在当今科技飞速发展的时代，脑机接口（BCI）课题正受到商业、工业以及科研等众多领域越来越多的关注。脑电图（EEG）作为一种由大脑皮层区域神经元电活动产生的微弱生物电信号，在临床诊断尤其是神经系统疾病诊断中有着广泛的应用。然而，目前关于国产芯片在脑电图信号采集可靠性方面的研究相对有限。本文将详细比较两款模数转换器（ADC）——ADS1299 和 LHE7909 在脑电图应用中的性能，旨在展示国产芯片的先进性。
脑电图信号可分为多种类型，其中稳态视觉诱发电位（SSVEP）和事件相关电位（ERP）是研究较多的类型。SSVEP 是大脑对特定频率刺激做出周期性响应时产生的，而 ERP 在视觉和听觉刺激后的特定时间窗口内表现出特定特征，包含外源性和内源性成分。常见的 ERP 成分有 P1、P2、P3 等，其中 P3 或 P300 是刺激后约 300ms 出现的一个被广泛研究的正电位。经典的奇异球范式常被用作 ERP 的测量方法，该范式由非目标刺激中随机插入若干目标刺激组成，受试者需在目标刺激出现后执行任务，对非目标刺激则不做反应，且目标刺激通常不超过总数的 20%。此外，认知负荷评估可以观察脑电图的趋势，随着受试者认知水平下降，刺激响应会减弱，这也可作为衡量芯片捕获细微信号特征能力的一种方法。
德州仪器的 ADS1299 是一款低功耗、低输入参考噪声的模数转换器，非常适合脑电图信号采集，在便携式信号采集系统中的应用已相当广泛和成熟。而 LHE7909 是苏州领慧立芯技术有限公司生产的一款专为脑电图和其他生理信号测量设计的低噪声 ADC，其制造工艺和性能指标在中国处于行业地位，但目前尚无关于 LHE7909 系列在脑电图信号测量中应用的相关研究。
- 数据采集：整体数据采集流程如图 1 所示。使用由通讯作者何艾骏博士设计的两种脑电图信号采集板，两块板均以 ESP32 - S3 作为主控芯片，支持串口、WiFi 和蓝牙三种通信模式，分别使用 ADS1299 和 LHE7909 作为模拟前端芯片，其余配置相同。受试者小组包括一名中年男性、三名 23 至 25 岁的男性以及一名女性参与者。实验在室内进行，环境温度约为 25℃，湿度低于 30%。采集板和软件应用程序连接到同一台计算机，以确保数据传输的实时性和可靠性。脑电图系统电极放置严格遵循国际 10 - 20 系统规定，使用 16 个电极位点，左右耳垂分别用作参考电极和接地电极。考虑到实际实验对分辨率要求不高，选择每秒 250 个采样点。
- 实验设计：为全面比较两种 ADC 在脑电图信号测量中的应用，选择了稳态视觉诱发电位和用于诱发 P300 成分的奇异球范式两个经典的脑电图实验范式。同时进行认知负荷测试，评估参与者疲劳水平对实验结果的影响。
- 稳态视觉诱发电位：选择 13Hz 的屏幕闪烁刺激，计算机屏幕显示以 13Hz 频率切换的六边形图案。每次试验包含 10 个时期，每个时期包括 3000ms 的闪烁刺激和 1000ms 的间隔。
- 奇异球范式：选择标准三角形图案作为非目标刺激，随机着色、大小、位置和旋转的三角形图案作为目标刺激。每次试验包含 25 个时期，每个时期包括 1000ms 的刺激和 2000ms 的间隔，目标刺激出现 5 次，占总刺激的 20%。
- 认知负荷评估：在实验开始约 3 小时后进行，通过保持任务复杂度不变，测试两种芯片捕获细微信号特征的能力。
- 数据处理方法
- 滤波：为去除实验环境中的 50Hz 工频干扰，使用 IIR 数字滤波器进行陷波滤波，通过设置合适的参数滤除 49Hz 至 51Hz 之间的所有分量。
- 去趋势：由于实验条件和环境干扰等因素，脑电图信号可能出现长期基线漂移，采用多项式拟合去除信号中的趋势。
- 提取时期：根据刺激出现的时间点生成标记流，利用这些标记提取连续信号段作为多个单次试验，然后叠加不同时间间隔的信号，以减少偶然的噪声波动。
- 独立成分分析：脑电图信号是混合信号，可视为多个独立成分的线性组合，使用独立成分分析算法将其分解为多个独立的神经活动，去除眼动伪影、肌肉伪影等成分，提高信号质量。
- P300 检测：完成奇异球实验后，对脑电图数据进行处理。对于 ADS1299，可观察到明显的 P100、P200、P300 和 N400 成分，P300 成分在 360ms 左右出现约 10μV 的显著正波。对于 LHE7909，同样观察到这些成分，但 P300 成分的正波幅度不突出，在 340ms 左右出现约 5μV 的正波，P100 和 P200 成分更大，振幅均超过 10μV。进行独立成分分析后，未观察到明显的伪影痕迹，表明获得的头皮脑电图信号相对纯净，实验结果可靠性高。
- SSVEP：对经过处理的脑电图数据进行分析。ADS1299 在 13Hz 处出现与刺激同步的显著峰值，O1 - O2 在 13Hz 处的信噪比，振幅超过 1.4μV，甚至在 26Hz 处也有轻微的谐波分量，但 3 小时后 13Hz 处的波幅急剧下降。LHE7909 在 13Hz 和 26Hz 处也有显著的谐波分量，O1 - O2 在 13Hz 处的信噪比同样，表现出稍多的低频噪声。在认知负荷评估中，LHE7909 表现出色，26Hz 和 39Hz 的分量非常显著。功率谱密度分析结果显示，LHE7909 在预期出现谐波分量的电极点上表现出更集中的能量，在枕叶的电极 O1 - O2 表现为显著。
本研究对国产 ADC 芯片 LHE7909 与成熟的 ADS1299 在脑电图信号采集方面进行了全面比较。两种芯片都表现出良好的可靠性，振幅误差低于 2%，能够捕获高质量的脑电图信号。特别是 LHE7909，在检测细微脑电图特征方面表现出色，如响应 13Hz 刺激时在 SSVEP 中诱发的三次谐波分量。在认知负荷测试中，LHE7909 能检测到 ADS1299 无法检测到的细微响应。此外，LHE7909 在 P300 检测中的正波出现在约 340ms。
