脑电信号处理系统的设计（毕业设计52页、15636字）

摘  要： 随着科学技术的进步与发展，人们对医疗检测水平的要求也越来越高。脑电采集系统作为一种检测脑部疾病的重要医疗仪器，在临床诊断中发挥着重要的作用。但传统的脑电采集系统只是简单地对脑电信号的变化过程进行描记，并不加以处理，脑电信息处理的重要性也越来越明显。本设计主要实现了一种脑电信号处理系统：用单片机AT89C51控制模数转换器ADC0809实现对脑电信号的数字化处理，同时利用单片机的串口将数据传送到PC机，并将采集到的脑电波在PC机上实时的显示出来，最后对脑电信号进行了简单的滤波处理。在本论文中重点研究了脑电信号采集控制器的设计，单片机与PC机的通信，波形的实时显示及处理。

关键词： 脑电信号；数据采集；模数转换；串行通信

The Design of the EEG Processing System

Abstract： With the development of science and technology, the demand of the medical examination and test increase step by step. The Electroencephalogram (EEG) acquisition system plays an important role in clinical diagnoses as an important medical device for examining and testing cerebral diseases. But the traditional EEG acquisition system only records the changes of the procedure of the brain signals in a single way without any process, the importance of the EEG information processing is also more and more obvious.  A kind of EEG processing system is mainly accomplished in this design. The ADC0809 is controlled by AT89C51 to process the EEG signals digitally. At the mean while, the acquisition EEG signal is transmitted to the computer by the serial port of the monolithic processor. Then the wave of EEG is displayed in the computer in real time. At last, the EEG signal is filtered simply. In this paper, we mainly study the design of the acquisition and process system of EEG, the correspondence of monolithic processor and computer, the in real-time display and processing of the wave of EEG.

Key words:  EEG, Data Acquisition, A/D Converter, Serial Communication

目    录

第1章  绪论 1
1.1  引言 1
1.2  国内外脑电仪器的发展及应用背景、目的及意义 1
1.2.1  国内外脑电仪器的发展及应用背景 1
1.2.2  课题研究的目的及意义 3
1.3  设计的任务及论文完成的主要工作 3
1.3.1  设计任务 3
1.3.2  论文完成的主要工作 3
1.4  设计的主要思想 3
1.5  本文的结构组成 4
第2章  脑电信号处理系统总体方案设计 5
2.1  脑电信号的特征分析 5
2.2  脑电信号处理系统总体方案 5
2.3  脑电信号采集控制器硬件方案的设计 6
2.3.1  微控制器的选择 6
2.3.2  模数转换器的选择 8
2.4  脑电信号处理系统软件方案的设计 10
2.5  小结 10
第3章  脑电信号采集控制器模块设计 11
3.1  采集控制器硬件的设计 11
3.1.1  采集控制器的设计方案一 11
3.1.2  采集控制器的设计方案二 12
3.2  小结 14
第4章  脑电信号处理系统软件设计 15
4.1  基于AT89C51的串行通信 15
4.2  数据采集与通信程序设计 16
4.3  脑电波形的显示 19
4.4  脑电波信号的处理 22
4.4.1  低通数字滤波器的设计 22
4.4.2  高通数字滤波器的设计 24
4.5  小结 26
第5章  软件的调试 27
5.1  脑电信号采集与传输程序的调试 27
5.2  串口通信程序的调试 28
5.3  脑电波形显示程序调试 30
5.4  脑电波处理程序调试 31
5.5  小结 32
总  结 33
致  谢 34
参考文献 35
附  录 36
 

第1章  绪论
1.1  引言
脑科学的研究是当今医学研究的热点之一，而安全无损伤性的脑研究和治疗手段更易为人们所青睐和接受。自从上世纪20年代发现人类大脑生物电活动(Berger 1929 年)以来，世界各国学者对脑电进行了大量的研究[1]。随着现代科学技术的发展，对脑电波的研究也有了不少的突破。脑电图已经广泛的应用于生物医学、军事医学、航天医学、生理学、心理学等研究领域。早期的工作发现脑电图记录有助于诊断癫痫和脑肿瘤。现在脑电图已经成为一项常规的临床检查，它对脑损伤、癫痫、检测觉醒、昏迷和脑死亡、理解和控制麻醉状态等疾病提供了诊断、预测、治疗等信息。但脑电信号显著的特点是信号极其微弱(幅值范围为 10μV-100μV)，振幅不恒定。并且由于脑电电极，直流电源及人体其他信号的干扰，信号很不稳定[2]。虽然，目前所采用的机电式脑电图机和脑电地形图仪的应用比较广泛，但这类脑电系统均采用硬件控制，稳定性和可靠性相对比较低；另外，由于都是采用模拟信号处理，抗干扰性差、功能比较单一，硬件实现也比较的复杂，不利于对功能进行灵活的更动以满足临床诊断的需求。近些年来，随着数字信号处理技术的飞速发展，数字化技术在各行各业的渗透也越来越深入，采用数字化技术来实现原先需要借助模拟信号处理技术才能实现的系统功能，有非常多的优越性。数字化脑电系统就是在这一背景之下提出来的一种新型医疗仪器，具有比较高的临床应用价值。
1.2  国内外脑电仪器的发展及应用背景、目的及意义
1.2.1  国内外脑电仪器的发展及应用背景
脑电仪器是用于获取和观察被检测者脑电活动变化的仪器，对了解大脑的生理、病理状态具有重要意义。广泛用于大脑疾病的诊断、病损部位的定位、疗效的评价、预后的判断。因此在临床上有广泛的应用前景。数字化脑电系统是最近两年才出现的新型医疗仪器，是在原机电式脑电图机和脑电地形图仪的基础上发展起来的一种新型设备。脑电图是人脑头皮电位的记录。1934 年，英国最著名的神经生理学家、诺贝尔医学生理学奖获得者 Adrian 爵士及美国的 Davis 等人证实并应用于临床以后，正式提出脑电图这一名词[3]。人体头皮电位只有几十微伏，需放大十几万倍才能被记录到，如此微弱的脑电信号如何放大，一直是困扰技术人员的难题。而且外界干扰信号很难排除，尤其是工频电源信号的干扰更为突出。随着科技的发展，高精度、微型化的放大芯片的出现，使得脑电图机的测量精度和稳定性大幅提高。国外的产品，如美国和日本的脑电图机，抗干扰和稳定性都比较好，但价格昂贵，一般都在 20 万元以上，无笔描记式的脑电图机价格更高。它们使用的放大器都是采用高精度集成放大器，并有专用 CPU 控制。但这样的性能价格比是我国广大中小医院无法受的。国产脑电图机的内部控制都是采用小规模集成电路控制，所以稳定性和可靠性相对比较低。目前临床脑电波检查，其诊断价值仍不尽如人意。究其原因在于在诊断与大脑皮层有密切关系的高级神经活动时，往往难以应用空间分析技术。
现代空间分析技术法有三个重要的发展阶段，第一阶段是 Walter(1967)研究的脑电波平均频率谱的空间表示和 Bickford(1971)研究的脑电波的描记压缩成俯瞰图。这种方法采用了频率分析技术，在单一部位记录脑电波，分析其频率，并把记录在多导联的脑电波中的频率累积起来[4]。第二阶段是由 Rremond(1969)研制的脑波电压“时间—空间分布图”，即从某一时间点开始，随着时间的推移而记录导联中的一系列脑电波电位位置分布，把它们制成等电位图[5] 。第三阶段是二维显示[6]法显示头部某一区域或整个头部的电位分布，这是由 Lehmann(1976)和Ragot(1878)研制而成的。他们将实测到的电压值，应用函数原理推算出头部电极区间的未知电压值，利用这些电压值可作出类似于地形图等高线样的等电压地形图，即脑电地形图[6] 。
目前，描记式脑电图和脑电地形图还不能完全满足临床脑电检查的需要。描记式脑电图和脑电地形图检查都是一种静态短时间的检测，人脑电波的异常活动并不一定连续出现，有些是瞬间变化的。因而对一些偶发、短暂、阵发的或具有特征性的脑电活动，它们就显得无能为力了。近年来，随着计算机技术和大容量微形存贮技术的飞速发展，二十四小时动态脑电图已经面市，这一产品的出现，为临床提供了全信息脑电信号。动态脑电图(病人携带式脑电记录器)是集脑电放大、数模转换、数据保存为一体的微型脑电信号记录器，并与计算机软件技术相结合的一种最新技术产品。但它只是通过计算机将所记录到的脑电信号放出来，没有充分利用计算机的优势进行分析处理。脑电图和脑电地形图都是单一脑电信号的记录和分析，对许多神经科疾病的诊断未能提供足够的信息(如心电、眼动、呼吸和肌电等)。当前的科学研究往往是采用许多学科的研究方法去研究一门学科的对象，如何将心电、脑电、眼动、呼吸等生命体征信息有机地、实时地提供给临床医生，如何对精神分裂症、抑郁症、智能障碍、强迫症、恐怖症等神经精神科疾病提供更多的信息，将是今后此类设备发展的方向，与上述体征信息有关疾病的研究正在成为近年来医学工作者，特别是神经科医生研究的热门课题。数字脑电系统正是为了适应这一医学研究发展方向而研制的。
1.2.2  课题研究的目的及意义
本课题的目的是设计一脑电信号处理系统，该系统既能对脑电信号进行采集，又能对信号进行处理，这样能弥补传统的脑电仪器只对脑电信号采集显示，不进行处理的缺陷。此课题的完成，能对脑电信号进行简单的处理，如果使信号处理功能足够强大，能为临床和医学研究提供更多的大脑信息，有利于提高我们的医疗水平。
1.3  设计的任务及论文完成的主要工作
1.3.1  设计任务
采集来的脑电信号经放大、滤波之后还是模拟信号，若要将该脑电信号作为数据文件保存到计算机中,做进一步的分析，需要将模拟信号转换为数字信号。
本设计要求设计脑电信号采集控制器的设计，将采集到的脑电信号在计算机上实时显示，能对脑电信号完成软件滤波，完成硬件和软件的调试。
1.3.2  论文完成的主要工作
针对设计任务的要求,本论文完成的主要工作有：完成脑电信号采集控制器的设计；并通过串口通信将采集到的脑电信号传送到计算机，并在计算机上实时显示；完成脑电信号采集控制器硬件电路的设计；并编写采集控制程序和串口通信程序，完成脑电信号显示及处理程序的设计。
1.4  设计的主要思想
脑电信号是一种微弱的生理信号，它具有医学信号的特点，只有µV级，而且频带为0.5-70Hz，所以对硬件的设计要求抗干扰能力强，才能使输出的信号易于观察，分析和处理。在硬件上主要用前置放大，滤波和干扰抑制电路对信号进行放大，滤波，再将模拟信号转换为数字信号送入计算机，便于用软件对信号进行处理。

1.5  本文的结构组成
 本论文由五部分组成：
 绪论：主要阐述脑电信号处理系统的发展现状，介绍设计研究背景，明确了设计任务，简单概述了设计思想，介绍本论文的组成。
 第2章：根据脑电信号的特点，设计出脑电信号处理系统总体方案。通过比较选择采集控制器的元器件，确定控制器的硬件设计方案，提出脑电信号处理系统的软件设计方案。
 第3章：根据选定的元器件的性能及设计要求，设计出采集控制器的电路原理图。
第4章：根据硬件构成和功能要求，设计出采集与传输程序和串口通信程序，编写脑电波的显示程序以及对脑电信号的处理程序，给出了相应的程序流程图。
第5章：调试程序及结论。