一种脑电信号采集系统前端电路设计与实现.pdfVIP

第31卷第3期 徐州工程学院学报(自然科学版) 2016年9月 V01．31No．3 ofXuzhouInstituteof Journal SciencesEdition) Technology(Natural Sep．2016 一种脑电信号采集系统前端电路设计与实现 邱力军1’2，刘文强1，范启富1，刘欢1，焦 纯2 (1．西京学院控制工程学院，陕西西安710123；2．第四军医大学生物医学工程系，陕西西安710032) 摘要：文章设计了提取脑电信号的前端信号采集电路模块，通过脑电极采集到的原始脑电信号 经过此电路模块后可实现放大、滤波、除干扰等功能．信号依次通过前置级放大、高通滤波、50Hz V， 陷波、低通滤波、后置放大等环节，平均幅值50弘V的脑电信号经该电路处理后幅值可达1～4 能满足常规采集卡对模拟信号输入的范围要求．仿真结果表明，利用该电路模块采集的EEG信号 失真小，可广泛应用于EEG信号采集与处理的各类设备中． 关键词：脑电信号；采集电路；设计；放大；滤波 人的大脑皮层细胞存在着频繁的电活动，这些活动来自神经元．脑内任何部分神经元的活动，通过容积 导体(由皮层、颅骨、脑膜及头皮构成)传导后在头皮形成电位分布，用电极将头皮的电位变化记录下来就是 头皮脑电(electro 测并提取EEG信号的定量特征，除了大脑研究、临床脑疾病(癫痫、脑血栓、精神失常等)诊断外，还可用作睡 眠监护、药物定量、脑机接口等方面H。6]．设计高质量的EEG信号采集电路可为临床提供相应的分析数据和 诊断依据，同时作为一种无创伤的诊断或检测手段，无论是在脑病的临床诊断治疗方面还是脑认知功能的研 究方面都具有十分重要的意义． 生物电信号前置级放大电路[7]，共同的缺点是体积大，不利于微型化和低功耗．国内，王三强等[23采用了两个 仪表放大器共同构成脑电前置放大电路，电路结构简单，缺点是降低了放大器的输入阻抗，50Hz工频干扰 窜入电路，极大地影响了电路性能[8]．马世伟等[43等设计的三级放大三级滤波的形式，结构过于复杂，不利于 设备微型化与便携化．孙友明等口1的设计在“三运放”的基础上，巧妙地利用了仪器放大器的共模抑制比与增 益的关系，并结合阻容耦合电路、共模驱动技术、浮地跟踪电路等，可以在抑制直流干扰的情况下提供较高的 共模抑制比，具有对外围无源器件的参数不敏感等特点，克服了脑电信号提取中常遇到的一些困难，但是成 本较高，信号延时也较大． 1电路设计 EEG信号属于强噪音背景下的低频微弱信号，它的幅值在10～100“V之间，而输入信噪比高达1： 10000[9‘1 0]；EEG的脑电信号频率低，其范围一般在0．5～35Hz[11|，这使得放大器的低频截止频率的选择非 常困难．当受到尖脉冲的干扰或导联切换的时候，放大器容易出现堵塞现象，只有抑制噪声，才能检测出信 号．在信号采集过程中极易受到环境中的各种噪声干扰，这势必造成采集的信号失真． 为了克服现有技术的不足并且满足脑电信号采集的技术要求，本文在现有技术的基础上改进设计了有 效提取EEG信号的信号采集电路．电路设计结构模块框图如图1所示． 收稿日期：2016-06—08 基金项目：国家自然科学基金项目；陕西省自然科学基础研究计划项目(2014JM4176；2016JMl032)； 陕西省教育厅科研计划项目(15JK2181)；西京学院科研基金项目(XJl50112) 作者简介：邱力军(1962一)，男，副教授，博士，硕士生导师，主要从事生物医学信号处理研究． · 82· 万方数据 邱力军，等：一种脑电信号采集系统前端电路设计与实现 图1 系统设计结构模块图 1．1 前置级主放大电路的设计 在多级放大电路中，前置级放大电路设计是整个脑电数据采集系统的关键环节．要设计出高质量的脑电