脑电信号采集系统的设计

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1、第３２卷第１期河北建筑工程学院学报Ｖｏl３２Ｎｏ１２０１４年３月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＥＢＥＩＩＮＳＴＩＴＵＴＥＯＦＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥＡＮＤＣＩＶＩＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＭａｒｃｈ．２０１４脑电信号采集系统的设计李亚杰宋明星张玉栋（河北建筑工程学院，河北张家口０７５０００）摘要：分析了脑电信号作为生物电信号的特征，并根据这些独有的特征提出了对采集脑电信号的系统的性能要求，从而规划出整体的设计框图．系统具有高输入阻抗、高共模抑制比的等特点，并且具有良好的实时性和通用性．其中，信号采集部分是将电极记录的脑电信号进行三级的放大和滤波，最终将此信号传送至模数转换模块．关键词：

2、生物脑电信号；信号采集；放大；滤波中图分类号：ＴＰ２７１文献标识码：Ｂ０引言脑电信号是脑神经细胞传导信息时在大脑皮层或头皮表面电活动的总体反映，是一种典型的生物电信号．其中包含的人的大量的生理状态信息和相应病情信息，对医学的发展有很大的促进作用．同时脑电信号还可研究人的生理和心理之间的关系．科学对脑电信号的认识也越来越重要，随之记录脑电信号的仪器也相应而生，这种设备是专门用于记录和测量脑电信号的．其工作原理是：首先由放置在头皮的电极在体表或皮下检测出微弱的脑电（ＥＥＧ）信号；然后通过电极导联耦合到差动放大器进行适当放大；最后由记录设备记录．１脑电信号的特点脑部神经细胞电位变化的

3、情况称为脑电信号（ＥＥＧ），依据脑电图仪与临床生理学会国际联盟的分类，脑电信号的频率分为４个频段：分别是δ波（０.５～４Ｈｚ，２０～２００ｕＶ）、θ波（４～８Ｈｚ，１００ｕｖ～１５０ｕＶ）、α波（８～１３Ｈｚ，２０～１００ｕＶ）、β波（１３～３０Ｈｚ，５～２０ｕＶ）．这些意识的组合就组成人外在的行为［１］表现．［２］脑电信号作为一种生物电信号具有如下的特点：［１］第一，脑电信号非常微弱，一般只有５０μＶ左右，幅值范围为５μＶ～１００μＶ．所以，脑电信号放大增益要比一般的信号高得多，一般要放大２００００倍左右．第二，脑电信号头皮与颅骨通常几千欧姆的电阻，所以要求前置部分有很高的输

4、入阻抗，以提高脑电信号索取能力，一般输入阻抗要大于１０ＭΩ．第三，脑电信号的频率范围在０.１Ｈｚ～１００Ｈｚ，频率比较低．这就要求把脑电信号以外的其他信号滤除掉．第四，在普通环境下，脑电信号会受到工频５０Ｈｚ、信噪比低于－１０ｄＢ的信号的干扰．其存在的形式主要是共模的形式，幅值大小在毫伏级左右．所以要求系统放大器的共模抑制比必须大于１２０ｄＢ．第五，必须考虑被测者的生理自然性和保证操作安全性等．２脑电信号采集系统设计系统的总体架构如图１所示，近些年来，随着微电极技术的发展，出现了一种新型的无线干电极脑电信号采集设备．从电极出来的信号经过三级的放大和滤波处理后，经过ＡＤ转换后经过

5、存储设备．本文主要研究的是信号的放大和滤波，其信号的处理和流程如下图示，每个结构的详细的电路原理和结构由本部分详细阐述．收稿日期：２０１３１１２２作者简介：李亚杰（１９８３-），男，助教，从事计算机技术应用研究．１２８河北建筑工程学院学报第３２卷图１系统总体设计框图２.１前置级和第二级放大器的设计在实际应用中，为提高生物脑电信号放大电路的输入阻抗，一般把差动输入脑电信号从放大器的同相输入，这样连接后期输入阻抗的值可达到１０Ｍ左右．在条件理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大，此时系统的共模抑制比和外电路的结构和阻值精度无关．本系统的前置级与第二级

6、放大器如下图所示．图２ＥＥＧ前置级与第二级放大器Ａ１，Ａ２组成同相并联输入作为第一级放大，这样可以提高电路的输入阻抗．第二级的放大是由Ａ３差动放大组成．在第一级放大和第二级放大之间，由Ｃ１、Ｒ６和Ｃ２、Ｒ７构成了无源高通滤波器．其主要作用是滤除极化电压的干扰，可以有效提高后级放大电路的共模抑制比．２Ｒ３由理想运放的条件可知，第一级放大电路的增益为：ＡｄＩ=（１＋）≈２０Ｒ１第二级放大器采用ＩＮＡｌ２８，通用仪器放大器芯片ＩＮＡｌ２８具有低功耗、低温漂、高精度、高共模抑制比ＣＭＲＲ≥１２０ｄＢ等优点，是一个较理想的生物电放大器．２.２第三级放大器的设计因为经过方法和预处理后脑电信

7、号要经过模数转化，而转化电压一般为０～４ｖ．在第三级放大电路设计过程中，既要考虑信号电平的提升，又要实现信号的放大．放大器芯片用ＩＮＡ１２８，然后用加法器实现第三极放大电路．具体电路如下图所示．图３ＥＥＧ第三级放大电路第１期李亚杰宋明星张玉栋脑电信号采集系统的设计１２９２.３脑电信号的预处理电路２.３.１低通滤波器设计巴特沃斯滤波器称为最平相应的滤波器，相位特性也比相同阶数的切比雪夫和椭圆函数滤波器效果要好，故我们采用巴特沃斯低［３］通滤波器．巴特沃斯低通滤波器的设计过程如下：在满足系统滤波