用于VR環(huán)境的低成本、無線腦電圖測(cè)量系統(tǒng)

▼關(guān)注公眾號(hào)：工程師看海▼

原文來自：云深之無跡

文章來自張老師的推薦，看了看感覺很有趣。里面用的芯片是咱們的老朋友-開源EEG-腦電采集硬件KS108x

文章在此

近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，用于測(cè)量研究和醫(yī)療環(huán)境中大腦活動(dòng)的系統(tǒng)和設(shè)備越來越先進(jìn)。一個(gè)已被廣泛探索但尚未有效實(shí)現(xiàn)的概念是，在人們?yōu)g覽虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)環(huán)境時(shí)收集腦電圖（EEG）測(cè)量數(shù)據(jù)。 腦電圖測(cè)量是對(duì)大腦自發(fā)電子活動(dòng)的記錄，通常使用連接在頭皮上的小型電極進(jìn)行收集。這些記錄可以提供有關(guān)一個(gè)人大腦活動(dòng)的有趣信息，幫助醫(yī)生檢測(cè)各種疾病，包括睡眠障礙、癲癇、腦損傷和中風(fēng)。 將這些測(cè)量與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）體驗(yàn)相結(jié)合，神經(jīng)科學(xué)家就能更好地了解隨機(jī)個(gè)體或具有一系列特征的人群在不同虛擬環(huán)境中的大腦活動(dòng)是如何變化的。 特點(diǎn)： 低成本（60.07美元）、小型、無線、高精度、低功耗的4通道腦電測(cè)量系統(tǒng)（NeuroVista），用于額葉腦電測(cè)量，可與VR耳機(jī)配合使用，實(shí)現(xiàn)腦電測(cè)量在 VR 環(huán)境中。 該系統(tǒng)的輸入?yún)⒖荚肼曅∮?.9480μVrms，共模抑制比大于96dB，測(cè)量分辨率小于0.1μV，帶寬0.5~45Hz，工作在250Hz采樣率。它還支持金屬干電極，并包括內(nèi)置模擬帶通濾波器、右腿驅(qū)動(dòng)電路，以及內(nèi)置數(shù)字低通濾波器和陷波濾波器，可以降低測(cè)量過程中的噪聲。研究人員可以根據(jù)需要重建電極系統(tǒng)來測(cè)量感興趣的區(qū)域。

可以看到是一個(gè)4電極系統(tǒng)，PCB是自己設(shè)計(jì)的，較為小巧。

它的意思是自己的系統(tǒng)小巧，給了很多維度

其實(shí)小巧的原因是來自于咱們坪山村兒的一個(gè)企業(yè)生產(chǎn)的小芯片，這個(gè)我寫完文章就發(fā)出去打樣。 NeuroVista的腦電測(cè)量裝置能夠測(cè)量來自四個(gè)額通道的腦電信號(hào)，參考電極放置在耳垂處。此外，它還采用右腿驅(qū)動(dòng)電極來減少人體中的共模噪聲，該電極也放置在耳垂處。 右腿驅(qū)動(dòng)電路-看不懂也沒有辦法版，在這個(gè)左上角就是右腿驅(qū)動(dòng)，搞一個(gè)反向的信號(hào)懟回去。后面使用了比AFE還貴的ADC接收信號(hào)。 首先，電極系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，它直接接觸皮膚，采集人體表面的電位差。另外，電極系統(tǒng)負(fù)責(zé)將驅(qū)動(dòng)右腿電路輸出的反相共模噪聲加載到人體上，減少共模噪聲干擾。

該設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸為 45 毫米 x 30 毫米 x 12 毫米，重量為 34 克，可以輕松連接到 VR 耳機(jī)。它由3.7 V鋰電池供電，集成電源管理模塊，可以使用USB type-c 5 V電源適配器方便地充電。該設(shè)備采用低功耗設(shè)計(jì)，功耗極低，250mAh鋰電池可連續(xù)使用2小時(shí)以上。 單通道腦電信號(hào)的傳輸路徑如圖所示。 它由三個(gè)組件組成：電極系統(tǒng)、KS1092 中的信號(hào)路徑以及信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳輸單元，其中包括 ADC（AD7682，Analog Devices, Inc.）、微控制器單元（MCU、STM32F103C8T6、STMicroElectronics NV）和低功耗藍(lán)牙模塊（BLE106，濟(jì)南優(yōu)斯物聯(lián)科技有限公司）。 KS1092輸出的信號(hào)由AD7682采集并轉(zhuǎn)換。ADC采用AD7682，它是16位、4通道逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器(SAR ADC)。 原文來自：云深之無跡 AD7682 具有可設(shè)置為 2.5 V 的內(nèi)部基準(zhǔn)電源。這樣就無需外部高精度基準(zhǔn)電壓源。 NeuroVista 集成了一個(gè)電池管理系統(tǒng) (BMS)，該系統(tǒng)圍繞德州儀器 (TI) 的 BMS 芯片 BQ24073 構(gòu)建。 用戶可以通過type-c端口使用USB適配器為設(shè)備充電。然而，值得注意的是，充電會(huì)給信號(hào)鏈帶來顯著的噪聲。因此，建議避免在設(shè)備充電時(shí)進(jìn)行腦電圖測(cè)量。 MCU的作用很簡(jiǎn)單，就是兩個(gè)SPI配置和傳輸，以及我不確定濾波是怎么搞的，一會(huì)兒看看文件包，最后就是串口控制BLE。

外設(shè)使用

樸實(shí)無華的控制

1.配置KS1092和AD7682的參數(shù)。 2. 以固定的時(shí)間間隔讀取AD7682的轉(zhuǎn)換結(jié)果。 3、對(duì)腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，包括低通濾波和陷波濾波。 4. 封裝腦電數(shù)據(jù)并通過UART發(fā)送至BLE模塊，BLE模塊再將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。

這個(gè)流程圖就寫的很清楚了

可以看到，數(shù)據(jù)量較大，甚至使用了DMA在給串口輸出。

EEG 信號(hào)最初以 750 Hz 的速率進(jìn)行采樣，然后通過 50 Hz/60 Hz、帶寬為 8 Hz 的二階單陷波濾波器進(jìn)行處理，以消除信號(hào)中存在的電力線干擾。此后，信號(hào)經(jīng)過截止頻率為 50 Hz 的 10 階巴特沃斯低通濾波器，以消除高頻噪聲。 最后，信號(hào)被下采樣至 250 Hz。這個(gè)過程涉及最初以較高的速率采樣，然后進(jìn)行下采樣，主要是因?yàn)檩^高的采樣率在對(duì)抗混疊效應(yīng)方面更有效。 使用更高采樣率的濾波器可以實(shí)現(xiàn)更精確的信號(hào)處理。然而，由于MCU的處理速度限制以及BLE模塊的限制，以250Hz的速率傳輸數(shù)據(jù)已經(jīng)接近系統(tǒng)的極限。因此，信號(hào)在經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理后，被下采樣至250Hz。

這個(gè)就很有學(xué)習(xí)的必要了

這個(gè)ADC是7通道的，只能說是富哥

這個(gè)BLE小小的

直接串口通訊

還可以一群

看參數(shù)其實(shí)也不咋省電

BLE的硬件構(gòu)建

因?yàn)橛?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/105/" target="_blank">射頻功能，所以這個(gè)模塊的擺放有說道

BLE的話，就是AT控制，這篇文章不說很多的代碼，就擺著一下

電路板有三塊

這個(gè)是主要的，主要的芯片在下面

主板PCB的制作要求為：4層結(jié)構(gòu)，F(xiàn)R4板型，外層銅厚1盎司，內(nèi)層銅厚0.5盎司，最小線寬≤0.2mm，最小線距≤0.2mm，最小線距≤0.2mm。過孔直徑≤0.3mm。 1.NeuroVista 的所有組件均使用表面貼裝技術(shù) (SMT) 安裝，建議聘請(qǐng) SMT 承包商進(jìn)行組件組裝。 2.屏蔽板：屏蔽板是一塊接地的銅箔，用于隔離外部電磁輻射，同時(shí)也是主板的底座。-這個(gè)翻譯有點(diǎn)奇怪，這個(gè)單詞我每次都有點(diǎn)不知所措，就這樣看吧。

疊在一起

3. 螺栓和螺母：主板和屏蔽板通過螺柱和螺母緊固在一起。NeuroVista所有螺絲孔尺寸均為M2 4、銀織布電極：電極表面是一層銀織布材料，內(nèi)部填充聚酯纖維。這種結(jié)構(gòu)賦予了它極佳的彈性，讓用戶佩戴起來非常舒適。電極背面有一個(gè)帶扣，可以連接到 ECG 電極連接器上。 這種電極我沒有見過，但是看起來很舒服

安裝在內(nèi)測(cè)

5.電池：可充電鋰電池，容量250mAh，電壓3.7V。接口為2P接口，間距1.25mm。 6. 電極線組 1：該組電極線包括參比電極、DRL 電極和通道 4 電極。參考電極和 DRL 電極安裝在固定在耳垂上的夾子上，由氯化銀制成。Channel-4 的電極線采用醫(yī)用心電圖電極線制成，頂部有一個(gè)凹槽，可以連接銀織布電極。電極線組1通過3.5毫米4P音頻插頭連接到主板。 7. 電極線組 2：該組電極線包括通道 1、通道 2 和通道 3 的電極。電極線采用醫(yī)用心電電極線制成，頂端有凹槽，可容納銀布電極。電極線組2通過3.5毫米4P音頻插頭連接到主板。

就是這倆哥們兒了

在這里安裝，電極有一個(gè)是

在VR上面安裝的位置在這里

在生物電勢(shì)測(cè)量任務(wù)中，記錄信號(hào)的質(zhì)量很大程度上取決于所使用的電極。 當(dāng)電極傳導(dǎo)生物電勢(shì)信號(hào)時(shí)，它們與電解質(zhì)溶液直接接觸，例如導(dǎo)電凝膠、人體汗液或組織液，從而形成金屬-電解質(zhì)界面。 結(jié)果，由于金屬和溶液之間的電荷分布差異，產(chǎn)生了稱為半電池電勢(shì)或能斯特電勢(shì)的電勢(shì)差。這種現(xiàn)象稱為電極極化，當(dāng)使用兩個(gè)電極測(cè)量生物系統(tǒng)中兩點(diǎn)之間的電位時(shí)，由于兩個(gè)電極的極化水平的差異可能會(huì)引入偽影。這些偽影可以通過電極材料選擇或降噪算法來減少。銀-氯化銀電極是一種優(yōu)良的生物醫(yī)學(xué)電極材料。氯化銀在水中表現(xiàn)出極低的溶解度，使電極及其周圍的電解質(zhì)保持相對(duì)穩(wěn)定的微環(huán)境。因此，該設(shè)置中的極化電勢(shì)最小并且保持恒定。 阻抗是選擇電極時(shí)要考慮的另一個(gè)重要，定量評(píng)估電極的阻抗。

根據(jù)該模型，不同材料和尺寸的電極在阻抗和半電池電勢(shì)方面表現(xiàn)出顯著差異。 在本研究中，使用干電極，無需導(dǎo)電凝膠，并提供更舒適的用戶體驗(yàn)。但干電極的阻抗可達(dá)幾十kΩ在低頻時(shí)。因此，確保系統(tǒng)中使用的前置放大器具有足夠高的輸入阻抗以減輕因電極阻抗差異導(dǎo)致的共模抑制比的降低至關(guān)重要。 ECG/EEG/EMG 系統(tǒng)中的生物電勢(shì)電極傳感器 32電極ECG測(cè)量系統(tǒng) 牙菌斑 pH 檢測(cè)電極-口腔穿戴設(shè)備 小鼠開顱植入電極 更多電極的文章，可以看我以往的。 NeuroVista中使用的電極系統(tǒng)包含兩種不同類型的電極來實(shí)現(xiàn)特定功能，用于測(cè)量前額腦電圖信號(hào)的彈性銀織物電極，以及夾在耳垂上的銀-氯化銀電極，用作參考和驅(qū)動(dòng)右腿電極。銀織物電極的表面覆蓋有一層填充有聚酯纖維的銀織物材料。這種結(jié)構(gòu)提供了良好的彈性，保證了佩戴者的舒適使用。所有電極的阻抗保持在10kΩ在10Hz以下時(shí)。

原文就是這樣

電極線為雙層結(jié)構(gòu)，外層為接地銅箔屏蔽，內(nèi)層為信號(hào)線。這種設(shè)計(jì)有效降低了電線上的電磁噪聲。研究人員可以根據(jù)自己的具體需求靈活地重建電極系統(tǒng)。但是，強(qiáng)烈建議在導(dǎo)體上加入屏蔽層。這個(gè)額外的屏蔽層將進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)隔離外部電磁噪聲并保持信號(hào)完整性的能力。屏蔽層一端接地，另一端懸空。

來認(rèn)領(lǐng)一下上面的電極

以下是別的文章沒有看到的有趣東西： 使用KS1092對(duì)EEG信號(hào)進(jìn)行采集、濾波和放大。 一個(gè)上拉電阻20MΩ連接到驅(qū)動(dòng)右腿(DRL)端口，形成一個(gè)電壓偏置網(wǎng)絡(luò)。事實(shí)上，在絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景中，不需要專用的電壓偏置網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致輸入阻抗約為5GΩ。 如果電極系統(tǒng)的接觸阻抗過高，可以去除上拉電阻以獲得更高的輸入阻抗。 KS1092采用帶通放大器。由于高通濾波特性的超低截止頻率，信號(hào)可能需要幾秒鐘的時(shí)間穩(wěn)定下來。 當(dāng)電極第一次連接時(shí)，這個(gè)穩(wěn)定時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致用戶不希望的延遲。為了解決這個(gè)問題，KS1092的快速恢復(fù)引腳(PIN8: FR)可以通過外部信號(hào)控制。將PIN8: FR置高，激活快速恢復(fù)模式。 因此，在BP-AMP的輸入和輸出之間建立了一個(gè)低阻環(huán)路，導(dǎo)致更快的沉降時(shí)間。在生物電位測(cè)量系統(tǒng)中，DRL是一種對(duì)抗電力線和其他源引起的共模干擾的手段。 DRL的原理是感知來自正負(fù)輸入端的共模干擾，然后將其反向放大，并將其加載到人體上。這就在設(shè)備和人體之間形成了負(fù)反饋回路，有效地限制了共模干擾。 KS1092包括一個(gè)內(nèi)置DRL, PIN19: BSOUT作為DRL的輸出端子。使用DRL時(shí)，應(yīng)在PIN19: BSOUT和PIN20: BSINV之間連接電容。在實(shí)際應(yīng)用中，通常使用1-nF電容器(C1)。出于安全考慮，在DRL電極和DRL輸出(PIN19: bsouv)之間連接了一個(gè)電阻(R1)，以限制流入人體的電流。該電阻器的取值范圍在10kΩ和100kΩ之間。

如圖所示

看海老師這個(gè)PPT里面其實(shí)有上面內(nèi)容的一些論述，不過我一直沒有寫

有時(shí)間了寫。

原文來自：云深之無跡

中間跳過很多內(nèi)容，都是操作的。

在帶上去以后，可以通過快速眨眼睛發(fā)出眼電信號(hào)

這段是評(píng)價(jià)系統(tǒng)的噪音性能的，微信公式太丑了，這直接就上圖吧。

噪音在uV級(jí)別

這段是測(cè)量這個(gè)頻率響應(yīng)

直接看頻率響應(yīng)曲線

共模抑制比大于96，數(shù)據(jù)自己看原文。

接下來又是一段測(cè)量的效果顯示，我就不寫了。

這是最終腦電系統(tǒng)的性能

這個(gè)上面使用的一些U

電源芯片不少哦。

后面有工程文件，這里就看下ADC：

使用的芯片輸出電壓的接收方式

電源部分是一個(gè)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，這里可以小小的學(xué)習(xí)一下

最后欣賞一下板子的里外面

在軟件上面還寫了自己的協(xié)議

下次寫，好好學(xué)習(xí)

實(shí)際上是4024個(gè)字，看的愉快，吃飯去了

審核編輯 黃宇