通用串行總線腦電信號采集電路設計

0 引 言
大腦是人類思維活動的中樞，是接受外界信號，產生感覺，形成意識，進行邏輯思維，發出指令，產生行為的指揮部。通過研究腦電信號(EEG)可以了解腦活動的機制及人的認知過程，也是診斷腦疾患的重要手段。
現有的腦電信號采集系統絕大多數使用專用機器，使用、搬移、維修都很不方便。另外，抗干擾能力差，必須在特定環境(屏蔽室)下進行監測，而且檢測數據記錄量小，不能實現長時間、大容量的記錄、分析，此外造價昂貴，采集到的腦電信號也不夠準確，往往需要結合醫生的經驗做出診斷，故具有一定的主觀性。本文設計了一種新的基于USB 2．0的腦電信號采集電路。

1 腦電信號采集原理
分析腦電信號，掌握腦電信號的特征，對于設計出準確、有效的腦電信號采集電路至關重要。首先，可以從中選擇出攜帶最多信息量的信號；其次，可以針對特定的信號研究出相應的信號處理算法。
1．1 腦電波的特征及基本組成
腦電信號的特點主要有三個：頻率主要集中在低頻段100 Hz范圍內；信號微弱，一般在50μV或更??；信號的源阻抗高，易于受外界信號干擾。成年人的腦電信號幅度范圍一般在10～50μV之間，頻率范圍在0．5～30 Hz之間。
1．2 腦電信號采集原理及方法
目前，對于腦電信號的測量，在時間的維度上，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量。本系統使用16路電極提取腦電信號，采樣頻率為1 000 Hz。由于腦電信號的固有特性及環境因素使得腦電信號背景噪聲比較復雜，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，要求采集系統具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲放大，并能從強噪聲中提取弱信號的高質量濾波措施等。
腦電信號通常是通過在頭皮表面放置一些電極來采集的。常用的電極種類有銀管電極、針電極和粘連電極等，本系統使用銀管電極，以實現頭皮與腦電測量設備之間的連接。為了加強連通性和導電性，在電極與皮膚之間涂一些生理鹽水。電極的放置采用國際10-20系統電極放置法。

2 腦電信號采集電路設計
腦電信號采集電路包括：腦電信號放大、濾波、A／D轉換及USB接口電路四部分，總體構成如圖1所示。

2．1 腦電信號的前置放大電路設計
信號放大檢測電路是本系統一個非常重要的環節。它為后續數據采集和處理分析做了硬件上的準備。本系統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等特點。當電極和皮膚接觸時，可以產生幾十毫伏的極化電位，所以前置放大器的放大倍數不能太大，以免造成電路的飽和。