• Proiectul propus consta intr-un sistem de monitorizare a activitatii cerebrale (EEG), realizat cu ajutorul unui convertor analog-digital de precizie ADS1115 si un set de filtre analogice pasive. Semnalul EEG este preluat de la electrozi si amplificat cu un circuit specializat, apoi transmis catre microcontrolerul ESP32. Acesta proceseaza si afiseaza in timp real forma de unda pe un ecran OLED si clasifica activitatea cerebrala in functie de frecventa in benzi caracteristice: delta, theta, alfa, beta si gamma.
• Scopul acestui proiect este dezvoltarea unui sistem portabil si accesibil de monitorizare a activitatii cerebrale, care poate afisa in timp real semnalele captate si poate clasifica tipurile de unde cerebrale.
• Ideea a pornit de la dorinta de a intelege mai bine cum functioneaza activitatea cerebrala in diferite stari (odihna, concentrare, somn) si cum poate fi aceasta masurata cu hardware relativ simplu si accesibil.
• Poate fi folosit in scopuri educationale, pentru cercetari de baza in neurostiinte, pentru aplicatii de relaxare si meditatie, dar si ca punct de plecare pentru dezvoltarea unor interfete creier-dispozitiv.

Frecventele la care functioneaza semnalele cerebrale:

Mai jos am inclus un exemplu grafic care ilustreaza cum arata undele cerebrale, fiecare cu frecventele si amplitudinile specifice gamei din care face parte. Fiecare linie reprezinta o componenta a semnalului compus, iar pe baza acestor forme de unda este posibila identificarea si clasificarea activitatii cerebrale in gamele mentionate:

Sistemul EEG propus capteaza semnalul cerebral prin electrozi conectati la un amplificator si apoi la convertorul ADS1115. Semnalul este transmis catre ESP32, care il proceseaza in timp real. Datele apoi sunt afisate pe un ecran OLED si vor fi salvate pe un card microSD. Zgomotul de 50/60 Hz si altele sunt filtrate digital pentru a obtine o clasificare precisa in benzi cerebrale.

• Lista piese:
  • ADS1115 ADC
  • ESP32 DevKit-C
  • INA333
  • MCP6002
  • OLED SSD1306
  • Electrozi
  • microSD Card Reader
  • Placa PCB pentru prototipare
  • Condensatoare, rezistente, breadboard si power bank
• Interfete Hardware:
  • I2C cu dispozitivele conectate (oled si ads1115) are rolul pentru a transmite date intre microcontroler si senzori/afisaj.
  • SPI pentru microSD Card Reader. Are rolul de a salava masuratori EEG in fisiere CSV.
  • ADC pentru citirea semnalului EEG. Am pornit de la faptul ca semnalul preluat de la electrozi este foarte slab, de ordinul microvoltilor. Ca sa-l pot duce intr-un interval masurabil, am folosit un amplificator de instrumentatie INA333, care amplifica diferenta de potential dintre cei 2 electrozi in zona milivoltilor. Dupa amplificare, semnalul trece printr-un filtru trece-jos de tip Sallen-Key, implementat cu amplificatorul MCP6002, configurat cu o frecventa de cut-off de 40 de Hz, pentru a elimina zgomotul de retea si alte interferente. Astfel, raman doar gamele dorite ale EEG-ului: Delta, Theta, Alpha, Beta, pe care ulterior le poate analiza convertorul ADC.

eeg_final_code.ino

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_ADS1X15.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
 
#define SCREEN_WIDTH 128
#define SCREEN_HEIGHT 64
#define GRAPH_WIDTH 128
#define GRAPH_HEIGHT 40
#define GRAPH_Y_OFFSET 20
 
Adafruit_ADS1115 ads;
Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, -1);
 
float dataPoints[GRAPH_WIDTH];
int currentX = 0;
float visualGain = 10.0;
 
unsigned long lastSample = 0;
unsigned long sampleCount = 0;
 
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin();
 
  if (!ads.begin()) {
    Serial.println("ADS1115 error!");
    while (1);
  }
 
  if (!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) {
    Serial.println("Display error!");
    while (1);
  }
 
  ads.setGain(GAIN_ONE);
  ads.setDataRate(RATE_ADS1115_860SPS);
 
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(1);
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  display.setCursor(0, 0);
  display.println("EEG ready");
  display.display();
 
  Serial.println("timestamp,raw,voltage");
}
 
void loop() {
  unsigned long now = micros();
 
  if (now - lastSample >= 4000) {
    lastSample = now;
    sampleCount++;
 
    unsigned long timestamp = millis();
    int16_t raw = ads.readADC_SingleEnded(0);
    float voltage = raw * 4.096 / 32767.0;
 
    Serial.print(timestamp);
    Serial.print(",");
    Serial.print(raw);
    Serial.print(",");
    Serial.println(voltage, 6);
 
    float amplified = voltage * visualGain;
 
    dataPoints[currentX] = amplified;
    currentX = (currentX + 1) % GRAPH_WIDTH;
 
    drawWaveform();
  }
}
 
void drawWaveform() {
  display.clearDisplay();
 
  float minVal = dataPoints[0];
  float maxVal = dataPoints[0];
  for (int i = 1; i < GRAPH_WIDTH; i++) {
    if (dataPoints[i] < minVal) minVal = dataPoints[i];
    if (dataPoints[i] > maxVal) maxVal = dataPoints[i];
  }
 
  float range = maxVal - minVal;
  if (range < 0.001) range = 0.001;
 
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 0);
  display.print("V:");
  display.print(dataPoints[(currentX - 1 + GRAPH_WIDTH) % GRAPH_WIDTH], 2);
  display.setCursor(65, 0);
  display.print("R:");
  display.print(range, 2);
 
  int baselineY = GRAPH_Y_OFFSET + GRAPH_HEIGHT / 2;
  for (int x = 0; x < GRAPH_WIDTH; x += 10) {
    display.drawPixel(x, baselineY, SSD1306_WHITE);
  }
 
  for (int i = 0; i < GRAPH_WIDTH - 1; i++) {
    int x1 = i;
    int x2 = i + 1;
 
    int y1 = GRAPH_Y_OFFSET + GRAPH_HEIGHT - ((dataPoints[i] - minVal) / range * GRAPH_HEIGHT);
    int y2 = GRAPH_Y_OFFSET + GRAPH_HEIGHT - ((dataPoints[x2 % GRAPH_WIDTH] - minVal) / range * GRAPH_HEIGHT);
 
    y1 = constrain(y1, GRAPH_Y_OFFSET, GRAPH_Y_OFFSET + GRAPH_HEIGHT);
    y2 = constrain(y2, GRAPH_Y_OFFSET, GRAPH_Y_OFFSET + GRAPH_HEIGHT);
 
    display.drawLine(x1, y1, x2, y2, SSD1306_WHITE);
  }
 
  int markerY = GRAPH_Y_OFFSET + GRAPH_HEIGHT - ((dataPoints[currentX] - minVal) / range * GRAPH_HEIGHT);
  markerY = constrain(markerY, GRAPH_Y_OFFSET, GRAPH_Y_OFFSET + GRAPH_HEIGHT);
  display.fillCircle(currentX, markerY, 1, SSD1306_WHITE);
 
  display.display();
}

get_data.py

import serial
import time
import csv
 
def get_serial_port(serial_port, baud_rate, timeout=1):
    ser = serial.Serial(serial_port, baud_rate, timeout=timeout)
    time.sleep(2)
    return ser
 
def write_to_csv(serial_conn, csv_file_path):
    with open(csv_file_path, mode='w', newline='') as file:
        writer = csv.writer(file)
        writer.writerow(["timestamp", "raw", "voltage"])
 
        while True:
            line = serial_conn.readline().decode(errors='ignore').strip()
            if line.count(',') == 2:
                timestamp, raw, voltage = line.split(",")
                writer.writerow([timestamp.strip(), raw.strip(), voltage.strip()])
                print(timestamp, raw, voltage)
 
def main():
    serial_port = "COM5"
    baud_rate = 115200
    csv_file = "eeg_data.csv"
 
    ser = get_serial_port(serial_port, baud_rate)
    write_to_csv(ser, csv_file)
 
if __name__ == "__main__":
    main()

In aceasta sectiune voi evidentia cateva aspecte suplimentare. Saptamana aceasta a fost dedicata componentei hardware, am realizat mai multe simulari in LTSpice pentru a anticipa comportamentul circuitului odata ce va fi implementat fizic. Am testat semnale care acopera majoritatea gamelor EEG ce pot fi observate realist, pentru a evalua atat amplificarea cat si filtrarea acestora. Mai jos am pus codurile celor doua etape prin care obtin un semnal EEG pregatit pentru a fi citit de ADC:

ina333_test.cir

* Test INA333 EEG Amplifier
 
; Delta (1Hz, amplitudine 5μV)
; V1 INP 0 SIN(2.5 5u 1)
; V2 INN 0 SIN(2.5 -5u 1)
 
; Theta (6Hz, amplitudine 2μV)
; V1 INP 0 SIN(2.5 2u 6)
; V2 INN 0 SIN(2.5 -2u 6)
 
; Alpha (10Hz, amplitudine 2.3μV)
V1 INP 0 SIN(2.5 2.3u 10)
V2 INN 0 SIN(2.5 -2.3u 10)
 
; Beta (20Hz, amplitudine 1.8μV)
; V1 INP 0 SIN(2.5 1.8u 20)
; V2 INN 0 SIN(2.5 -1.8u 20)
 
VCC VCC 0 DC 5
VREF REF 0 DC 2.5
 
CDECOUPLE VCC 0 0.1u
 
RGAIN RG+ RG- 1k
 
XU1 INP INN VCC 0 OUT REF RG+ RG- INA333
 
.lib INA333.LIB
 
.options abstol=1n reltol=1u
.tran 0 1000ms 0 10us
.backanno
.end

Semnalele de input:

Semnalul de output:

sallen-key_test.cir

* Test Sallen-Key MCP6002 - Low-Pass Filter (~40 Hz cutoff)
 
* Delta - 1Hz, 5mV
* V1 IN 0 SIN(2.5 5m 1)
* Theta - 6Hz, 3mV
* V1 IN 0 SIN(2.5 3m 6)
* Alpha - 10Hz, 2.5mV
V1 IN 0 SIN(2.5 2.5m 10)
* Beta - 20Hz, 2mV
* V1 IN 0 SIN(2.5 2m 20)
* Zgomot 50Hz - 5mV
* V1 IN 0 SIN(2.5 5m 50)
 
VDD VDD 0 DC 5
R1 IN N1 18k
R2 N1 N2 18k
C1 N2 0 220n
C2 N1 OUT 220n
XU1 N2 OUT VDD 0 OUT MCP6002
 
Rload OUT 0 100k
 
.lib MCP6002.LIB
.tran 0 1s 0 1m
.options reltol=1e-3 abstol=1e-6
.backanno
.end

Semnalul nefiltrat/filtrat:

Export to PDF