摘  要： 首創(chuàng)一種新型的腦電檢測技術(shù)。將多路ERP腦電信號(hào)分別經(jīng)各自的前置放大電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，形成多路并行數(shù)據(jù)流，最后經(jīng)數(shù)據(jù)匯集裝置匯集成一路高速串行數(shù)據(jù)流，再經(jīng)光纖介質(zhì)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。采用該技術(shù)的腦電檢測裝置可以滿足對(duì)多路ERP腦電信號(hào)同時(shí)進(jìn)行高速率(10 kHz每通道)、高精度(24 bit)采樣的要求。軟硬件測試表明,該裝置具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、頻帶范圍寬等特點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞: 腦電檢測； ERP腦電信號(hào)； 前置放大； 信號(hào)采集； 數(shù)據(jù)匯集

　　腦電信號(hào)是人類最早研究并應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)的生物電信號(hào)之一，對(duì)它的分析在提高腦部疾病診斷效率和準(zhǔn)確性方面有著十分重要的意義。腦電圖(EEG)是通過把電極放到頭皮或大腦皮層上運(yùn)用腦電采集儀記錄到的腦部生物電活動(dòng)的波形圖，腦電信號(hào)主要頻率在0.5~100 Hz，信號(hào)幅值范圍為5~300 μV[1]。事件相關(guān)單位(ERP)是一種特殊的腦誘發(fā)電位，主要用于對(duì)大腦高級(jí)心理活動(dòng)(如認(rèn)知過程)作出客觀評(píng)價(jià)，ERP腦電信號(hào)的主要頻率在0~2 kHz，信號(hào)幅值范圍為零點(diǎn)幾微伏到幾微伏。這就要求ERP腦電檢測裝置擁有更寬的頻帶將慢波細(xì)節(jié)描述得更清楚，同時(shí)需要具有更強(qiáng)的噪聲抑制能力。目前國內(nèi)腦電圖檢測技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但是ERP腦電信號(hào)檢測裝置還要依靠國外進(jìn)口，價(jià)格昂貴，所以盡快研制出價(jià)格便宜、性能優(yōu)越的ERP腦電檢測系統(tǒng)是當(dāng)務(wù)之急。

　　由于微伏級(jí)ERP腦電信號(hào)相當(dāng)微弱，很容易被毫伏級(jí)外界干擾和內(nèi)部噪聲所淹沒，將ERP腦電信號(hào)放大的同時(shí)也不可避免地將干擾信號(hào)放大。要想在16 bit以下的采樣系統(tǒng)中分辨清楚，就必須至少放大1 000~    10 000倍，而這樣干擾信號(hào)又會(huì)使放大器飽和。此矛盾在常規(guī)的放大器中難以解決。有效的解決方案是減小放大倍數(shù)同時(shí)提高A/D轉(zhuǎn)換的精度，經(jīng)過計(jì)算采用24 bit的轉(zhuǎn)換精度，放大倍數(shù)只要5~10倍就能滿足要求。大的干擾信號(hào)可以在采樣經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后通過數(shù)字濾波的辦法來去除。

　　但是，提高采樣精度又帶來新的問題?，F(xiàn)有的高精度A/D采樣芯片大都是∑－⊿型的，它是通過過采樣方法犧牲采樣率來實(shí)現(xiàn)高精度的，因此采樣率不高。

　　常規(guī)數(shù)字化腦電圖儀是將由電極線引入的多路腦電信號(hào)先分別進(jìn)行模擬放大和濾波，然后經(jīng)過模擬開關(guān)分時(shí)切換，形成一路模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過各種通信介質(zhì)傳送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。對(duì)于每個(gè)通道4 kHz的采樣率，即使按照16個(gè)通道計(jì)算，一片A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率也要達(dá)到64 kHz，這對(duì)于24 bit精度的∑－⊿型A/D轉(zhuǎn)換器是無法做到的。同時(shí)，∑－⊿型A/D轉(zhuǎn)換器在進(jìn)行高精度轉(zhuǎn)換時(shí)，要求輸入的模擬信號(hào)必須是同一路連續(xù)不斷的，不能經(jīng)過開關(guān)的切換。因此現(xiàn)有的常規(guī)數(shù)字化腦電圖儀并沒有同時(shí)解決好對(duì)多路ERP腦電信號(hào)進(jìn)行寬帶寬(0~2 kHz)、高精度(24 bit)、高采樣率采樣的問題。

　　本文提出了一種全新的技術(shù)方案[2]。并且應(yīng)用此方案研制了一款70通道、每通道采樣率高達(dá)10 kHz、帶寬為0~2 kHz、采樣精度達(dá)24 bit的ERP腦電檢測裝置，較好地解決了技術(shù)背景中描述的問題。

1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

　　本文提出一種硬件與軟件結(jié)合的ERP腦電檢測方案，由前置放大電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)匯集電路、數(shù)據(jù)傳輸裝置、計(jì)算機(jī)等部分組成[3]。先分路進(jìn)行高頻率采樣和高精度A/D轉(zhuǎn)換，每路用一片成本較低的24 bit A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1251進(jìn)行10 kHz的采樣和A/D轉(zhuǎn)換。然后用一種高速的匯集電路將各分路轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)流按照一定的幀結(jié)構(gòu)匯集成一路高速的數(shù)碼流，再經(jīng)過光纖隔離并通過USB2.0接口傳輸進(jìn)入電腦進(jìn)行分析和處理。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　　這種ERP腦電信號(hào)采集技術(shù)可以在不加入50 Hz工頻陷波器的條件下有效地抑制50 Hz工頻干擾，可應(yīng)用于70導(dǎo)臺(tái)式/便攜式ERP腦電檢測系統(tǒng)。

　　由于本方案中的A/D采樣只是針對(duì)一路的模擬信號(hào)，因而可以采用低成本高精度的∑－⊿型A/D轉(zhuǎn)換器，使得每一路信號(hào)在高頻率(10 kHz)采樣時(shí)的轉(zhuǎn)換精度都能達(dá)到24 bit。采用傳統(tǒng)方案是無法實(shí)現(xiàn)的。

　　1.2 前置放大電路設(shè)計(jì)

　　ERP腦電信號(hào)首先通過貼在人體頭皮上的電極引入到前置放大電路，伴隨著腦電信號(hào)會(huì)有很多干擾和偽跡，這些無用信號(hào)往往比有用的腦電信號(hào)大幾百甚至上千倍。這就要求前置放大器既能放大ERP腦電信號(hào)又有抑制干擾信號(hào)的能力[4]。因此選擇了高共模抑制比和高輸入阻抗的儀表放大器AD620。為了不讓干擾信號(hào)將放大器飽和，就要使放大器處于低增益狀態(tài)，放大倍數(shù)被控制在5~10倍。這樣可以使輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大到±300 mV。前置放大電路如圖2所示。

　　1.3 抗混疊濾波電路設(shè)計(jì)

　　為了使后面的A/D采樣電路工作在10 kHz采樣率下滿足抽樣定理的條件，必須限制輸入到A/D采樣電路信號(hào)的頻率范圍。本文采用了一個(gè)二階低通有源濾波電路，將輸出信號(hào)的頻帶限制在0~2 kHz?？够殳B濾波電路如圖3所示。

　　1.4 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

　　采用高精度的A/D轉(zhuǎn)換來滿足分辨微伏級(jí)信號(hào)的要求，每路各采用一片低成本高精度的∑－⊿型A/D轉(zhuǎn)換器ADS1251來進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換[5]。這樣就避免了模擬信號(hào)的通道間切換給∑－⊿型A/D轉(zhuǎn)換器帶來的致命影響。因此可以使每一路的采樣率達(dá)到10 kHz的同時(shí)轉(zhuǎn)換精度能達(dá)到24 bit。

　　1.5 數(shù)據(jù)匯集與傳輸電路設(shè)計(jì)

　　由于本文是對(duì)多路ERP腦電信號(hào)分別進(jìn)行高速采樣和高精度A/D轉(zhuǎn)換，因而會(huì)同時(shí)產(chǎn)生多路高速的數(shù)據(jù)流。這些大量的多路數(shù)據(jù)必須按照一定的數(shù)據(jù)格式形成一路更高速度的數(shù)據(jù)流才可以方便地輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理[6]。本文采用一種高速數(shù)據(jù)匯集電路，將70路轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)匯集成一路高速的數(shù)據(jù)流，同時(shí)插入同步信息，經(jīng)過光纖隔離電路再通過USB2.0接口傳輸給上位機(jī)，完成采樣數(shù)據(jù)的接收和控制命令的下發(fā)。該部分電路是這一新型ERP腦電檢測技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的核心電路，電路框圖如圖4所示。

　　2 測試結(jié)果比較分析

　　2.1 基于VC++測試平臺(tái)的設(shè)計(jì)

　　本文采用基于VC++的軟件測試平臺(tái)進(jìn)行電路性能參數(shù)測試。該平臺(tái)以軟件的方式代替硬件，方便修改、維護(hù)和添加新功能，具有極強(qiáng)的靈活性。程序有通道選擇(1~70通道)、低通/高通濾波、50 Hz工頻陷波、波形顯示等功能。

　　2.2 系統(tǒng)測試分析

　　測試項(xiàng)目包括電壓、通頻帶、噪聲電平、共模抑制比、共模電壓輸入范圍、差模電壓輸入范圍、采樣率、分辨率等測試。

　　共模抑制比測試電路如圖5所示。將信號(hào)源地與放大器地連接，放大器兩個(gè)差分輸入端(ACT與REF)短接并與信號(hào)源輸出連接，運(yùn)行測試程序進(jìn)行采樣，關(guān)閉軟件50 Hz陷波，信號(hào)源輸出2 V/50 Hz信號(hào)，讀取對(duì)應(yīng)的50 Hz峰峰值V50為14.583 μV，如圖6所示。根據(jù)公式CMRR=20log(2/V50)計(jì)算出共模抑制比為102.7 dB。

　　在測試噪聲電平時(shí)，將輸入端對(duì)地短路，運(yùn)行測試程序進(jìn)行采樣，低通濾波截止頻率分別設(shè)定為10 Hz、100 Hz、1 kHz、2 kHz，讀取對(duì)應(yīng)的噪聲峰峰值SVpp如圖7所示。根據(jù)公式Srms=SVpp/6.6計(jì)算出有效值噪聲Srms值。

　　經(jīng)計(jì)算，低通濾波截止頻率為10 Hz時(shí)，SVpp為0.395 V，Srms為0.06 V;低通濾波截止頻率為100 Hz時(shí)，SVpp為1.622 V，Srms為0.25 V;低通濾波截止頻率為1 kHz時(shí)， SVpp為6.942 V， Srms為1.05 V;低通濾波截止頻率為2 kHz時(shí)，SVpp為9.324 ，Srms為1.41 V。

　　同理，測得電壓精度為98.2%；通頻帶完全達(dá)到1~2 kHz(2 kHz電壓幅度僅下降0.7 dB)；差模輸入范圍為0~480 mV；采樣率為10 416 S/s；放大器增益為8時(shí)的分辨率為0.037 ?滋V。

　　本文設(shè)計(jì)的ERP腦電信號(hào)采集裝置成本較低， 針對(duì)每一路模擬信號(hào)真正實(shí)現(xiàn)了24 bit轉(zhuǎn)換精度，從而可以大大降低前置放大器的增益，簡化電路設(shè)計(jì)，大大提高了輸入動(dòng)態(tài)范圍。針對(duì)每一路模擬信號(hào)真正實(shí)現(xiàn)了10 kHz的采樣率，從而大大提高了所采集腦電信號(hào)的帶寬，為腦電信號(hào)中高級(jí)認(rèn)知電位(事件相關(guān)電位)分析提供了技術(shù)支持?；旌显谟杏眯盘?hào)中的大幅度的干擾信號(hào)可以在轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)中通過計(jì)算機(jī)軟件處理的方法（如軟件濾波和疊加平均）加以去除，從而提高抗干擾的效果，降低抗干擾的成本。

　　軟硬件測試表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入樣機(jī)生產(chǎn)階段，不久就能量產(chǎn)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 聶能,堯德忠,謝正祥.生物醫(yī)學(xué)信號(hào)數(shù)字處理技術(shù)及應(yīng) 用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

　　[2] YAZICIOGLU R G, MERKEN P, PUERS R. A 200 μV      eight-channel EEG acquisition ASIC for ambulatory EEG      systems[J]. IEEE Journal of Solid-state Circuits， 2008，43     (12)：3025-3038.

　　[3] 王三強(qiáng).腦電信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及在腦-機(jī)接口中的應(yīng)用研究[D].重慶：重慶大學(xué),2006.

　　[4] 甘建偉,秦付軍,王鵬. 基于FPGA的高速多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(4):55-57.

　　[5] 朱岸青,陸裕奇,王會(huì)進(jìn).腦電監(jiān)護(hù)分析系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].暨南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,28(1)：56-60.

　　[6] 黃河濤,杜玉曉,董建.μV級(jí)腦電信號(hào)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009,28(9)：72-76.