用于VR环境的低成本、无线脑电图测量系统

7月前浏览8790

本文摘要：（由ai生成）

本文介绍了一种专为虚拟现实环境设计的低成本、小型、无线、高精度、低功耗的4通道脑电测量系统NeuroVista。系统使用金属干电极，集成多种滤波器以降低噪声，结构紧凑，由锂电池供电，可持续使用2小时以上。信号传输路径完整，包括电极系统、信号路径、ADC、微控制器和低功耗蓝牙模块。系统性能优良，噪音低，共模抑制比高。使用舒适，但干电极阻抗较高，需高输入阻抗前置放大器。系统还包括电池管理和屏蔽层以降低噪声。充电时可能产生噪声，建议避免充电时测量。

原文来自：云深之无迹

近年来，随着技术的进步，用于测量研究和医疗环境中大脑活动的系统和设备越来越先进。一个已被广泛探索但尚未有效实现的概念是，在人们浏览虚拟现实(VR)环境时收集脑电图（EEG）测量数据。

脑电图测量是对大脑自发电子活动的记录，通常使用连接在头皮上的小型电极进行收集。这些记录可以提供有关一个人大脑活动的有趣信息，帮助医生检测各种疾病，包括睡眠障碍、癫痫、脑损伤和中风。

将这些测量与虚拟现实（VR）体验相结合，神经科学家就能更好地了解随机个体或具有一系列特征的人群在不同虚拟环境中的大脑活动是如何变化的。

特点：

低成本（60.07美元）、小型、无线、高精度、低功耗的4通道脑电测量系统（NeuroVista），用于额叶脑电测量，可与VR耳机配合使用，实现脑电测量在 VR 环境中。

该系统的输入参考噪声小于0.9480μVrms，共模抑制比大于96dB，测量分辨率小于0.1μV，带宽0.5~45Hz，工作在250Hz采样率。它还支持金属干电极，并包括内置模拟带通滤波器、右腿驱动电路，以及内置数字低通滤波器和陷波滤波器，可以降低测量过程中的噪声。研究人员可以根据需要重建电极系统来测量感兴趣的区域。

可以看到是一个4电极系统，PCB是自己设计的，较为小巧。

它的意思是自己的系统小巧，给了很多维度

其实小巧的原因是来自于咱们坪山村儿的一个企业生产的小芯片，这个我写完文章就发出去打样。

NeuroVista的脑电测量装置能够测量来自四个额通道的脑电信号，参考电极放置在耳垂处。此外，它还采用右腿驱动电极来减少人体中的共模噪声，该电极也放置在耳垂处。

右腿驱动电路-看不懂也没有办法版，在这个左上角就是右腿驱动，搞一个反向的信号怼回去。后面使用了比AFE还贵的ADC接收信号。

首先，电极系统起着至关重要的作用，它直接接触皮肤，采集人体表面的电位差。另外，电极系统负责将驱动右腿电路输出的反相共模噪声加载到人体上，减少共模噪声干扰。

该设备结构紧凑，尺寸为 45 毫米 x 30 毫米 x 12 毫米，重量为 34 克，可以轻松连接到 VR 耳机。它由3.7 V锂电池供电，集成电源管理模块，可以使用USB type-c 5 V电源适配器方便地充电。该设备采用低功耗设计，功耗极低，250mAh锂电池可连续使用2小时以上。

单通道脑电信号的传输路径如图所示。

它由三个组件组成：电极系统、KS1092 中的信号路径以及信号转换和传输单元，其中包括 ADC（AD7682，Analog Devices, Inc.）、微控制器单元（MCU、STM32F103C8T6、STMicroElectronics NV）和低功耗蓝牙模块（BLE106，济南优斯物联科技有限公司）。

KS1092输出的信号由AD7682采集并转换。ADC采用AD7682，它是16位、4通道逐次逼近寄存器模数转换器(SAR ADC)。

原文来自：云深之无迹

AD7682 具有可设置为 2.5 V 的内部基准电源。这样就无需外部高精度基准电压源。

NeuroVista 集成了一个电池管理系统 (BMS)，该系统围绕德州仪器 (TI) 的 BMS 芯片 BQ24073 构建。

用户可以通过type-c端口使用USB适配器为设备充电。然而，值得注意的是，充电会给信号链带来显着的噪声。因此，建议避免在设备充电时进行脑电图测量。

MCU的作用很简单，就是两个SPI配置和传输，以及我不确定滤波是怎么搞的，一会儿看看文件包，最后就是串口控制BLE。

外设使用

朴实无华的控制

1.配置KS1092和AD7682的参数。

2. 以固定的时间间隔读取AD7682的转换结果。

3、对脑电数据进行数字信号处理，包括低通滤波和陷波滤波。

4. 封装脑电数据并通过UART发送至BLE模块，BLE模块再将数据传输至上位机。

这个流程图就写的很清楚了

可以看到，数据量较大，甚至使用了DMA在给串口输出。

EEG 信号最初以 750 Hz 的速率进行采样，然后通过 50 Hz/60 Hz、带宽为 8 Hz 的二阶单陷波滤波器进行处理，以消除信号中存在的电力线干扰。此后，信号经过截止频率为 50 Hz 的 10 阶巴特沃斯低通滤波器，以消除高频噪声。

最后，信号被下采样至 250 Hz。这个过程涉及最初以较高的速率采样，然后进行下采样，主要是因为较高的采样率在对抗混叠效应方面更有效。

使用更高采样率的滤波器可以实现更精确的信号处理。然而，由于MCU的处理速度限制以及BLE模块的限制，以250Hz的速率传输数据已经接近系统的极限。因此，信号在经过数字信号处理后，被下采样至250Hz。

这个就很有学习的必要了

这个ADC是7通道的，只能说是富哥

这个BLE小小的

直接串口通讯

还可以一群

看参数其实也不咋省电

BLE的硬件构建

因为有射频功能，所以这个模块的摆放有说道

BLE的话，就是AT控制，这篇文章不说很多的代码，就摆着一下

电路板有三块

这个是主要的，主要的芯片在下面

主板PCB的制作要求为：4层结构，FR4板型，外层铜厚1盎司，内层铜厚0.5盎司，最小线宽≤0.2mm，最小线距≤0.2mm，最小线距≤0.2mm。过孔直径≤0.3mm。

1.NeuroVista 的所有组件均使用表面贴装技术 (SMT) 安装，建议聘请 SMT 承包商进行组件组装。

2.屏蔽板：屏蔽板是一块接地的铜箔，用于隔离外部电磁辐射，同时也是主板的底座。-这个翻译有点奇怪，这个单词我每次都有点不知所措，就这样看吧。

叠在一起

3. 螺栓和螺母：主板和屏蔽板通过螺柱和螺母紧固在一起。NeuroVista所有螺丝孔尺寸均为M2

4、银织布电极：电极表面是一层银织布材料，内部填充聚酯纤维。这种结构赋予了它极佳的弹性，让用户佩戴起来非常舒适。电极背面有一个带扣，可以连接到 ECG 电极连接器上。

这种电极我没有见过，但是看起来很舒服

安装在内测

5.电池：可充电锂电池，容量250mAh，电压3.7V。接口为2P接口，间距1.25mm。

6. 电极线组 1：该组电极线包括参比电极、DRL 电极和通道 4 电极。参考电极和 DRL 电极安装在固定在耳垂上的夹子上，由氯化银制成。Channel-4 的电极线采用医用心电图电极线制成，顶部有一个凹槽，可以连接银织布电极。电极线组1通过3.5毫米4P音频插头连接到主板。

7. 电极线组 2：该组电极线包括通道 1、通道 2 和通道 3 的电极。电极线采用医用心电电极线制成，顶端有凹槽，可容纳银布电极。电极线组2通过3.5毫米4P音频插头连接到主板。

就是这俩哥们儿了

在这里安装，👂电极有一个是

在VR上面安装的位置在这里

在生物电势测量任务中，记录信号的质量很大程度上取决于所使用的电极。

当电极传导生物电势信号时，它们与电解质溶液直接接触，例如导电凝胶、人体汗液或组织液，从而形成金属-电解质界面。

结果，由于金属和溶液之间的电荷分布差异，产生了称为半电池电势或能斯特电势的电势差。这种现象称为电极极化，当使用两个电极测量生物系统中两点之间的电位时，由于两个电极的极化水平的差异可能会引入伪影。这些伪影可以通过电极材料选择或降噪算法来减少。银-氯化银电极是一种优良的生物医学电极材料。氯化银在水中表现出极低的溶解度，使电极及其周围的电解质保持相对稳定的微环境。因此，该设置中的极化电势最小并且保持恒定。

阻抗是选择电极时要考虑的另一个重要，定量评估电极的阻抗。

根据该模型，不同材料和尺寸的电极在阻抗和半电池电势方面表现出显着差异。

在本研究中，使用干电极，无需导电凝胶，并提供更舒适的用户体验。但干电极的阻抗可达几十kΩ在低频时。因此，确保系统中使用的前置放大器具有足够高的输入阻抗以减轻因电极阻抗差异导致的共模抑制比的降低至关重要。

NeuroVista中使用的电极系统包含两种不同类型的电极来实现特定功能，用于测量前额脑电图信号的弹性银织物电极，以及夹在耳垂上的银-氯化银电极，用作参考和驱动右腿电极。银织物电极的表面覆盖有一层填充有聚酯纤维的银织物材料。这种结构提供了良好的弹性，保证了佩戴者的舒适使用。所有电极的阻抗保持在10kΩ在10Hz以下时。

原文就是这样

电极线为双层结构，外层为接地铜箔屏蔽，内层为信号线。这种设计有效降低了电线上的电磁噪声。研究人员可以根据自己的具体需求灵活地重建电极系统。但是，强烈建议在导体上加入屏蔽层。这个额外的屏蔽层将进一步增强系统隔离外部电磁噪声并保持信号完整性的能力。屏蔽层一端接地，另一端悬空。

来认领一下上面的电极

以下是别的文章没有看到的有趣东西：

使用KS1092对EEG信号进行采集、滤波和放大。

一个上拉电阻20MΩ连接到驱动右腿(DRL)端口，形成一个电压偏置网络。事实上，在绝大多数应用场景中，不需要专用的电压偏置网络，导致输入阻抗约为5GΩ。

如果电极系统的接触阻抗过高，可以去除上拉电阻以获得更高的输入阻抗。

KS1092采用带通放大器。由于高通滤波特性的超低截止频率，信号可能需要几秒钟的时间稳定下来。

当电极第一次连接时，这个稳定时间可能会导致用户不希望的延迟。为了解决这个问题，KS1092的快速恢复引脚(PIN8: FR)可以通过外部信号控制。将PIN8: FR置高，激活快速恢复模式。

因此，在BP-AMP的输入和输出之间建立了一个低阻环路，导致更快的沉降时间。在生物电位测量系统中，DRL是一种对抗电力线和其他源引起的共模干扰的手段。

DRL的原理是感知来自正负输入端的共模干扰，然后将其反向放大，并将其加载到人体上。这就在设备和人体之间形成了负反馈回路，有效地限制了共模干扰。

KS1092包括一个内置DRL, PIN19: BSOUT作为DRL的输出端子。使用DRL时，应在PIN19: BSOUT和PIN20: BSINV之间连接电容。在实际应用中，通常使用1-nF电容器(C1)。出于安全考虑，在DRL电极和DRL输出(PIN19: bsouv)之间连接了一个电阻(R1)，以限制流入人体的电流。该电阻器的取值范围在10kΩ和100kΩ之间。