杜雷雷 彭 超 方美秀 王中輝 王 磊

（中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院深圳市低成本健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 深圳 518055）

一種基于自主芯片組的電生理眼鏡

杜雷雷 彭 超 方美秀 王中輝 王 磊

（中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院深圳市低成本健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 深圳 518055）

文章提出了一種基于自主芯片組的電生理眼鏡，由信號采集模塊、信號預(yù)處理模塊、微控制器模塊和信號分析模塊組成。信號采集模塊采用主動電極，因其高輸入阻抗的特點(diǎn)，可以避免使用導(dǎo)電膏而提高系統(tǒng)實(shí)用性。信號預(yù)處理模塊采用電生理模擬采集前端，對電生理信號進(jìn)行濾波、放大，去除信號中的干擾，提高信號噪聲比。微控制器模塊采用意法半導(dǎo)體公司 Cortex-M0 處理器，主要實(shí)現(xiàn)電生理信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換、模擬前端設(shè)置、藍(lán)牙模塊收發(fā)控制。信號分析模塊對電生理信號進(jìn)行數(shù)字濾波、特征提取、心率監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上，開展了針對頸部心電和腦機(jī)交互的實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行信號分析。

模擬采集前端；頸部心電；腦機(jī)交互

1 引 言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，以智能手表、智能眼鏡、智能手環(huán)為代表的智能穿戴式設(shè)備層出不窮，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，功能越來越豐富，如血壓、心率、體溫、血氧等健康信息獲取與監(jiān)測，意念控制游戲，以及來電、短信、郵件、日歷即時提醒。在可穿戴式設(shè)備的諸多應(yīng)用領(lǐng)域中，電生理信息監(jiān)測因?yàn)榕c人類的健康，甚至生命安全息息相關(guān)而備受關(guān)注。一方面，大腦是人類神經(jīng)系統(tǒng)的核心，是人類思維的重要源泉，腦電信號蘊(yùn)含著豐富的生理信息［1］；另一方面，心臟是人類循環(huán)系統(tǒng)的重要器官，是人類動力和能量的源泉，心電信號同樣蘊(yùn)藏大量的生理信息［2］。因此，針對腦電信號和心電信號進(jìn)行采集、分析處理，才能全面掌握人類健康信息，才能更加充分發(fā)揮人類大腦潛能。

繼 2012 年谷歌發(fā)布智能眼鏡原型后，包括Atheer One、NanoGlass-4、愛普生 Moverio BT-200 在內(nèi)的諸多智能眼鏡相繼問世［3］，引爆智能眼鏡開發(fā)新浪潮。本文提出一種新型的基于生物醫(yī)學(xué)信號芯片組-主動電極和電生理信號模擬采集前端（Analog Front-End，AFE）的電生理眼鏡。該款眼鏡通過對電生理信號采集、預(yù)處理、信號分析與顯示，實(shí)現(xiàn)心率監(jiān)測、心電變異性分析、腦機(jī)交互功能。

2 電生理眼鏡系統(tǒng)構(gòu)成

電生理眼鏡基于自主研發(fā)的生物醫(yī)學(xué)信號芯片組-主動電極和電生理信號模擬采集前端，完成電生理信號的采集、預(yù)處理（濾波、放大），實(shí)現(xiàn)心率監(jiān)測、腦機(jī)交互功能。該電生理眼鏡由信號采集模塊、信號預(yù)處理模塊、微控制器模塊、信號分析模塊組成，如圖 1 所示。

2.1 信號采集模塊

由于人體皮膚與電極之間存在阻抗，而電生理信號很微弱，在毫伏級甚至微伏級上。為了減小皮膚阻抗干擾所帶來的問題，在傳統(tǒng)電極的測量中，通常使用導(dǎo)電膏來減小皮膚阻抗，增強(qiáng)皮膚與電極之間的導(dǎo)電性［4］。但是這種傳統(tǒng)電極測量方法給人帶來不舒適感，而且隨著時間的推移，導(dǎo)電膏變干，會導(dǎo)致采集到的電生理信號不準(zhǔn)確，不適用于長期檢測，另外，導(dǎo)聯(lián)線也會引入不期望的噪聲干擾。為了解決這些問題，本文引入前置芯片的干電極采集技術(shù)，并為此設(shè)計(jì)了一款基于主動電極的模擬前端采集芯片，如圖2 所示：將電極內(nèi)直接集成低功耗、低噪聲、高DC 失調(diào)抑制比的模擬芯片，擺脫“線”以避免由導(dǎo)聯(lián)線帶來的噪聲干擾。

圖1 電生理眼鏡構(gòu)成Fig. 1 Structure of electrophysiological glasses

圖2 主動電極Fig. 2 Active electrode

2.2 信號預(yù)處理模塊

信號預(yù)處理模塊采用自主研發(fā)的電生理信號模擬采集前端芯片，由前置放大器、高通濾波器、可編程放大器、低通濾波器組成，如圖 3 所示。該芯片基于低頻率、低噪聲、低功耗的“三低”理念，采用低噪聲設(shè)計(jì)技術(shù)、DC 失調(diào)抑制技術(shù)以及基于金屬氧化物半導(dǎo)體電流分流的超低截止頻率濾波器技術(shù)，使用解塊（Deblocking）技術(shù)縮減瞬態(tài)響應(yīng)時間，并運(yùn)用輸入阻抗增強(qiáng)技術(shù)［5］。單晶集成前置放大器、帶通濾波器、增益放大器等電生理信號處理模塊，可實(shí)現(xiàn)單通道 80 微瓦、微伏級、多通道、增益帶寬可配置的高精度低功耗四種電生理信號的采集和預(yù)處理。

圖3 模擬采集前端結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of analog acquisition front-end

2.3 微控制器模塊

微控制器采用意法半導(dǎo)體公司基于 ARM Cortex-M0 核的 32 位處理器STM32F030。該處理器具有如下特點(diǎn)［6］：最高運(yùn)行頻率 48 MHz、超低功耗（85 μW/MHz），精簡指令集（56 條），低成本、代碼密度高（Thumb2 指令集）、緊耦合的可嵌套中斷微控制器提供的超低延時中斷響應(yīng)。該處理器提供豐富的內(nèi)置外設(shè)和接口，包括高速 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、通用輸入輸出口、定時器、嵌套向量中斷控制器、串行外設(shè)接口、集成電路總線、直接內(nèi)存存取和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。微控制器模塊如圖 4 所示。

圖4 微控制器功能Fig. 4 Functions of microcontrollers

2.4 信號分析模塊

信號分析模塊用于對來自微控制器的原始電生理數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波［7］、心率計(jì)算［8］和波形顯示。該模塊在手機(jī)端運(yùn)行，通過藍(lán)牙與電生理眼鏡進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。原始電生理數(shù)據(jù)被信號分析模塊接收后，首先由數(shù)字濾波器子模塊進(jìn)行帶通濾波去除干擾和噪聲。經(jīng)過帶通濾波之后，電生理信號由心率計(jì)算子模塊計(jì)算心率。最后，波形顯示子模塊讀取電生理數(shù)據(jù)并在手機(jī)端實(shí)時顯示波形 ，如圖 5 所示。

圖5 信號分析模塊波形顯示Fig. 5 Waveform display of signal analysis module

3 階段成果

目前，本團(tuán)隊(duì)已完成可穿戴電生理眼鏡的部分設(shè)計(jì)工作，主要包括各功能模塊的核心芯片設(shè)計(jì)，同時針對電生理信號的運(yùn)用做出了探索性的研究工作。

3.1 主動電極

主動電極及相應(yīng)測試印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）如圖 6 所示，性能指標(biāo)如表 1 所示。當(dāng)采用主動電極進(jìn)行電生理信號采集時，信號帶寬約 100 Hz，信號幅度約為幾十微伏至幾十毫伏不等。同時，由于人體皮膚角質(zhì)層的存在，皮膚與電極之間存在幾百兆歐姆的等效阻抗，而該芯片的輸入阻抗高達(dá) 2 GΩ，可有效減少電生理信號在信號源等效阻抗上的衰減?？紤]到電生理信號的微弱性，要求采集系統(tǒng)具有數(shù)千至數(shù)萬倍的增益才能滿足要求。該芯片增益40 dB（100 倍）并結(jié)合了電生理信號模擬前端，完全滿足電生理信號采集部分要求［9］。

表1 主動電極芯片性能指標(biāo)Table 1 Performance index of active electrode

3.2 電生理模擬前端

電生理模擬前端芯片及解決方案如圖 7 所示，芯片性能指標(biāo)如表 2 所示。電生理信號屬于微伏級弱電信號，并且處在毫伏級噪聲干擾的背景中。因此，針對具有上述特點(diǎn)的電生理信號，濾波及一定增益的放大具有極其重要的意義。電生理模擬前端超低輸入噪聲（1.6 μVpp），具有可編程增益（40～8 000 倍），結(jié)合主動電極，可使整個電生理采集部分增益在萬倍的需求。同時，該芯片具有 100 dB 的共模抑制比，可以有效地抑制共模信號，放大差模信號［10］。

圖6 主動電極及測試 PCBFig. 6 Active electrode and test PCB

圖7 模擬前端及解決方案Fig. 7 Analog front-end and solution

3.3 心電研究

通過大量的試驗(yàn)及調(diào)研，除了在胸部、四肢，在耳朵根部及頸部同樣可以采集到心電信號。由于衣物的影響，將測試位置選擇在胸部和四肢將增大心電采集的復(fù)雜度，然而，頭部、頸部通常裸露，便于進(jìn)行心電采集，因而大大降低心電采集復(fù)雜度，簡化電生理眼鏡結(jié)構(gòu)。如圖 8所示，心電采集部位位于左耳根部、右耳根部和頸部。圖 9 為心電采集試驗(yàn)結(jié)果。

表2 模擬前端性能指標(biāo)Table 2 Performance index of analog front-end

圖8 心電采集試驗(yàn)Fig. 8 Experiment for electrocardiogram acquisition

圖9 心電信號波形及心率Fig. 9 Electrocardiogram waveform and heart rate

3.4 腦 電

實(shí)驗(yàn)采用美國 Biopac 公司的 MP150 系列設(shè)備進(jìn)行腦電型號采集和簡單分析處理，試驗(yàn)者為一名 24 歲健康女性，實(shí)驗(yàn)在一個噪聲源較少的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置：放大倍數(shù) 5 000，濾波器設(shè)置在 0.5～35 Hz。電極安放法：采用國際標(biāo)準(zhǔn) 10～20 電極法，選取其中 Fp1作為正極，一側(cè)乳突作為負(fù)極，另一側(cè)乳突作為參考電極接地。腦電電極安放點(diǎn)及腦電采集試驗(yàn)分別如圖 10和圖 11 所示。

圖10 腦電電極安放位點(diǎn)Fig. 10 Position of electroencephalogram electrode installation

圖11 腦電采集試驗(yàn)Fig. 11 Experiment of electroencephalogram acquisition

實(shí)驗(yàn)分別對實(shí)驗(yàn)者睜眼與閉眼兩種狀態(tài)下的腦電活動進(jìn)行了采集，相應(yīng)的腦電圖及其 FFT 功率譜如圖 12 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，人在閉眼放松時，a 波會得到增強(qiáng)，睜眼時 a 波會被阻斷或者減弱?；诖私Y(jié)論，我們通過對腦電信號中 a 波頻率特征的提取，可以實(shí)現(xiàn)簡單的開關(guān)量控制。

圖12 睜眼與閉眼在 10 Hz 處的頻譜對比Fig. 12 Frequency spectrum contrast of opening and closing eye at 10 Hz

在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，對 C3和 C4兩個位置同時做了腦電采集的實(shí)驗(yàn)，通過預(yù)先的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，分別對實(shí)驗(yàn)者在想象左右手運(yùn)動時的腦電信號進(jìn)行了采集。通過 μ 節(jié)律和 β 波相結(jié)合，選取合適的算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)鍵特征的提取與分類。再結(jié)合睜眼閉眼實(shí)現(xiàn)了在眼鏡上的多維度控制。

4 總 結(jié)

目前，國內(nèi)外已有多款智能眼鏡，以谷歌公司的 Google Glass、百度公司的 BaiduEye 為代表，通過集成多種傳感器、攝像頭、處理器，提升人類的感知能力。Google Glass 在傳統(tǒng)的眼鏡上增加攝像頭、顯示屏、處理器、GPS，可以實(shí)現(xiàn)拍照、收發(fā)短信、查詢天氣路況等功能；BaiduEye 則擺脫了傳統(tǒng)眼鏡結(jié)構(gòu)，采用手勢獲取指令，鎖定物品進(jìn)行識別。

Google Glass 和 BaiduEye 盡管功能強(qiáng)大，但主要是擴(kuò)展人類認(rèn)知外部世界的能力。然而，本文提出的電生理眼鏡著眼于人體自身，通過獲取人體自身的生理信息實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測、意念控制。該電生理眼鏡采用高輸入阻抗主動電極免去涂抹導(dǎo)電膏增加實(shí)用性，通過模擬采集前端的濾波和放大，去除電生理信號中的干擾噪聲，提高了信噪比，還通過微控制器內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器等資源降低了成本。此外，在心電、腦電方面，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，取得了一定的試驗(yàn)成果，將對電生理眼鏡下一步的工作起到指導(dǎo)作用。

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An Electrophysiological Glasses Based on Independent Chipset

DU Leilei PENG Chao FANG Meixiu WANG Zhonghui WANG Lei
（ Shenzhen Key Lab for Low-cost Healthcare， Shenzhen Institutes of Advanced Technology， Chinese Academy of Sciences，Shenzhen 518055， China ）

An electrophysiological glasses based on independent chipset was proposed. It consisted of signal acquisition module， signal preprocessing module， microcontroller module and signal analysis module. Due to the high input impedance， active electrode， instead of conductive paste， was used as signal acquisition module， which could improve system availability. The signal preprocessing module took advantage of electrophysiological analog front-end to filter and amplify electrophysiological signal， thus removed interference and enhanced the signal to noise ratio. Cortex-M0 processor of stmicroelectronics was adopted as the microcontroller module for analog-to-digital conversion， analog front-end setup， and controlling of bluetooth module transceiver. The signal analysis module could realize digital filtering， feature extraction， and heart rate monitoring for electrophysiological signal. Based on this， experiments and signal analysis about neck electrocardiogram and brain electrical interaction were carried out.

analog front-end； neck electrocardiogram； brain electrical interaction

R 318.6

A

2015-04-25

2015-07-20

國家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（61401454）；國家 863 計(jì)劃（2012AA02A604）；廣東省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2011S013 GIRTF-LCH-T）；國家科技重大專項(xiàng)新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)（2013ZX03005013）；廣東省科技計(jì)劃國際合作項(xiàng)目（2012B05020004）

杜雷雷，研究助理，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)；彭超，碩士，研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)模擬集成電路設(shè)計(jì)；方美秀，碩士，研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)模擬集成電路設(shè)計(jì)；王中輝，碩士，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、腦電信號處理；王磊（通訊作者），研究員，研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)與應(yīng)用、人體傳感器網(wǎng)絡(luò)，E-mail：wang.lei@siat.ac.cn。