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脑电物理头模型数据采集系统的研究

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:介绍了脑电物理头模型数据采集系统的总体设计方案,主要对实验中所遇到的一些问题进行了系统的分析和解剖,将实验结果与解析解进行了比较,两者是相符的。

    关键词:脑电(EEG) 数据采集 鉴相器 差动放大器

脑电(Electroencephalogram,缩写为EEG)是大脑神经电活动在头皮上产生的电位分布。脑电信号比心电信号要弱1000倍左右,约为几十微伏。本文中所模拟的脑电为毫伏级。脑电的研究包括正问题与逆问题两个方面。正问题是指在已知脑内电活动源的情况下去分析头皮上的电位;逆问题是指用从头皮观测的电位去反演脑内电活动源的信息。因此,脑电电位的采集对研究脑电问题尤为重要。本文以均匀媒质物理头模型(即将头视为一个各向同性且导电均匀的球体)为例介绍EEG电位采集系统,并将电脑活动进行三维成像,用以分析脑电规律及研究脑内电活动。
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1 EEG采集系统的设计方案

图1为EEG电位采集系统的框图。

首先由信号发生器产生一个频率为1100Hz的正弦交流电流信号,送到偶极子;然后将自行设计的表面电极——银电极上产生的电位分布(39个电极左右对称均匀分布,其中有一个为参考电极,实际测量用的只有38个电极),通过排线送至模拟开关,各通道的选择由计算机控制PCI采集卡来实现;接着将脑电信号放大到伏特级;最后将其转换成有效值送到PCI数据采集卡。值得注意的是,38个电极产生的电位在对称电极上互为反相。为使计算机识别该信号,加了一个鉴相器。下面对各个部分进行介绍。

2 偶极子电流源的隔离与抗干扰

由于被测信号十分微弱,所以很容易受到来自各方面的干扰,从而被淹没在干扰和噪声中。实际测试也显示出,必须有效地进行隔离、去除干扰,否则将无法测量出需要的信号。在系统中,由于把所有的仪器外壳都完全接地,所以必须在交流信号源及氯化钠溶液中的偶极子模型之间进行隔离,否则将出现一些不期望的短路电流。鉴于使用的电源是交流电源,所以首先想到到的是使用变压器进行隔离。考虑到初级和次级耦合电容的影响,专门设计和制作了带有中心屏蔽层的变压器,并把中心屏蔽层线圈很好地接地,这样由耦合电容引起的电流大部分都通过中心屏蔽层直接入地。经带有中心屏蔽层的变压器耦合的偶极子电流源电路如图2(a)所示。这样的变压器用了两级。

图2 偶极子电流源电路

在图2(a)中C为变压器初级和次级产生的耦合电容,A、B为左右对称(电位大小相等,相位互差180度)分布的一对电极电位测量点,O点接地作为参考点,理论上该点的入地电流为零。由于变压器副边的分布电容不一定对称,使得在O点的入地电流不为零(入地电流分量如图2(a)中箭头所示),也就使得Uao、Ubo两端电位不对称。解决这个问题的方案有两个:一是在变压器输出端中电位较高侧并联一个可调电容Cr(如图2(a)所示)。这个方案的缺点是:当环境发生变化时,分布电容有可能发生变化时,使Uao、Ubo将会出现一定的相位差(不为180度)。二是在变压器输出端并联两个阻值相等的电阻R,中点接地;另外需把G点与地断开(如图2(b)所示),分别测量Uao、Ubo。这种方案绝对保证了无入地电流,在对称电上所测量的相位差为180度,图2(a)为最终电路。所有的测量电极最后都送到模拟开关进行选通。然后采用差动放大器放大UAG与UOG之差,即Uao=UAG-UOG。

3 三运放差动放大电路的应用

集成运放具有放大差模信号、抑制共模干扰信号和零点漂移的功能。这里采用了三运放差动放大电路,选将两个同相运放电路并联后,与一个基本差动放大电路串联。电路的结构与原理见参考文献[1]、[3]。这里仅介绍在使用中应注意的几个问题:(1)为了得到较强的共模抑制能力,在选用运放时,应尽可能使两个同相的运放特性一致,可选用OP37、LM324等;(2)运放的闭环增益越低,对电阻匹配的精度要求愈高;(3)应尽可能抑制输入端的共模信号。因为当共模抑制比不够大时,经放大后,通过空间电容,很容易产生高频振荡。这个电路具有输入阻抗高、共模抑制比高、增益调节方便等优点。

图3 鉴相器电路原理图

4 鉴相器

鉴相器是要精确测量出两相物理量的相位差的电路[2],而这是只需要判断出这两相量是同相还是反相即可。其原理是:相位的比较必须要输入两路信号,一路是经模拟开关选通、放大后的信号;另一路为偶极子电流源的电阻R(如图2(b)所示)上的电位,这样必定有19个表面电极的电位与该电位同相,与另外19个表面电极反相。两路信号经放大、限幅后,送到“异或门”进

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