通用串行总线脑电信号采集电路设计

通用串行总线脑电信号采集电路设计

0 引 言
    大脑是人类思维活动的中枢，是接受外界信号，产生感觉，形成意识，进行逻辑思维，发出指令，产生行为的指挥部。通过研究脑电信号(EEG)可以了解脑活动的机制及人的认知过程，也是诊断脑疾患的重要手段。
    现有的脑电信号采集系统绝大多数使用专用机器，使用、搬移、维修都很不方便。另外，抗干扰能力差，必须在特定环境(屏蔽室)下进行监测，而且检测数据记录量小，不能实现长时间、大容量的记录、分析，此外造价昂贵，采集到的脑电信号也不够准确，往往需要结合医生的经验做出诊断，故具有一定的主观性。本文设计了一种新的基于USB 2．0的脑电信号采集电路。

1 脑电信号采集原理
    分析脑电信号，掌握脑电信号的特征，对于设计出准确、有效的脑电信号采集电路至关重要。首先，可以从中选择出携带最多信息量的信号；其次，可以针对特定的信号研究出相应的信号处理算法。
1．1 脑电波的特征及基本组成
    脑电信号的特点主要有三个：频率主要集中在低频段100 Hz范围内；信号微弱，一般在50μV或更小；信号的源阻抗高，易于受外界信号干扰。成年人的脑电信号幅度范围一般在10～50μV之间，频率范围在0．5～30 Hz之间。
1．2 脑电信号采集原理及方法
    目前，对于脑电信号的测量，在时间的维度上，可以获得很高的解析率。然而，在空间的维度上，得到的分辨率却很低，这依赖于在头皮上安置电极的数量。本系统使用16路电极提取脑电信号，采样频率为1 000 Hz。由于脑电信号的固有特性及环境因素使得脑电信号背景噪声比较复杂，有50 Hz工频干扰、心电伪迹、肌电干扰、基线漂移、电极与皮肤的接触噪声以及周围其他仪器的电磁干扰等。因此，要求采集系统具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声放大，并能从强噪声中提取弱信号的高质量滤波措施等。
    脑电信号通常是通过在头皮表面放置一些电极来采集的。常用的电极种类有银管电极、针电极和粘连电极等，本系统使用银管电极，以实现头皮与脑电测量设备之间的连接。为了加强连通性和导电性，在电极与皮肤之间涂一些生理盐水。电极的放置采用国际10-20系统电极放置法。

2 脑电信号采集电路设计
    脑电信号采集电路包括：脑电信号放大、滤波、A／D转换及USB接口电路四部分，总体构成如图1所示。

2．1 脑电信号的前置放大电路设计
    信号放大检测电路是本系统一个非常重要的环节。它为后续数据采集和处理分析做了硬件上的准备。本系统采用高精度仪用放大器AD8221作为前置放大电路，具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声和抗干扰能力强等特点。当电极和皮肤接触时，可以产生几十毫伏的极化电位，所以前置放大器的放大倍数不能太大，以免造成电路的饱和。

2．2 高低通滤波器及二次放大电路设计
    高低通滤波主要有两个作用：
    (1)去除脑电信号频率范围以外的无用信号，达到抗干扰的作用；
    (2)起到防混叠滤波的作用。为了不丢失有用信号，设计了截止频率为120 Hz的低通滤波电路和截止频率为0．5 Hz的高通滤波电路。
    低通滤波电路(见图2)使用AD8674芯片的U1A和U1B两部分组成巴特沃型二阶低通滤波器，负责把120 Hz以上的无用信号滤掉。高通滤波电路(见图3)由U1C组成巴特沃型高通滤波器，负责滤除0．5 Hz以下的干扰信号。

    二级放大电路使用AD8674(A，B，D部)的U1C充当放大器，因为当频率在120 Hz以下时，AD8674的共模抑制比CMRR高达11O dB以上。通过调整R11和R14的比值，保证二级放大倍数为101倍。50 Hz工频干扰一直是电路设计中头痛的问题，在脑电这种微弱生物电提取系统中尤为突出。本文设计了由双T网络和运算放大器构成的有源双T陷波电路来抑制50 Hz工频干扰。
2．3 三级放大及光电隔离设计
    第三级放大电路(见图4)通过调整电阻器R19的阻值来保证经过第三级放大后，lO～50μF的微弱脑电信号将变为0～2．5 V。光电隔离电路负责把信号的采集放大部分(该部分使用电池供电)和后面的A／D转换部分(该部分使用交流供电)隔离开，以防止两部分信号之间相互干扰。

    A／D转换电路(见图6)的采样精度为16位，采样频率为1 000 Hz。USB控制器通过CNVST#管脚(AD7675的35号引脚)控制AD7675对每路脑电信号进行转换，同时还通过查询BUSY管脚(AD7675的29号引脚)来获知AD7675当前的状态。USB控制器还要响应主机的请求，把脑电数据及时、准确地传送给主机。为了提高转换的准确性，设计了采样保持电路，负责把16路脑电信号同时锁存，然后逐一进行转换。由于每秒产生32 KB(16×16×1 000)的脑电数据，因此为了保证有足够的空间暂时保存这些脑电数据，在CY7C68013芯片外扩充了一块SDRAM，容量为256K×16 b。

4 结 语
    脑电信号(EEG)是人体重要的生物电信号，目前关于脑电信号的采集与处理在某些疾病患者治疗过程中的作用已得到医疗机构越来越广泛的重视。本文详细论述了USB 2．0接口脑电信号采集电路的设计过程。该系统实现了脑电数据的采集、高速传输和实时处理，有效解决了传统脑电数据采集系统速度慢，处理功能简单，数据存储量小，连接复杂等缺陷，满足了实际需要。