脑电物理头模型数据采集系统的研究

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脑电物理头模型数据采集系统的研究

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。

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”进行逻辑异或运算。异或的工作原理是：当输入信号为同相时，输出为低电平；为反相时，输出为高电平。电路原理图如图3所示。在图3中，信号从Input1、Input2输入到异或门，其中Input2的放大电路与Input1相同，所以在此省略。经异或门逻辑运算后，信号有毛刺产生，所以在其后加了一级II型滤波电路，有效地去除了毛刺，保证了信号的准确性。RMS有效值转换采用美国模拟器件公司生产的单片真有效值/直流转换器AD637，它可输出交流信号的真有效值、平均值、绝对值、dB等。输出的结果连接到PCI数据采集卡上，由计算机进行数据处理，同时计算机还对模拟开关进行通道控制。
5 结果分析
将脑电电位的测量结果与解析解进行比较，如图4所示。其中（a）图为解析解的曲线；（b）图为实际测量结果的曲线。从图中可以看出，解析解和测量结果的变化趋势基本上一致。


图4 脑电电位分布的比较

    从图4(b)中可以看出，左右电极（以0为参考点）电位大小不相等，并且有单独的几个电极的电位偏离了正常的变化趋势。经过分析得知，由于每个测量电极被氯化钠溶液（即模拟脑脊液）所腐蚀的程度不一样，所以每个表面电极对外所呈现的阻抗特性也就不一样。若输出阻抗较低的电极的电位，输出至模拟开关时，后续电路取的电流就较小，电压降低得就小；反之，电压降低得就多。
为了提高系统的抗干扰能力，增加系统的稳定性，文中对偶极子电流源采用双极屏蔽隔离变压器；在变压器输出端并联电阻使得物理头模型电位参考点入地电流为零；运用三运放差动放大器抑制共模干扰；鉴相器设计得便于计算机进行数据处理。该设计方案目前已实验成功，具有一定准确性、实用性。