通用串行總線腦電信號采集電路設計

0 引 言
大腦是人類思維活動的中樞，是接受外界信號，產(chǎn)生感覺，形成意識，進行邏輯思維，發(fā)出指令，產(chǎn)生行為的指揮部。通過研究腦電信號(EEG)可以了解腦活動的機制及人的認知過程，也是診斷腦疾患的重要手段。
現(xiàn)有的腦電信號采集系統(tǒng)絕大多數(shù)使用專用機器，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)下進行監(jiān)測，而且檢測數(shù)據(jù)記錄量小，不能實現(xiàn)長時間、大容量的記錄、分析，此外造價昂貴，采集到的腦電信號也不夠準確，往往需要結(jié)合醫(yī)生的經(jīng)驗做出診斷，故具有一定的主觀性。本文設計了一種新的基于USB 2．0的腦電信號采集電路。

1 腦電信號采集原理
分析腦電信號，掌握腦電信號的特征，對于設計出準確、有效的腦電信號采集電路至關重要。首先，可以從中選擇出攜帶最多信息量的信號；其次，可以針對特定的信號研究出相應的信號處理算法。
1．1 腦電波的特征及基本組成
腦電信號的特點主要有三個：頻率主要集中在低頻段100 Hz范圍內(nèi)；信號微弱，一般在50μV或更??；信號的源阻抗高，易于受外界信號干擾。成年人的腦電信號幅度范圍一般在10～50μV之間，頻率范圍在0．5～30 Hz之間。
1．2 腦電信號采集原理及方法
目前，對于腦電信號的測量，在時間的維度上，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，采樣頻率為1 000 Hz。由于腦電信號的固有特性及環(huán)境因素使得腦電信號背景噪聲比較復雜，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，并能從強噪聲中提取弱信號的高質(zhì)量濾波措施等。
腦電信號通常是通過在頭皮表面放置一些電極來采集的。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，以實現(xiàn)頭皮與腦電測量設備之間的連接。為了加強連通性和導電性，在電極與皮膚之間涂一些生理鹽水。電極的放置采用國際10-20系統(tǒng)電極放置法。

2 腦電信號采集電路設計
腦電信號采集電路包括：腦電信號放大、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 腦電信號的前置放大電路設計
信號放大檢測電路是本系統(tǒng)一個非常重要的環(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等特點。當電極和皮膚接觸時，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。