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70通道EPR脑电信号采集系统的实现

时间:2015-11-15  来源:扁平线圈电感厂家  点击:

  摘 要: 首创一种新型的脑电检测技术。将多路ERP脑电信号分别经各自的前置放大电路、模/数转换电路进行采样和A/D转换,形成多路并行数据流,最后经数据汇集装置汇集成一路高速串行数据流,再经光纤介质传输到计算机进行分析处理。采用该技术的脑电检测装置可以满足对多路ERP脑电信号同时进行高速率(10 kHz每通道)、高精度(24 bit)采样的要求。软硬件测试表明,该装置具有稳定性好、抗干扰能力强、频带范围宽等特点。

  关键词: 脑电检测; ERP脑电信号; 前置放大; 信号采集; 数据汇集

  脑电信号是人类最早研究并应用于临床医学的生物电信号之一,对它的分析在提高脑部疾病诊断效率和准确性方面有着十分重要的意义。脑电图(EEG)是通过把电极放到头皮或大脑皮层上运用脑电采集仪记录到的脑部生物电活动的波形图,脑电信号主要频率在0.5~100 Hz,信号幅值范围为5~300 μV[1]。事件相关单位(ERP)是一种特殊的脑诱发电位,主要用于对大脑高级心理活动(如认知过程)作出客观评价,ERP脑电信号的主要频率在0~2 kHz,信号幅值范围为零点几微伏到几微伏。这就要求ERP脑电检测装置拥有更宽的频带将慢波细节描述得更清楚,同时需要具有更强的噪声抑制能力。目前国内脑电图检测技术已经相对成熟,但是ERP脑电信号检测装置还要依靠国外进口,价格昂贵,所以尽快研制出价格便宜、性能优越的ERP脑电检测系统是当务之急。

  由于微伏级ERP脑电信号相当微弱,很容易被毫伏级外界干扰和内部噪声所淹没,将ERP脑电信号放大的同时也不可避免地将干扰信号放大。要想在16 bit以下的采样系统中分辨清楚,就必须至少放大1 000~ 10 000倍,而这样干扰信号又会使放大器饱和。此矛盾在常规的放大器中难以解决。有效的解决方案是减小放大倍数同时提高A/D转换的精度,经过计算采用24 bit贴片功率电感的转换精度,放大倍数只要5~10倍就能满足要求。大的干扰信号可以在采样经A/D转换后通过数字滤波的办法来去除。

  但是,提高采样精度又带来新的问题。现有的高精度A/D采样芯片大都是∑-⊿型的,它是通过过采样方法牺牲采样率来实现高精度的,因此采样率不高。

  常规数字化脑电图仪是将由电极线引入的多路脑电信号先分别进行模拟放大和滤波,然后经过模拟开关分时切换,形成一路模拟信号进行A/D转换,再把转换后的数据通过各种通信介质传送到计算机中进行处理。对于每个通道4 kHz的采样率,即使按照16个通道计算,一片A/D转换器的采样率贴片电感生产厂也要达到64 kHz,这对于24 bit精度的∑-⊿型A/D转换器是无法做到的。同时,∑-⊿型A/D转换器在进行高精度转换时,要求输入的模拟信号必须是同一路连续不断的,不能经过开关的切换。因此现有的常规数字化脑电图仪并没有同时解决好对多路ERP脑电信号进行宽带宽(0~2 kHz)、高精度(24 bit)、高采样率采样的问题。

  本文提出了一种全新的技术方案[2]。并且应用此方案研制了一款70通道、每通道采样率高达10 kHz、带宽为0~2 kHz、采样精度达24 bit的ERP脑电检测装置,较好地解决了技术背景中描述的问题。

1 系统电路设计

  1.1 系统整体方案设计

  本文提出一种硬件与软件结合的ERP脑电检测方案,由前置放大电路、模/数转换电路、数据汇集电路、数据传输装置、计算机等部分组成[3]。先分路进行高频率采样和高精度A/D转换,每路用一片成本较低的24 bit A/D转换芯片ADS1251进行10 kHz的采样和A/D转换。然后用一种高速的汇集电路将各分路转换后的数据流按照一定的帧结构汇集成一路高速的数码流,再经过光纤隔离并通过USB2.0接口传输进入电脑进行分析和处理。系统整体设计框图如图1所示。

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  这种ERP脑电信号采集技术可以在不加入50 Hz工频陷波器的条件下有效地抑制50 Hz工频干扰,可应用于70导台式/便携式ERP脑电检测系统。

  由于本方案中的A/D采样只是针对一路的模拟信号,因而可以采用低成本高精度的∑-⊿型A/D转换器,使得每一路信号在高频率(10 kHz)采样时的转换精度都能达到24 bit。采用传统方案是无法实现的。

  1.2 前置放大电路设计

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