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(jué)，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(guò)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(guò)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或更小；信號(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(guò)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。

2．2 高低通濾波器及二次放大電路設(shè)計(jì)
??? 高低通濾波主要有兩個(gè)作用：
??? (1)去除腦電信號(hào)頻率范圍以外的無(wú)用信號(hào)，達(dá)到抗干擾的作用；
??? (2)起到防混疊濾波的作用。為了不丟失有用信號(hào)，設(shè)計(jì)了截止頻率為120 Hz的低通濾波電路和截止頻率為0．5 Hz的高通濾波電路。
??? 低通濾波電路(見(jiàn)圖2)使用AD8674芯片的U1A和U1B兩部分組成巴特沃型二階低通濾波器，負(fù)責(zé)把120 Hz以上的無(wú)用信號(hào)濾掉。高通濾波電路(見(jiàn)圖3)由U1C組成巴特沃型高通濾波器，負(fù)責(zé)濾除0．5 Hz以下的干擾信號(hào)。

??? 二級(jí)放大電路使用AD8674(A，B，D部)的U1C充當(dāng)放大器，因?yàn)楫?dāng)頻率在120 Hz以下時(shí)，AD8674的共模抑制比CMRR高達(dá)11O dB以上。通過(guò)調(diào)整R11和R14的比值，保證二級(jí)放大倍數(shù)為101倍。50 Hz工頻干擾一直是電路設(shè)計(jì)中頭痛的問(wèn)題，在腦電這種微弱生物電提取系統(tǒng)中尤為突出。本文設(shè)計(jì)了由雙T網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源雙T陷波電路來(lái)抑制50 Hz工頻干擾。
2．3 三級(jí)放大及光電隔離設(shè)計(jì)
??? 第三級(jí)放大電路(見(jiàn)圖4)通過(guò)調(diào)整電阻器R19的阻值來(lái)保證經(jīng)過(guò)第三級(jí)放大后，lO～50μF的微弱腦電信號(hào)將變?yōu)?～2．5 V。光電隔離電路負(fù)責(zé)把信號(hào)的采集放大部分(該部分使用電池供電)和后面的A／D轉(zhuǎn)換部分(該部分使用交流供電)隔離開(kāi)，以防止兩部分信號(hào)之間相互干擾。

??? A／D轉(zhuǎn)換電路(見(jiàn)圖6)的采樣精度為16位，采樣頻率為1 000 Hz。USB控制器通過(guò)CNVST#管腳(AD7675的35號(hào)引腳)控制AD7675對(duì)每路腦電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)還通過(guò)查詢BUSY管腳(AD7675的29號(hào)引腳)來(lái)獲知AD7675當(dāng)前的狀態(tài)。USB控制器還要響應(yīng)主機(jī)的請(qǐng)求，把腦電數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確地傳送給主機(jī)。為了提高轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了采樣保持電路，負(fù)責(zé)把16路腦電信號(hào)同時(shí)鎖存，然后逐一進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于每秒產(chǎn)生32 KB(16×16×1 000)的腦電數(shù)據(jù)，因此為了保證有足夠的空間暫時(shí)保存這些腦電數(shù)據(jù)，在CY7C68013芯片外擴(kuò)充了一塊SDRAM，容量為256K×16 b。

4 結(jié) 語(yǔ)
??? 腦電信號(hào)(EEG)是人體重要的生物電信號(hào)，目前關(guān)于腦電信號(hào)的采集與處理在某些疾病患者治療過(guò)程中的作用已得到醫(yī)療機(jī)構(gòu)越來(lái)越廣泛的重視。本文詳細(xì)論述了USB 2．0接口腦電信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)過(guò)程。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了腦電數(shù)據(jù)的采集、高速傳輸和實(shí)時(shí)處理，有效解決了傳統(tǒng)腦電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)速度慢，處理功能簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量小，連接復(fù)雜等缺陷，滿足了實(shí)際需要。