通用串行總線腦電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

0 引 言
大腦是人類思維活動(dòng)的中樞，是接受外界信號(hào)，產(chǎn)生感覺，形成意識(shí)，進(jìn)行邏輯思維，發(fā)出指令，產(chǎn)生行為的指揮部。通過研究腦電信號(hào)(EEG)可以了解腦活動(dòng)的機(jī)制及人的認(rèn)知過程，也是診斷腦疾患的重要手段。
現(xiàn)有的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)絕大多數(shù)使用專用機(jī)器，使用、搬移、維修都很不方便。另外，抗干擾能力差，必須在特定環(huán)境(屏蔽室)下進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄量小，不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、大容量的記錄、分析，此外造價(jià)昂貴，采集到的腦電信號(hào)也不夠準(zhǔn)確，往往需要結(jié)合醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)做出診斷，故具有一定的主觀性。本文設(shè)計(jì)了一種新的基于USB 2．0的腦電信號(hào)采集電路。

1 腦電信號(hào)采集原理
分析腦電信號(hào)，掌握腦電信號(hào)的特征，對(duì)于設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確、有效的腦電信號(hào)采集電路至關(guān)重要。首先，可以從中選擇出攜帶最多信息量的信號(hào)；其次，可以針對(duì)特定的信號(hào)研究出相應(yīng)的信號(hào)處理算法。
1．1 腦電波的特征及基本組成
腦電信號(hào)的特點(diǎn)主要有三個(gè)：頻率主要集中在低頻段100 Hz范圍內(nèi)；信號(hào)微弱，一般在50μV或更?。恍盘?hào)的源阻抗高，易于受外界信號(hào)干擾。成年人的腦電信號(hào)幅度范圍一般在10～50μV之間，頻率范圍在0．5～30 Hz之間。
1．2 腦電信號(hào)采集原理及方法
目前，對(duì)于腦電信號(hào)的測(cè)量，在時(shí)間的維度上，可以獲得很高的解析率。然而，在空間的維度上，得到的分辨率卻很低，這依賴于在頭皮上安置電極的數(shù)量。本系統(tǒng)使用16路電極提取腦電信號(hào)，采樣頻率為1 000 Hz。由于腦電信號(hào)的固有特性及環(huán)境因素使得腦電信號(hào)背景噪聲比較復(fù)雜，有50 Hz工頻干擾、心電偽跡、肌電干擾、基線漂移、電極與皮膚的接觸噪聲以及周圍其他儀器的電磁干擾等。因此，要求采集系統(tǒng)具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲放大，并能從強(qiáng)噪聲中提取弱信號(hào)的高質(zhì)量濾波措施等。
腦電信號(hào)通常是通過在頭皮表面放置一些電極來(lái)采集的。常用的電極種類有銀管電極、針電極和粘連電極等，本系統(tǒng)使用銀管電極，以實(shí)現(xiàn)頭皮與腦電測(cè)量設(shè)備之間的連接。為了加強(qiáng)連通性和導(dǎo)電性，在電極與皮膚之間涂一些生理鹽水。電極的放置采用國(guó)際10-20系統(tǒng)電極放置法。

2 腦電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)
腦電信號(hào)采集電路包括：腦電信號(hào)放大、濾波、A／D轉(zhuǎn)換及USB接口電路四部分，總體構(gòu)成如圖1所示。

2．1 腦電信號(hào)的前置放大電路設(shè)計(jì)
信號(hào)放大檢測(cè)電路是本系統(tǒng)一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。它為后續(xù)數(shù)據(jù)采集和處理分析做了硬件上的準(zhǔn)備。本系統(tǒng)采用高精度儀用放大器AD8221作為前置放大電路，具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。當(dāng)電極和皮膚接觸時(shí)，可以產(chǎn)生幾十毫伏的極化電位，所以前置放大器的放大倍數(shù)不能太大，以免造成電路的飽和。