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【摘 要】本文介绍了一种操作简便、易携带的脑电采集系统。系统采用了高通滤波，低通滤波，50Hz陷波和两级放大电路， 将从头皮采集到强度为10～100μv脑电波放大20000倍后显示。实验结果证明，该系统基本达到了设计要求，可以将微弱的脑电波在去除干扰后采集并显示。这对设计简单多通道脑电采集及其他微弱生物电采集系统有一定借鉴意义。
【关键词】前置放大电路；50Hz陷波器；滤波器参数
0 引言
脑电图是临床检测大脑活动的重要手段[1]，脑电信号包含了大量人体生理和病理信息，通过对脑电信号的研究，可以了解神经细胞电活動与人生理心理状态之间的关系，在临床医学和认知科学领域具有重要的科学意义。但是常规脑电图机由于其体型较大，携带不方便，且导联数较多操作麻烦。台湾大学医学工程所采用商用IC自行设计出单一通道电池供电的脑电信号记录仪，并将所记录到的脑电信号存储于Flash Memory中，整个电辟的面积不到150cm2[2]。虽然国内与前几年相比在简易脑电仪设计方面可说是有很大的进步，但是总体电路设计还是不够简便，基于这个设想尝试设计便携式脑电采集系统。
1 总体方案
微弱的脑电信号埋没在人体周围各种频率电磁场的干扰信号中，而这些干扰信号的感应电压都是通过人体和导联线与干扰源的耦合电容或电感起作用的[3]。所以每个模块的设计都必不可少。本设计采用的是双极导联法，不使用无关电极，只使用头皮上的两个活动电极，以两个作用电极作为放大器的输入端，以利共模干扰抑制。这样记录下来的是两个电极部位脑电变化的差值，因此可以大大减小干扰，并可排除无关电极引起的误差。
脑电检测系统设计上主要包括硬件部分和软件部分。硬件部分是由高输入阻抗的差动放大器及电压放大器作为前置放大，经由高通、低通与50Hz陷波等滤波信号处理后，再将信号电压放大至匹配模数转化器电信号标准。考虑到使用者安全性，加入光电隔离电路作为电路与人体间电源隔离[4]。软件部分将模拟信号转换成数字信号时，采用STC12C5A60AD/S2系列带A/D转换的单片机，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。
2 硬件电路设计
2.1 前置放大电路
脑电信号检测前置级放大电路通常采用差动电路结构。这个结构的电路由3个基本运算放大器构成，其中两个组成同相并联输入第一级放大，以提高放大器的输入阻抗，另一个为差动放大，作为放大器的第二级[5]。
前置放大倍数：Aμ=-（R6/R4）*（1+2R1/R3）≈100
2.2 高通滤波器
本实验采用的是压控电压源高通滤波电路，主要是滤除电路中直流成分，消除极化电压产生的干扰。
品质因数：Q="1/（3-Aμp）|=1.1
2.3 50Hz陷波器
人体处在一个复杂的电磁环境中，工频50Hz及其谐波辐射到人体产生的电压能达到1V，虽然通过提高前置放大电路的共模抑制比能抑制共模信号，然而还会有相当高的50Hz干扰以差模形式进入到电路中，其幅值最高能达到几毫伏，远大于有用的脑电信号幅值。由于50Hz干扰的存在，信号就会在放大器中饱和，造成信号失真。因此50Hz陷波电路设计很有必要[6]。
电路中R18，R19决定了Q值，Q值越大，陷波带宽越窄。但由于实际上元件与理想值有误差，这会使得陷波频率没有落在50Hz，因此为减少实际误差，Q不宜取太大。
品质因数：Q=1/（2|2-Aμp|）=5.5
2.4 主放大电路
将基本滤除干扰信号的脑电信号进行最主要的信号放大，只需采用最简单的负反馈放大电路即可。
2.5 低通滤波器
低通滤波器用于消除脑电信号以外的高频噪声。为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，在一阶滤波器的基础上再加一节RC低通滤波环节。最终选择压控电压源低通滤波电路。
2.6 光电隔离
本电路设计中应用光电耦合器，将发光元件和受光元件组合在一起，通过电-光-电这种转换，利用“光”这一环节完成隔离功能，使输入和输出在电气上是完全隔离的。另外，在布线上也应该注意隔离。
3 软件处理
采用STC12C5A60AD/S2系列带A/D转换的单片机将模拟信号转换成数字信号，设置采样频率为300kHz，使得A/D转换处于最佳处理状态。该ADC是逐次比较型，通过逐次比较逻辑，从最高位（MSB）开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。
4 实验结果
每个模块和总体电路的对比误差实验。
从该误差实验看出，电路每个模块基本都达到了要求，而总放大倍数差距较大，在经过讨论分析后发现每个滤波模块也都有放大作用造成放大倍数增大。
如下图所示，前一段为平静时采集到的脑电信号，后一段为受到闪光刺激时采集到的脑电信号，由于采集数据结构众多，只选取一段作为展示。实验效果较为理想，完全能达到脑电信号放大电路的要求，其中不同频率或阻带宽度都可通过调节电路参数来改变，工程应用中非常方便。该电路应用到多通道脑电采集分析系统中，取得了良好的效果。
5 小结
本系统在现有的生物电放大器研究基础上，改进并设计了由高低通滤波电路，50Hz陷波器等环节，避免了传统生物电放大电路冗繁的模拟滤波环节，结构简单，调试方便。且本文设计的电路都是经过多次反复测试，尽可能的减小误差，选用最合适的元器件而得到的。相较于传统的脑电图机大型而复杂的设计，该系统达到了最简化，这对设计简单的多通道脑电图机有一定的借鉴意义。
【参考文献】
[1]郭瑶.脑电信号采集与处理系统设计[D].成都：电子科技大学，2007.
[2]黄群峰.脑电信号检测专用集成电路设计研究[D].泉州：华侨大学，2007.
[3]邱天爽，王宏禹，鲍海平，等.基于EEG信号AR模型的中枢神经系统损伤检测[J].国外医学生物医学工程分册，2002，25（2）：92-96.
[4]张建利，李文峰.基于TMS320LF24O7A的脑电信号采集系统的设计[J].世界电子元器件，2004，11：37-39.
[5]王三强，何为，石坚.新型脑电信号前置级放大电路设计[N].重庆大学学报：自然科学版，2006，29（6）.
[6]史志怀，万遂人.脑电信号采集中工频陷波电路的设计[J].医疗装备，2009，22（11）：11-12.
[7]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].4版.高等教育出版社，2006.
[责任编辑：丁艳]
※基金项目：浙江省大学生科技创新活动计划项目研究成果（2012R413027）。
作者简介：郑佳丽，女，温州医科大学信息与工程学院。
薛雅楠，女，温州医科大学信息与工程学院。
通讯作者：陈付毅，男，温州医科大学生物医学工程。
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