摘  要: 介绍了脑电" title="脑电">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" title="鉴相器">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" title="模拟开关">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" title="电流源">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。

　　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C_r(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,使U_ao、U_bo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U_ao、U_bo。这种方案绝对保证了无入地电流,在对称电极上所测量的相位差为180度,图2(b)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U_ao=U_AG-U_OG。

3 三运放" title="运放">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,先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。

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],而这里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。异或门的工作原理是: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Π型滤波电路,有效地去除了毛刺,保证了信号的准确性。RMS有效值转换器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。

　　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,具有一定的准确性、实用性。

参考文献

1 李贤良.人体电阻抗CT雏形的研究：[博士学位论文].重庆:重庆大学电气工程学院, 2000

2 沙占友.新编实用数字化测量技术.北京：国防工业出版社，1998