李亚杰 宋明星 张玉栋

（河北建筑工程学院，河北张家口075000）

0 引 言

脑电信号是脑神经细胞传导信息时在大脑皮层或头皮表面电活动的总体反映，是一种典型的生物电信号.其中包含的人的大量的生理状态信息和相应病情信息，对医学的发展有很大的促进作用.同时脑电信号还可研究人的生理和心理之间的关系.科学对脑电信号的认识也越来越重要，随之记录脑电信号的仪器也相应而生，这种设备是专门用于记录和测量脑电信号的.其工作原理是：首先由放置在头皮的电极在体表或皮下检测出微弱的脑电（EEG）信号；然后通过电极导联耦合到差动放大器进行适当放大；最后由记录设备记录.

1 脑电信号的特点

脑部神经细胞电位变化的情况称为脑电信号（EEG），依据脑电图仪与临床生理学会国际联盟的分类，脑电信号的频率分为4个频段：分别是δ波（0.5～4Hz，20～200uV）、θ波（4～8Hz，100uv～150 uV）、α波（8～13Hz，20～100uV）、β波（13～30Hz，5～20uV）.这些意识的组合就组成人外在的行为表现［1］.

脑电信号作为一种生物电信号具有如下的特点［2］：

第一，脑电信号非常微弱，一般只有50μV左右，幅值范围为5μV～100μV［1］.所以，脑电信号放大增益要比一般的信号高得多，一般要放大20 000倍左右.

第二，脑电信号头皮与颅骨通常几千欧姆的电阻，所以要求前置部分有很高的输入阻抗，以提高脑电信号索取能力，一般输入阻抗要大于10MΩ.

第三，脑电信号的频率范围在0.1Hz～100Hz，频率比较低.这就要求把脑电信号以外的其他信号滤除掉.

第四，在普通环境下，脑电信号会受到工频50Hz、信噪比低于－10dB的信号的干扰.其存在的形式主要是共模的形式，幅值大小在毫伏级左右.所以要求系统放大器的共模抑制比必须大于120dB.

第五，必须考虑被测者的生理自然性和保证操作安全性等.

2 脑电信号采集系统设计

系统的总体架构如图1所示，近些年来，随着微电极技术的发展，出现了一种新型的无线干电极脑电信号采集设备.从电极出来的信号经过三级的放大和滤波处理后，经过AD转换后经过存储设备.本文主要研究的是信号的放大和滤波，其信号的处理和流程如下图示，每个结构的详细的电路原理和结构由本部分详细阐述.

图1 系统总体设计框图

2.1 前置级和第二级放大器的设计

在实际应用中，为提高生物脑电信号放大电路的输入阻抗，一般把差动输入脑电信号从放大器的同相输入，这样连接后期输入阻抗的值可达到10M左右.在条件理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大，此时系统的共模抑制比和外电路的结构和阻值精度无关.本系统的前置级与第二级放大器如下图所示.

图2 EEG前置级与第二级放大器

A1，A2组成同相并联输入作为第一级放大，这样可以提高电路的输入阻抗.第二级的放大是由A3差动放大组成.在第一级放大和第二级放大之间，由C1、R6和C2、R7构成了无源高通滤波器.其主要作用是滤除极化电压的干扰，可以有效提高后级放大电路的共模抑制比.

第二级放大器采用INAl28，通用仪器放大器芯片INAl28具有低功耗、低温漂、高精度、高共模抑制比CMRR≥120dB等优点，是一个较理想的生物电放大器.

图3 EEG第三级放大电路

2.2 第三级放大器的设计

因为经过方法和预处理后脑电信号要经过模数转化，而转化电压一般为0～4v.在第三级放大电路设计过程中，既要考虑信号电平的提升，又要实现信号的放大.放大器芯片用INA128，然后用加法器实现第三极放大电路.具体电路如下图所示.

2.3 脑电信号的预处理电路

2.3.1 低通滤波器设计巴特沃斯滤波器称为最平

相应的滤波器，相位特性也比相同阶数的切比雪夫和椭圆函数滤波器效果要好，故我们采用巴特沃斯低通滤波器［3］.

巴特沃斯低通滤波器的设计过程如下：在满足系统滤波性能要求的情况下，阶数越低越好.其阶数计算公式如下：

其中ωρ为截止频率，As为频率ωs所对应的滤波器的增益.N是滤波器的阶数，其必须为整数.当然滤波器的阶数N越大，滤波效果就越好，但是随之实现的电路也就越复杂.也就是说在满足系统性能的情况下，N值越小越好.

系统要求：系统研究的信号通常为几十Hz左右，滤波器的截止频率就设定在40Hz.160Hz处的放大系数应小于等于－48dB.

图4 EEG低通滤波器

2.3.2 50Hz陷波器设计

在提取脑电信号过程当中，为除去工频50Hz的干扰，可以采用带阻滤波器来实现.当工频50Hz的干扰信号非常严重时，可以采用50Hz的陷波器来滤除，从而抑制50Hz工频信号的干扰.我们把50 Hz的陷波器加在光电隔离电路和第三极放大电路之间.为了减小陷波器对脑电信号的影响，要求陷波器的Q非常高.我们的设计方案是有源双T陷波的滤波器.其电路图如下所示.

图5 50Hz双T陷波的滤波器

通过计算可以得到系统的转移函数为：

显然这两个参数有电路中的R、C、q的参数值决定的.如果我选定电容的参数值后，可以求出：R＝

其中的Q就是陷波器的品质因数，当然Q值越大越好，当其值会受到电路其他性能参数的影响，还有就是如果其值过大，会导致系统不稳定.通常我们取其值为0.8左右.

3 总 结

本文主要解决的是从无线电极出来的脑电信号的后续处理过程，放大电路主要采用差分放大电路，然分别经过高、低通滤波器和50Hz的陷波器处理.AD转换后进行存储或者用于脑电信号的分析和应用.未来展望采集到的脑电信号可以和电脑无缝隙的工作，可以用人的思想去直接驱动外设.

［1］王宝华.生物医学电子学［M］.北京：高等教育出版社，1992

［2］陈真诚.脑电信号采集预处理电路设计［J］.中国医学物理杂志，2009.10

［3］张建利，李文峰.基于TMS320LF2407A的脑电信号采集系统的设计［J］.世界电子元器件，2004.11