通過測試，系統(tǒng)運行可靠，醫(yī)護人員在開始記錄腦電信號之前對各電極與頭皮間的接觸阻抗進行檢測，并在檢測完成后通過指示燈的指示來判斷各電極與頭皮間的接觸是否正常，以保證后續(xù)進行的腦電信號記錄的可靠性。