腦電物理頭模型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

摘要：介紹了腦電物理頭模型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，主要對(duì)實(shí)驗(yàn)中所遇到的一些問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和解剖，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與解析解進(jìn)行了比較，兩者是相符的。

關(guān)鍵詞：腦電（EEG） 數(shù)據(jù)采集 鑒相器 差動(dòng)放大器

腦電（Electroencephalogram，縮寫(xiě)為EEG）是大腦神經(jīng)電活動(dòng)在頭皮上產(chǎn)生的電位分布。腦電信號(hào)比心電信號(hào)要弱1000倍左右，約為幾十微伏。本文中所模擬的腦電為毫伏級(jí)。腦電的研究包括正問(wèn)題與逆問(wèn)題兩個(gè)方面。正問(wèn)題是指在已知腦內(nèi)電活動(dòng)源的情況下去分析頭皮上的電位；逆問(wèn)題是指用從頭皮觀測(cè)的電位去反演腦內(nèi)電活動(dòng)源的信息。因此，腦電電位的采集對(duì)研究腦電問(wèn)題尤為重要。本文以均勻媒質(zhì)物理頭模型（即將頭視為一個(gè)各向同性且導(dǎo)電均勻的球體）為例介紹EEG電位采集系統(tǒng)，并將電腦活動(dòng)進(jìn)行三維成像，用以分析腦電規(guī)律及研究腦內(nèi)電活動(dòng)。

1 EEG采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

圖1為EEG電位采集系統(tǒng)的框圖。

首先由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)頻率為1100Hz的正弦交流電流信號(hào)，送到偶極子；然后將自行設(shè)計(jì)的表面電極——銀電極上產(chǎn)生的電位分布(39個(gè)電極左右對(duì)稱均勻分布，其中有一個(gè)為參考電極，實(shí)際測(cè)量用的只有38個(gè)電極)，通過(guò)排線送至模擬開(kāi)關(guān)，各通道的選擇由計(jì)算機(jī)控制PCI采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)；接著將腦電信號(hào)放大到伏特級(jí)；最后將其轉(zhuǎn)換成有效值送到PCI數(shù)據(jù)采集卡。值得注意的是，38個(gè)電極產(chǎn)生的電位在對(duì)稱電極上互為反相。為使計(jì)算機(jī)識(shí)別該信號(hào)，加了一個(gè)鑒相器。下面對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行介紹。

2 偶極子電流源的隔離與抗干擾

由于被測(cè)信號(hào)十分微弱，所以很容易受到來(lái)自各方面的干擾，從而被淹沒(méi)在干擾和噪聲中。實(shí)際測(cè)試也顯示出，必須有效地進(jìn)行隔離、去除干擾，否則將無(wú)法測(cè)量出需要的信號(hào)。在系統(tǒng)中，由于把所有的儀器外殼都完全接地，所以必須在交流信號(hào)源及氯化鈉溶液中的偶極子模型之間進(jìn)行隔離，否則將出現(xiàn)一些不期望的短路電流。鑒于使用的電源是交流電源，所以首先想到到的是使用變壓器進(jìn)行隔離?？紤]到初級(jí)和次級(jí)耦合電容的影響，專門(mén)設(shè)計(jì)和制作了帶有中心屏蔽層的變壓器，并把中心屏蔽層線圈很好地接地，這樣由耦合電容引起的電流大部分都通過(guò)中心屏蔽層直接入地。經(jīng)帶有中心屏蔽層的變壓器耦合的偶極子電流源電路如圖2（a）所示。這樣的變壓器用了兩級(jí)。

在圖2(a)中C為變壓器初級(jí)和次級(jí)產(chǎn)生的耦合電容，A、B為左右對(duì)稱(電位大小相等，相位互差180度)分布的一對(duì)電極電位測(cè)量點(diǎn)，O點(diǎn)接地作為參考點(diǎn)，理論上該點(diǎn)的入地電流為零。由于變壓器副邊的分布電容不一定對(duì)稱，使得在O點(diǎn)的入地電流不為零（入地電流分量如圖2（a）中箭頭所示），也就使得Uao、Ubo兩端電位不對(duì)稱。解決這個(gè)問(wèn)題的方案有兩個(gè)：一是在變壓器輸出端中電位較高側(cè)并聯(lián)一個(gè)可調(diào)電容Cr（如圖2（a）所示）。這個(gè)方案的缺點(diǎn)是：當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，分布電容有可能發(fā)生變化時(shí)，使Uao、Ubo將會(huì)出現(xiàn)一定的相位差(不為180度)。二是在變壓器輸出端并聯(lián)兩個(gè)阻值相等的電阻R，中點(diǎn)接地；另外需把G點(diǎn)與地?cái)嚅_(kāi)（如圖2(b)所示），分別測(cè)量Uao、Ubo。這種方案絕對(duì)保證了無(wú)入地電流，在對(duì)稱電上所測(cè)量的相位差為180度，圖2(a)為最終電路。所有的測(cè)量電極最后都送到模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行選通。然后采用差動(dòng)放大器放大UAG與UOG之差，即Uao=UAG-UOG。

3 三運(yùn)放差動(dòng)放大電路的應(yīng)用

集成運(yùn)放具有放大差模信號(hào)、抑制共模干擾信號(hào)和零點(diǎn)漂移的功能。這里采用了三運(yùn)放差動(dòng)放大電路，選將兩個(gè)同相運(yùn)放電路并聯(lián)后，與一個(gè)基本差動(dòng)放大電路串聯(lián)。電路的結(jié)構(gòu)與原理見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]、[3]。這里僅介紹在使用中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題：（1）為了得到較強(qiáng)的共模抑制能力，在選用運(yùn)放時(shí)，應(yīng)盡可能使兩個(gè)同相的運(yùn)放特性一致，可選用OP37、LM324等；(2)運(yùn)放的閉環(huán)增益越低，對(duì)電阻匹配的精度要求愈高；（3）應(yīng)盡可能抑制輸入端的共模信號(hào)。因?yàn)楫?dāng)共模抑制比不夠大時(shí)，經(jīng)放大后，通過(guò)空間電容，很容易產(chǎn)生高頻振蕩。這個(gè)電路具有輸入阻抗高、共模抑制比高、增益調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。

4 鑒相器

鑒相器是要精確測(cè)量出兩相物理量的相位差的電路[2]，而這是只需要判斷出這兩相量是同相還是反相即可。其原理是：相位的比較必須要輸入兩路信號(hào)，一路是經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)選通、放大后的信號(hào)；另一路為偶極子電流源的電阻R(如圖2（b）所示)上的電位，這樣必定有19個(gè)表面電極的電位與該電位同相，與另外19個(gè)表面電極反相。兩路信號(hào)經(jīng)放大、限幅后，送到“異或門(mén)”進(jìn)行邏輯異或運(yùn)算。異或的工作原理是：當(dāng)輸入信號(hào)為同相時(shí)，輸出為低電平；為反相時(shí)，輸出為高電平。電路原理圖如圖3所示。在圖3中，信號(hào)從Input1、Input2輸入到異或門(mén)，其中Input2的放大電路與Input1相同，所以在此省略。經(jīng)異或門(mén)邏輯運(yùn)算后，信號(hào)有毛刺產(chǎn)生，所以在其后加了一級(jí)II型濾波電路，有效地去除了毛刺，保證了信號(hào)的準(zhǔn)確性。RMS有效值轉(zhuǎn)換采用美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片真有效值/直流轉(zhuǎn)換器AD637，它可輸出交流信號(hào)的真有效值、平均值、絕對(duì)值、dB等。輸出的結(jié)果連接到PCI數(shù)據(jù)采集卡上，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)計(jì)算機(jī)還對(duì)模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行通道控制。

5 結(jié)果分析

將腦電電位的測(cè)量結(jié)果與解析解進(jìn)行比較，如圖4所示。其中（a）圖為解析解的曲線；（b）圖為實(shí)際測(cè)量結(jié)果的曲線。從圖中可以看出，解析解和測(cè)量結(jié)果的變化趨勢(shì)基本上一致。

從圖4(b)中可以看出，左右電極（以0為參考點(diǎn)）電位大小不相等，并且有單獨(dú)的幾個(gè)電極的電位偏離了正常的變化趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)分析得知，由于每個(gè)測(cè)量電極被氯化鈉溶液（即模擬腦脊液）所腐蝕的程度不一樣，所以每個(gè)表面電極對(duì)外所呈現(xiàn)的阻抗特性也就不一樣。若輸出阻抗較低的電極的電位，輸出至模擬開(kāi)關(guān)時(shí)，后續(xù)電路取的電流就較小，電壓降低得就??；反之，電壓降低得就多。

為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，文中對(duì)偶極子電流源采用雙極屏蔽隔離變壓器；在變壓器輸出端并聯(lián)電阻使得物理頭模型電位參考點(diǎn)入地電流為零；運(yùn)用三運(yùn)放差動(dòng)放大器抑制共模干擾；鑒相器設(shè)計(jì)得便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。該設(shè)計(jì)方案目前已實(shí)驗(yàn)成功，具有一定準(zhǔn)確性、實(shí)用性。