基于蓝牙的听觉诱发电位测量系统的设计

邝瑞杰 阮小微 喻德旷 王涛

摘 要： 为了解决传统听觉诱发电位仪的便携性、无线传输问题，设计一种基于蓝牙的听觉诱发电位测量系统。该系统的下位机采用以STM32F4为核心的独立声音刺激器，配合以ATmega328P为处理器的脑电采集器的设计。使用Visual C#开发的上位机通过蓝牙发送指令给下位机，实现刺激声的播放、脑电数据的采集和处理。该系统经过充分测试，并给出一个短声串的诱发反应实验，其结果与理论一致，证明了系统的可靠性及稳定性。

关键词： 蓝牙; 便攜性; 听觉诱发电位; 声音刺激器; 脑电采集器; 电位测量

中图分类号： TN915?34; R318.6 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）12?0010?04

Abstract： An auditory evoked potential measurement system based on Bluetooth is designed to resolve the portability and wireless transmission problems of the traditional auditory evoked potentiometer. In the lower computer of the system， the independent sound stimulator taking STM32F4 as the core is adopted， and the design of EEG collector taking ATmega328P as the processor is supplemented. The upper computer developed by using Visual C# is adopted to send instructions to the low computer via Bluetooth， so as to realize the play of stimulated sound， and the acquisition and processing of EEG data. The system was fully tested， and a click?train evoked response experiment was performed. The results are consistent with that of the theoretical analysis， which proves the reliability and stability of the system.

Keywords： Bluetooth; portability; auditory evoked potential; sound stimulator; EEG collector; potential measurement

0 引 言

听觉诱发电位（Auditory Evoked Potential，AEP）是由特定声音刺激引起的中枢神经系统的生物电反应，在听觉相关的脑科学研究与临床应用上发挥重要作用[1]。当前应用最广的AEP是听性脑干反应（Auditory BrainStem Response，ABR），常用于听力筛查和听阈评估[2]。在听力检测方面，听觉稳态诱发响应（Auditory Steady State Response，ASSR）也是对声音的电生理信号进行检测的一种快速、客观的检测方法[3]，现在已逐渐成为检测大脑在各种神经精神疾病方面的一个生物标志，如自闭症、精神分裂症、躁郁症[4]。其他形式的AEP，如P300或失配负波等，主要用于认知、心理等基础研究领域。随着AEP的应用范围不断扩大和电子计算机技术的快速发展，开始要求检测设备具有便携性、移动性、无线传输性能[5]。目前临床上使用的AEP检测设备主要是进口产品，如：丹麦尔听美、加拿大VIVOSONIC等，这些进口设备性能优良、便于使用，但价格昂贵。而国内大部分AEP检测设备通常是固定使用方式，体积笨重，便携性差。针对国产AEP检测设备的问题，本文提出一种基于蓝牙传输的便携式听觉诱发电位测量系统。采用独立声音刺激器配合脑电采集器的设计方案，两个处理器之间通过I/O口进行通信，传递控制指令和反馈信号，完成刺激声的播放和多导脑电信号的同步采集。该系统的设计特色是将脑电采集器和声音刺激器结合到一个80 mm×90 mm×30 mm的系统体积内，通过蓝牙将实时数据传入上位机进行处理和分析。整个硬件系统采用干电池进行供电，具备便携性并减少了外界干扰。

1 系统整体设计

该系统包括硬件和软件两个部分：

1） 硬件部分。其主要包括脑电采集器、声音刺激器两部分。脑电采集器以ATmega328为主控芯片，ADS1299为主要功能实现芯片，RFD22301为蓝牙芯片完成脑电的采集和数据的无线传输。声音刺激器是以STM32F4为核心处理器，结合WM8978音频芯片实现刺激声的播放。两处理器之间的隔离电路采用TLP283光电隔离芯片。

2） 软件部分。其主要包括上位机软件和下位机的单片机固化程序两部分。

系统的工作原理如图1所示，用户使用上位机通过蓝牙向脑电采集器发送采集脑电信号及播放刺激声的指令。脑电采集器接收到指令后，开始采集脑电信号，并通过I/O口向声音刺激器发送上位机指令。声音刺激器按照接收的控制指令播放存储在SD卡中的刺激声类型，同时在一次声音播放结束时反馈给脑电采集器一个触发信号。脑电采集器在采集到的脑电信号中加入接收到的同步触发信号，再通过蓝牙传输到上位机。上位机实时显示接收到的数据，并根据同步触发信号对数据进行分析。

2 硬件电路设计

2.1 脑电采集器

2.1.1 脑电采集模块

脑电信号一般是几微伏到几百微伏，非常微弱，且在采集过程中存在工频干扰，电极与皮肤的接触噪声以及电极与地之间的共模信号的干扰，使信号很容易淹没在背景噪声中[6]。TI公司生产的ADS1299是一款低噪声、多通道、高度集成的模/数转换器，而且此转换器具有内置的可编程增益放大器（PGA）、内部基准和一个板载振荡器，有脑电图（EEG）应用所需的所有常用特性，能够大幅度缩小尺寸、降低功耗与整体成本，也可使用菊花链配置增加导联数，所以本系统选择ADS1299作为脑电采集器的主要功能实现芯片。

脑电采集模块的工作原理如图2所示。以ATmega328芯片为主控核心，工作在SPI模式下，主要负责配置ADS1299的各个I/O口、寄存器、PGA的放大倍数以及采样频率[7];通过隔离芯片TLP283与声音刺激器进行通信，防止声音刺激器对脑电信号的采集产生干扰;通过ATmega328上的串口与蓝牙模块RFD22301连接。

ATmega328和ADS1299通过串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）进行连接。由于ATmega328的I/O口输入/输出电压为5 V，ADS1299的I/O口输入/输出电压为3.3 V，两个芯片I/O口电压不匹配，所以二者用电平转换芯片SN74LVCC3245A进行电压匹配。SN74LVCC3245A为具有可调节输出电压和三态输出的8路总线收发器，允许3.3 V电压和5 V电压的相互转换。

2.1.2 蓝牙模块

本系统采用RFDuino的RFD22301作为系统的蓝牙芯片。RFD22301由RF Digital公司研发，配备有Nordic 32 bit ARM Cortex?M0处理器，7个总线扩展器（Digital I/O，Analog ADC，SPI，I2C，UART和PWM），具备Arduino控制器功能，内置蓝牙4.0，体积仅指尖大小，是一款功能强大、尺寸极小的低功耗蓝牙芯片，抗干扰性能强，可用于医疗穿戴设备。其编程是利用Arduino脚本程式码，通过Arduino的程序开发环境进行编程。

RFD22301的数据传输速率为2 000 kbit/s。为了达到最大的数據传输速率，本系统将脑电采集器上的无线模块作为“Device”（从设备），将由RFD22301模块和USB接口组成的蓝牙适配器作为“Host”（主设备）连接到电脑上[8]。当同时传递8个通道的采集数据时，采样率为250 Hz。在一次数据传输中，每个数据包中有32 B，分别为一个字节的检验和、一个字节的采样率、24 B的数据（每个通道3 B）、6 B的附加数据（用来作为同步标志位）。

2.2 声音刺激器

声音刺激器主要用于发出特定的刺激声，激发受试者的听觉诱发电位。声音刺激器利用STM32F4处理器作为核心处理器，结合一款高性能音频处理芯片WM8978实现声音的播放。声音刺激器通过STM32F4上的Trig0～Trig2三个I/O口接收脑电采集器的控制指令，按照接收到的指令，来选择存储于SD卡的刺激声类型，采用DMA方式向音频芯片WM8978传输声音数据。当声音播放完毕时，再通过另一个I/O口Trig3向脑电采集器反馈一个同步触发信号[9]。

3 系统软件设计

3.1 上位机软件设计

上位机软件主要用来控制整个系统的数据采集、发送、保存、处理以及刺激声的播放。系统使用时，脑电采集器上的蓝牙与上位机上的蓝牙适配器自动完成配对，并指定COM3为数据传输端口。上位机的界面框图如图3所示。用户操作时，系统初始界面提供2个选项，分别为实时采集和历史数据回放。实时采集时，需要选择蓝牙数据传输端口（即COM3），输入数据存储名，然后进入数据显示界面。显示界面分为四个区域：信号采集和刺激声类型选择按键区、8通道脑电波形图、频域波形图以及脑地形图区。首先在8通道脑电波形图区域选择需要的采集通道，然后点击信号采集按键，上位机通过蓝牙给脑电采集器发送开始采集信号的指令，等接收到采集器传输的数据后上位机对数据经过不同处理分别显示到脑电信号波形显示区域、频域显示区域、脑地形图区域。待显示区域的波形稳定后，点击刺激声类型选择按键，声音刺激器按照指令播放刺激声，同时反馈给采集器同步信号。上位机将接收到的8通道脑电信号与同步信号按照传输格式存储在txt文件中，用于后续数据的进一步处理。历史数据选项可以在数据存储文件夹中选择需要回放的脑电数据，显示界面与实时数据显示相同。

3.2 下位机软件设计

下位机软件包括三部分：脑电采集器中脑电的采集、数据的传输，声音刺激器中刺激声的播放，以及二者之间的通信。采集器和刺激器之间通过4个I/O口模拟串行通信，传递控制指令和反馈信号。采集器通过3个I/O口向刺激器发送播放刺激声及选择刺激声类型的指令，刺激器通过1个I/O口向采集器反馈同步触发信号。下位机软件流程如图4所示。系统上电后，脑电采集器完成初始化，其蓝牙与上位机上的蓝牙适配器自动配对。然后等待串口中断接收上位机发送的指令，当无指令时采集器进入休眠状态，当有指令时进入串口中断程序分析指令类型。收到数据采集指令时，启动ADS1299开始采集脑电信号;收到播放刺激声指令时，采集器通过3个I/O口控制声音刺激器，同时在播放完一个音频后，刺激器反馈给采集器一个触发信号。采集器将采集到的8通道脑电数据和触发信号按照一定的数据格式通过蓝牙发送给上位机。

4 click?train验证实验

听觉诱发反应实验通常可分为瞬态反应和稳态反应两部分。瞬态反应是对短时刺激引发的有限时长的反应;而稳态反应是对周期性重复刺激引发的周期性反应。为了研究两种类型反应之间的关系，有人采用短声串（click?train）刺激方式同时获取瞬态和稳态两种诱发反应[10]。为此，选择这种刺激方式检验本系统性能，此方式的特点是用一个包含32个等间隔短声串（长度为819.2 ms）和409.6 ms静声的音频为刺激单元，重复刺激。使用本系统对3名听力健康的成年人进行实验，对得到的三组数据根据同步信号进行划分，分别经过2 400次的平均叠加，得到时域波形如图5所示。第一个波形（从下往上）为一个刺激单元序列，横坐标0 ms之前和819.2 ms之后均无刺激声;第二个波形为3名受试者总平均后的波形，S1，S2，S3为3名受试者一个刺激单元的平均波形。通过分析时域刺激单元诱发的反应，可以看到在刺激声开始和结束时均有一段静息态和稳态之间的转换过程（图中黑色粗虚线和箭头标注位置），这个过程分别表示刺激串的起始和结束所引发的瞬态反应。将图5中S1，S2，S3的波形做快速傅里叶变换（Fast Fourier Transformation，FFT），得到频谱如图6所示。从图6可以看到三名受试者的诱发反应频谱在40 Hz附近出现一个峰值，与刺激单元中的click频率一致，说明有明显的稳态反应。

5 结 论

本文介绍一种基于蓝牙的便携式听觉诱发电位测量系统，此系统采用独立的听觉刺激器配合脑电采集器的设计方案，并通过蓝牙与上位机进行交互。经过听觉诱发反应实验结果证明，本系统采集到的数据真实可靠，且具有便携性、无线传输的特点，符合当前听觉诱发电位仪的发展。

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