李亞杰 宋明星 張玉棟

（河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000）

0 引 言

腦電信號是腦神經(jīng)細胞傳導(dǎo)信息時在大腦皮層或頭皮表面電活動的總體反映，是一種典型的生物電信號.其中包含的人的大量的生理狀態(tài)信息和相應(yīng)病情信息，對醫(yī)學(xué)的發(fā)展有很大的促進作用.同時腦電信號還可研究人的生理和心理之間的關(guān)系.科學(xué)對腦電信號的認識也越來越重要，隨之記錄腦電信號的儀器也相應(yīng)而生，這種設(shè)備是專門用于記錄和測量腦電信號的.其工作原理是：首先由放置在頭皮的電極在體表或皮下檢測出微弱的腦電（EEG）信號；然后通過電極導(dǎo)聯(lián)耦合到差動放大器進行適當(dāng)放大；最后由記錄設(shè)備記錄.

1 腦電信號的特點

腦部神經(jīng)細胞電位變化的情況稱為腦電信號（EEG），依據(jù)腦電圖儀與臨床生理學(xué)會國際聯(lián)盟的分類，腦電信號的頻率分為4個頻段：分別是δ波（0.5～4Hz，20～200uV）、θ波（4～8Hz，100uv～150 uV）、α波（8～13Hz，20～100uV）、β波（13～30Hz，5～20uV）.這些意識的組合就組成人外在的行為表現(xiàn)［1］.

腦電信號作為一種生物電信號具有如下的特點［2］：

第一，腦電信號非常微弱，一般只有50μV左右，幅值范圍為5μV～100μV［1］.所以，腦電信號放大增益要比一般的信號高得多，一般要放大20 000倍左右.

第二，腦電信號頭皮與顱骨通常幾千歐姆的電阻，所以要求前置部分有很高的輸入阻抗，以提高腦電信號索取能力，一般輸入阻抗要大于10MΩ.

第三，腦電信號的頻率范圍在0.1Hz～100Hz，頻率比較低.這就要求把腦電信號以外的其他信號濾除掉.

第四，在普通環(huán)境下，腦電信號會受到工頻50Hz、信噪比低于－10dB的信號的干擾.其存在的形式主要是共模的形式，幅值大小在毫伏級左右.所以要求系統(tǒng)放大器的共模抑制比必須大于120dB.

第五，必須考慮被測者的生理自然性和保證操作安全性等.

2 腦電信號采集系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，近些年來，隨著微電極技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種新型的無線干電極腦電信號采集設(shè)備.從電極出來的信號經(jīng)過三級的放大和濾波處理后，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后經(jīng)過存儲設(shè)備.本文主要研究的是信號的放大和濾波，其信號的處理和流程如下圖示，每個結(jié)構(gòu)的詳細的電路原理和結(jié)構(gòu)由本部分詳細闡述.

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2.1 前置級和第二級放大器的設(shè)計

在實際應(yīng)用中，為提高生物腦電信號放大電路的輸入阻抗，一般把差動輸入腦電信號從放大器的同相輸入，這樣連接后期輸入阻抗的值可達到10M左右.在條件理想的情況下，并聯(lián)型差動放大器的輸入阻抗為無窮大，共模抑制比也為無窮大，此時系統(tǒng)的共模抑制比和外電路的結(jié)構(gòu)和阻值精度無關(guān).本系統(tǒng)的前置級與第二級放大器如下圖所示.

圖2 EEG前置級與第二級放大器

A1，A2組成同相并聯(lián)輸入作為第一級放大，這樣可以提高電路的輸入阻抗.第二級的放大是由A3差動放大組成.在第一級放大和第二級放大之間，由C1、R6和C2、R7構(gòu)成了無源高通濾波器.其主要作用是濾除極化電壓的干擾，可以有效提高后級放大電路的共模抑制比.

第二級放大器采用INAl28，通用儀器放大器芯片INAl28具有低功耗、低溫漂、高精度、高共模抑制比CMRR≥120dB等優(yōu)點，是一個較理想的生物電放大器.

圖3 EEG第三級放大電路

2.2 第三級放大器的設(shè)計

因為經(jīng)過方法和預(yù)處理后腦電信號要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)化，而轉(zhuǎn)化電壓一般為0～4v.在第三級放大電路設(shè)計過程中，既要考慮信號電平的提升，又要實現(xiàn)信號的放大.放大器芯片用INA128，然后用加法器實現(xiàn)第三極放大電路.具體電路如下圖所示.

2.3 腦電信號的預(yù)處理電路

2.3.1 低通濾波器設(shè)計巴特沃斯濾波器稱為最平

相應(yīng)的濾波器，相位特性也比相同階數(shù)的切比雪夫和橢圓函數(shù)濾波器效果要好，故我們采用巴特沃斯低通濾波器［3］.

巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計過程如下：在滿足系統(tǒng)濾波性能要求的情況下，階數(shù)越低越好.其階數(shù)計算公式如下：

其中ωρ為截止頻率，As為頻率ωs所對應(yīng)的濾波器的增益.N是濾波器的階數(shù)，其必須為整數(shù).當(dāng)然濾波器的階數(shù)N越大，濾波效果就越好，但是隨之實現(xiàn)的電路也就越復(fù)雜.也就是說在滿足系統(tǒng)性能的情況下，N值越小越好.

系統(tǒng)要求：系統(tǒng)研究的信號通常為幾十Hz左右，濾波器的截止頻率就設(shè)定在40Hz.160Hz處的放大系數(shù)應(yīng)小于等于－48dB.

圖4 EEG低通濾波器

2.3.2 50Hz陷波器設(shè)計

在提取腦電信號過程當(dāng)中，為除去工頻50Hz的干擾，可以采用帶阻濾波器來實現(xiàn).當(dāng)工頻50Hz的干擾信號非常嚴重時，可以采用50Hz的陷波器來濾除，從而抑制50Hz工頻信號的干擾.我們把50 Hz的陷波器加在光電隔離電路和第三極放大電路之間.為了減小陷波器對腦電信號的影響，要求陷波器的Q非常高.我們的設(shè)計方案是有源雙T陷波的濾波器.其電路圖如下所示.

圖5 50Hz雙T陷波的濾波器

通過計算可以得到系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)為：

顯然這兩個參數(shù)有電路中的R、C、q的參數(shù)值決定的.如果我選定電容的參數(shù)值后，可以求出：R＝

其中的Q就是陷波器的品質(zhì)因數(shù)，當(dāng)然Q值越大越好，當(dāng)其值會受到電路其他性能參數(shù)的影響，還有就是如果其值過大，會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定.通常我們?nèi)∑渲禐?.8左右.

3 總 結(jié)

本文主要解決的是從無線電極出來的腦電信號的后續(xù)處理過程，放大電路主要采用差分放大電路，然分別經(jīng)過高、低通濾波器和50Hz的陷波器處理.AD轉(zhuǎn)換后進行存儲或者用于腦電信號的分析和應(yīng)用.未來展望采集到的腦電信號可以和電腦無縫隙的工作，可以用人的思想去直接驅(qū)動外設(shè).

［1］王寶華.生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1992

［2］陳真誠.腦電信號采集預(yù)處理電路設(shè)計［J］.中國醫(yī)學(xué)物理雜志，2009.10

［3］張建利，李文峰.基于TMS320LF2407A的腦電信號采集系統(tǒng)的設(shè)計［J］.世界電子元器件，2004.11