用于便携式事件相关脑电位仪的脑电信号放大器

技术领域

本发明涉及的一种脑电信号放大器，特别是涉及一种事件相关脑电位仪器中使用的脑电信号放大器。

背景技术

人类一直希望揭示大脑活动的秘密，脑-认知-行为的关系成为人类在认识自身过程中必须解决的核心问题。大脑是一个多层次的开放的复杂巨系统，大脑只要没有死亡，就会不断产生脑电波。任何外部刺激或感觉通路的不同部位受到刺激时，在头皮上都可以引起诱发电位。随着计算机在生物学中的应用，基于事件相关电位(Event-related potentials，简称ERP)技术进行的人脑高级功能研究成为当前研究手段。

由于事件相关脑电信号非常微弱(波幅仅有0～30uV)，且常常淹没在自发脑电信号中，有着微弱信号的共同特点，因此对提取的仪器和技术要求很高。一套可以精确采集人体神经生物电信号，并可以进行放大和记录的系统成为了必要。这种系统必需具有灵敏度高、分辨率强、抑制噪声和抗干扰能力好的特点，因此，在基于事件相关电位的脑高级功能研究中，性能可靠、噪声抑制能强的脑电波ERP信号放大器成为了至关重要的问题。

目前，ERP事件相关脑电位仪系统中采用的脑电信号放大器主要来自美国NeuroScan公司、荷兰ANT公司、德国Brain Products(BP)和美国ElectricalGeodesics Inc(EGI)的32导-256导脑电/ERP系统，但普遍存在着价格昂贵、兼容性差、维修不便、性能不能满足临床应用需要等问题，难以适用于多个领域的神经电生理方面的研究和应用。

具体情况如下：

●系统结构上，采用的是非模块化设计，集成度低、可扩展性差，而且维修不便；

●系统设计上，配置固定、使用灵活性差，难以满足跨学科研究的需要；

●电路设计上，放大器参数不可调，难以适用于多个领域的神经电生理方面的研究。

●价格相当昂贵，32导价格70万元人民币左右，128导价格180万元左右；

●此外，系统的兼容性差，而且功耗也比较高。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述已有的脑电位放大器难以适应多个领域的神经电生理方面的研究，特别是难以满足跨学科研究的需要的缺陷；和克服上述已有的脑电位放大器集成度低、可扩展性差、功耗比较大等缺陷；从而提供一种可以精确采集人体神经生物电信号的，具有高集成度、低功耗、微型模块化的，性价比高的脑电位放大器，以满足于脑神经科学、认知心理学、临床医学及犯罪心理学等方面的研究和应用的需要。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的脑电信号放大器，包括(如图1所示)：脑部电极1、脑电匹配输入电路2、信号预放大电路3、工频陷波器电路4、信号带通滤波放大电路5、A/D转换电路6和同步控制器MCU7；其特征在于，还包括一个用于电极-头皮接触阻抗检测的接触电阻检测电路8和用于提高放大器抗干扰能力的基线跟随驱动电路9；其中脑电极1将信号检测到并经脑电匹配输入电路2，传输到信号预放大电路3，输入到工频陷波器电路4，经信号带通滤波放大电路5放大处理后，信号再输入16个嵌入式采集器同步A/D转换6，初步滤波处理后经过数据总线DBus输入到同步控制器MCU 7；同步控制器7读入所有的16×8通道的数据后，经过上述信号预放大、工频陷波、带通滤波放大和极性转换等环节构成，完成对微弱脑电信号的放大和提取；最后，同步控制器MCU读入所有的16×8通道的数据后，采用USB接口模块上传笔记本电脑记录、分析和显示。

本发明设计设计了如图3所示前置预放大电路。该电路由脑电匹配输入电路2和信号预放大电路(差动放大电路)3构成(附带的阻抗检测电路)。所述的脑电匹配输入电路2采用高输入阻抗的精密运算放大器LF444CM，构成了信号跟随器。一方面提供足够大的输入阻抗，以减少脑电信号的衰减；另外还可抑制瞬间高电位冲击效应。为了防止共模干扰转变成为差模干扰降低系统的信噪比，采用了对称性设计以保证每个通道的阻抗匹配一致。所述的信号预放大电路3选用仪表放大器INA118，并有在线屏蔽跟随电路，采用差动浮地放大方式，(如图2所示)。信号预放大电路采用运算放大器U5、U6、电阻R₉、R₁₀、R₁₁、R₁₂和仪表用放大器INA118构成，其中运算放大器U5、U6的负输入端与输出端直接相连，构成信号跟随器电路；运算放大器U5的输出端与电阻R₁₁相连，然后再连接精密仪表用放大器INA118的正输入端；运算放大器U6的输出端与电阻R₁₂相连，然后再连接仪表用放大器INA118的负输入端；增益电阻R₉、R₁₀中间相连，另外两端分别接仪表用放大器INA118的RG+、RG-端；还包含一个由运算放大器U0、电阻R₀构成的在线屏蔽跟随电路，其中运算放大器U0的负输入端直接与输出端相连，然后经过电阻R0接屏蔽地，运算放大器U0的正输入端接在增益电阻R9、R10之间。以提高系统的噪声抑制能力和输入阻抗，使得放大器的噪声抑制能力＞120dB。

所述的在线屏蔽跟随电路由运算放大器U0和电阻R0构成，其中运算放大器U0的负输入端直接与输出端相连，然后经过电阻R0接屏蔽地，运算放大器U0的正输入端接在增益电阻R9、R10之间，以克服由于屏蔽线电位的变化引起的放大器性能波动。

所述的基线跟随驱动电路9由电阻R7、R8、运算放大器U7、U8、电容C7构成，运算放大器U7正输入端接电源地，其负输入端接电阻R8和电容C7，其输出端接电阻R7；电阻R8另一端接运算放大器U8的输出端相连，电容C7的另一端与电阻R7相连，再与参考地电极GND相连。

所述的接触电阻检测电路8用于实时监测电极-头皮的接触阻抗大小；它由正电压源VGP、负电压源VGM、电阻R₁₃、R₁₄以及高速切换开关SW1、SW2构成，其中正电压源VGP经过电阻R₁₃与高速切换开关SW1相连，高速切换开关SW1相连另一端接电阻R₁₁；负电压源VGM经过电阻R₁₄与高速切换开关SW2相连，高速切换开关SW2相连另一端接电阻R₁₂；高速切换开关SW1、SW2采用低导通电阻(R_on＜4Ω)的高速模拟开关DG444芯片，其通道切换由的同步控制器MCU 7控制。

所述的工频陷波电路4由电阻R1、电容C1、C2、C3、可调电位器VR1、VR2、VR3以及运算放大器U1、U2构成非对称式工频陷波电路，其中电容C1、C2相连，电阻R1与可调电位器VR1相连，电容C3与可调电位器VR2相连；运算放大器U1、U2的输出端分别与其负输入端相连；运算放大器U1的输出端再与可调电位器VR3相连；运算放大器U2的输出端再与可调电位器VR2的中间调节端相连，运算放大器U2的正输入端再与可调电位器VR3的中间调节端相连；可调电位器VR3的另一端与信号地相连；利用VR2来粗调陷波器的中心频率f₀，通过VR3调节陷波器品质参数Q。

所述的脑部电极1采用性能稳定、防磁性好、灵敏度高，能够记录微小电位差的低阻抗高纯度Ag/AgCl电极，并通过ERP专用脑电帽来固定于人体脑部，记录人体脑电/事件相关电位ERP信号。

所述的A/D转换电路6，采用系统数据采集芯片ADuC用于对8通道输入信号进行同步A/D转换功能(采样率为200ksps)，并对脑电信号进行初步滤波预处理，然后经数据总线上传同步控制器MCU。

所述的信号带通滤波放大器5由二阶高通滤波放大电路，和三阶低通滤波放大电路构成，放大增益为20～70dB可调；其中，高通截至频率为0.016Hz～16Hz可调，低通截至频率为15Hz～1000Hz可调。

所述的极性转换电路11，由运算放大器U3、U4、电阻R₂、R₃和基准参考芯片REF195。其中，基准参考芯片REF195提供5V的高精度基准信号，其输出接运算放大器U4的负输入端，正输入端与运算放大器U4的输出端的相连，在由运算放大器U3、电阻R₂、R₃构成的同步加法器，完成极性转换。

所述的同步控制器MCU 7，由通用单片机或DSP控制芯片构成，同步控制器MCU对A/D转换器的工作时序进行同步控制，并与16个嵌入式A/D转换采集器通过中断握手协议进行通讯，传输途径为8位数据总线DBus(如图4所示)；所述的同步控制器MCU经过USB总线将采集的数据信息传输给笔记本电脑，同时控制体感刺激器的工作方式；。

所述的笔记本电脑通过USB总线接口实时读入脑电波信号，并实时显示脑电波信号；同时还提供视觉刺激信号、听觉刺激信号。

本发明的工作原理是：脑电极按照国际10-20标准，由脑电帽固定在被试的头部位；通过对被试施加一定的刺激(包括视觉刺激、听觉刺激或体感刺激等)，置于被试头部的脑电极将信号检测到并传输到信号预放大器。经过40dB的放大处理，输入到工频衰减环节，有效地抑制50Hz/60Hz的工频干扰信号。然后，信号到由高通滤波放大电路和低通滤波放大电路构成的带通滤波放大器，对输入信号进行60dB左右(放大增益20～70dB可调)的放大处理，最后经过极性转换电路，调节事件相关脑电波信号Vout的输出幅度为0～5V；Vout信号再经过16个嵌入式在系统采集器同步A/D转换，初步滤波处理后经过数据总线DBus输入到同步控制器MCU；经过上述信号预放大、工频陷波、带通滤波放大和极性转换等环节构成，完成对微弱脑电信号的放大和提取。最后，同步控制器MCU读入所有的16×8通道的数据后，采用USB接口模块上传笔记本电脑记录、分析和显示。

经测试本发明涉及的一种脑电波ERP信号放大器性能指标如下：

●放大器的增益：可实现100dB倍以上的信号放大，增益可调；

●共模抑制比：CMRR＞120dB；

●频率宽度：放大器的频率范围为0.01Hz～1000Hz；

●输入失调电压：小于0.75uV(峰峰值)；

●输入阻抗：大于10⁵MΩ；

●高通滤波：截止频率0.01Hz～16Hz可调；

●低通滤波：截止频率10Hz～1000Hz可调；

●信号输入范围：+/-3.0mV；

●静电释放：ESD保护；

●工频滤波效率：衰减不低于60dB，陷波系数±0.5Hz。

本发明提供的脑电波ERP信号放大器，具有以下优点：

1)高集成度和低功耗设计，性能稳定可靠，其各项指标如上所示；

2)模块化设计、可扩展性好，适合于实验室脑电ERP研究和临床医学应用；

3)内部采用中断通讯协议控制的并口数据总线Dbus，外部采用通用USB总线通讯端口，传输效率高，适合于多种机型，并且携带方便；

4)可在线实现AC/DC采样分析，便于低频慢波ERP信号的分析；

5)具有在线屏蔽跟随电路，以克服由于屏蔽线电位的变化引起的放大器性能波动；和具有基线跟随驱动电路，以克服由于基线的漂移或波动而导致的放大器增益波动；并具有电极-头皮接触阻抗的实时在线检测功能；

6)采用非对称的工频陷波电路设计，能有效抑制工频干扰；

7)参数可调，适用于多个领域的神经电生理方面的研究；

8)性价比高、维修升级方便，可用于认知心理学、临床医学和罪犯心理学等方面的研究和应用；

附图说明

图1为本发明的脑电信号放大器组成框图

图2为本发明的信号预放大电路原理图

图3为本发明的脑电信号放大器电路原理图

图4为本发明的同步控制器工作原理图

图面说明：

脑部电极-1             脑电匹配输入电路-2        信号预放大电路-3

工频陷波电路-4         信号带通滤波放大电路-5    A/D转换电路-6

同步控制器MCU-7        接触电阻检测电路-8        基线跟随驱动电路-9

在线屏蔽跟随电路-10    极性转换电路-11