（生物医学工程专业论文）多通道脑电采集分析系统的设计.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签轹史乡杯日期：沙k 入) 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部 或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：史。0 相导师签名：_ 厂双 日期：z 口矽z 。 i n 中文摘要 中文摘要 多通道脑电采集分析系统的设计 史志怀万遂人 东南大学生物科学与医学工程学院 脑电采集分析系统是大中型医院神经科必备的脑功能检查仪器。脑电图检查无 创、无痛，对头痛、脑外伤、癫痫的诊断有重要价值，特别是对癫痫的确诊、癫痫灶 的定位以及癫痫治疗效果的评估有不可替代的作用。 本文设计了一个2 4 通道的脑电采集分析系统，包含1 9 导联脑电，1 导联心电，2 导联眼电，1 导联表面肌电，1 导联呼吸。可用于大中型医院的常规脑电图检查及脑电 监护，也可用于采集、存储脑电信号，用于脑电信号的研究。本系统以p c 为基础，包 括一个2 4 通道的脑电放大器和运行于p c 机上的采集分析软件。脑电放大器采用标准 1 5 r m 电极线接口，可配套标准电极线，采用u s b 接口与p c 相连接，能实现u s b 总线 供电和即插即用，使用方便。采集分析软件功能包括脑电、心电、眼电、肌电、呼 吸信号的采集、存储、显示、事件标记、回放、信号测量。分析功能包括地形图 分析、频谱分析。病员管理包括病员信息的添加、删除、修改。数据管理包括数 据的导出、导入、删除、备份等功能。设计完成后，按照j j g 9 5 4 - 2 0 0 0 数字脑 电图仪及脑电地形图仪检定规程对其计量性能进行了测试：按照g b 9 7 0 6 1 2 0 0 7 医用电气设备第一部分：安全通用要求对其主要安全性能进行了测试，均达到 或超过标准的要求。 本系统采用u s b 2 0 接口，a d 采样率达到1 0 2 4 h z ，采样位数1 6 位，隔离 电压达到4 0 0 0 v r m s ，共模抑制比达到1 10 d b ，噪声电平小于2i lv p p ，其主要 性能指标达到国内领先水平。 关键字：多通道、脑电放大器、采集分析软件 a b s t r a c t t h e d e s i g no fm u l t i l e a de e ga c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e m s h iz h i - h u a iw a ns u i - r e n s c h o o lo fb i o l o g i c a ls c i e n c ea n dm e d i c a le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y t h ee e ga c q u i s i t i o na n da n a l y s i s s y s t e mi s t h ee s s e n t i a lb r a i nf u n c t i o ni n s p e c t i o n i n s t r u m e n ti nt h em i d d l e l a r g es i z e dh o s p i t a l t h ei n s p e c t i o no fe e gi sn o n i n v a s i v ea n d p a i n l e s s m e a n w h i l e ，i th a sv e r yi m p o r t a n tv a l u ef o r t h ed i a g n o s i so ft h eh e a d a c h e ，t r a u m a t i c b r a i ni n j u r ya n de p i l e p s y e s p e c i a l l y , i th a st h ei r r e p l a c e a b l er o l ei n t h e d i a g n o s i sa n d l o c a l i z a t i o no ft h ee p i l e p s ya n dt h ee v a l u a t i o no ft h et r e a t m e n to ft h ee p i l e p s y t h i sp a p e rd e s i g n sa2 4 1 e a de e ga c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e m i tc o n t a i n s1 9l e a d se e q1l e a d e c g2l c a d se o gl l c a de m ga n dl l c a dr e s p i r a t o r ys i g n a l t h i ss y s t e mc a nb eu s e df o rt h en o r m a le e g i n s p e c t i o na n dg u a r d i a n s h i pi nt h em i d d l e - l a r g es i z e dh o s p i t a la n di ta l s oc a nb eu s e df o ra c q u i s i t i o n s t o r a g ea n da n a l y s i so ft h ee e gs i g n a l t h i ss y s t e mi sb a s e do np e r s o n a lc o m p u t e r ( p c i i ti n c l u d e s2 4 - l c a de e ga m p l i f i e ra n dt h ea c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss o f t w a r er u n n i n go nw i n d o w sx po p e r a t i o ns y s t e m t h ee e ga m p l i f i e ru s e st h es t a n d a r d1 5 m me l e c t r o d ew i r ei n t e r f a c ea n di tc a na c c o m p a n yw i t hs t a n d a r d e l e c t r o d ew i r e t h es y s t e mi sc o n n e c t e dw i t ht h ep cb yt h eu s bi n t e r f a c ea n dc a nb ep o w e r e db vu s b i n t e r f a c ei np l u ga n dp l a y t h es y s t e mi sv e r yc o n v e n i e n tf o ru s e r t h ef u n c t i o no fa c q u i s i t i o na n da n a l y s i s s o f t w a r ei n c l u d e st h ea c q u i s i t i o n ，s t o r a g e ，d i s p l a y , e v e n tm a r k e r ，r e v i e w , a n ds i g n a lm e a s u r e m e n t t h e s y s t e ma l s oi n c l u d e st h ef u n c t i o no ft o p o g r a p h i ca n a l y s i s ，s p e c t r u ma n a l y s i s ，a n dp a t i e n tm a n a g e m e n t , w h i c hc o n t a i n sa d d i t i o n d e l e t ea n dm o d i f i c a t i o no ft h ep a t i e n t s i n f o r m m i o n t h ed a t am a n a g e m e n t f u n c t i o nc o n t a i n st h ee x p o r t ，i m p o r t ，d e l e t e ，c o p ya n ds oo n a t i e rt h ed e s i g na c c o m p l i s h e d ，t h es y s t e mw a s t e s t e dt h em e a s u r e m e mp e r f o r m a n c ew i t ht h es t a n d a r do fj j g 9 5 4 2 0 0 0v e r i f i c a t i o n r e g u l a f i o nf o r d i g i t a le l e c t r o e n c e p h a l o g r a p hm a p i n g b r a i ne i e c t r i ca c t i v i t ym a p p i n g 1 h em a i ns e c u r i t yp e r f o r m a n c e w a st e s t e dw i t ht h es t a n d a r dg b 9 7 0 6 。1 - 2 0 0 7m e d i c a le l e c t r i c a le q u i p m e n t - p 口r tl ： g e n e r a l r e q u i r e m e n t sf o rs a f e 钞1 1 坞t e s t i n gr e s u l t sa l lm e e to re x c e e dt h es t a n d a r dr e q u i r e m e n t k e yw o r d ：m u l t i l e a d ；e e ga m p l i f i e r ；a c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e m v 目录 中文摘要 目录 a b s t r a c t 目录 第1 章绪论 v l 1 1 脑电图仪的历史1 1 2 脑电信号的特点。l 1 3 脑电图仪技术和市场概况1 1 4 脑电图仪设计要求2 1 5 研究目的3 1 6 研究流程与步骤。3 1 7 论文架构。3 第2 章硬件系统设计5 2 1 硬件系统总体设计5 2 j j 历孽缪赛绕j 系量趋5 2 ，2 殛彬景嘞勤绣霞5 2 j 3 赛豸峦建 z 矛习嘴5 2 2 脑电放大器设计指标要求5 2 3 脑电放大器总体设计。6 2 3 ，厨培兹天器7 氧留。6 2 3 2 扇劳鬯威久器鬯掾系纺瑟- 6 2 3 3 学号兹尤及堀罄岛跪移芄萨8 2 3 矽五绞手黝垂窆梢! 麂毵9 2 3 5j 墅名鹭：a 萝疟享苫参髟彦多岳宕。9 2 4 脑电放大器硬件电路设计1 3 2 4 1 弱久缓辫氇笏鬯路搀铲j 3 2 4 2 劳置兹右宣露瑟萨1 3 2 4 3 苈号嬲与莹照j 5 2 4 4j 参考勿攒e a c # 1 5 2 4 5 觞自蚴争1 6 2 4 6 屈谚删匈莹路1 7 2 z7 a d 胖f l 滋。j 8 2 z 艿裁獬鬯露侈 2 4 9u s b 嫠臼与蚴囊2 d 2 5 脑电放大器单片机程序设计2 l 2 5 ，c y 7 c 6 8 0 1 3 a 掌带扔雍! 伊搀矛2 j 2 5 2a t m e g a 6 4 华片扔穗庐掰矛2 2 2 5 3a t m e g a l 6 毕片祝程萨掇矛。刀 2 5 4a t m e g a 8 学芹扣程乎掰炉2 5 2 6p c b 电路板设计2 7 第3 章采集分析软件设计 3 1 软件总体架构2 9 3 2 病员管理模块软件设计2 9 3 3 病人信息登录模块软件设计31 3 4 数据采集模块软件设计3 2 3 5 数据回放模块软件设计3 3 v i 目录 3 6 系统设置模块软件设计3 5 3 7 脑电数据文件的存储格式3 6 第4 章系统整合与测试 4 1 计量性能指标的测试4 4 4 2 测试设备4 4 t 2 ，毫压嬲曼彩 4 2 2 厨胸编4 6 4 2 3 删彻序勤既彳7 4 2 4 瘸黼差皇4 8 4 2 5 兹知孥 痊笋4 l 目；览4 9 4 2 6 功摹辔额密锣 t 2 7 鳙声官_ 5 哆s o 4 2 8 ；搴彦誓拗岳歹比一5 j 4 2 9 厨按纪鬯压卯 4 - 3 安全性能指标的测试5 3 4 3 ，曹殄厉鹰毙钓删菌5 3 4 3 2 精鲁统功嬲斌 t 3 3 祭护接趱厦芴的测试5 4 4 4 人体生理电信号测试5 4 第5 章总结 5 1 本论文设计上的特点5 6 5 2 未来工作的展望5 6 v 第l 章序论 i i 脑电图仪的历史 第1 章绪论 1 8 7 5 年，英国外科医师卡顿对动物暴露脑进行了电流直接记录，将电极直接插入猴头的颅内以 检测脑内电流活动情况。1 9 0 3 年，德国医学家贝格尔受这些成就的启发，开始脑电流记录实验： 先对狗的暴露脑进行实验，后借为病人作切除头盖骨手术机会，用针状电极插入大脑皮层进行实 验，最后对正常人和脑病人的完整头盖骨进行实验，并取得了成功。他把记录人脑电图的方法命名 为脑电图描记术，成为脑电图临床应用的开端。1 9 2 9 年，他发表了重要科学论文关于人的脑电 图，指出脑电图可能成为脑病诊断学与神经生理学方面的一门新学科。4 0 年代后在临床诊断中得 到了广泛的应用。1 9 3 4 年，阿德里昂和马泰乌斯改进了脑电描记术，从而使它可以诊断某些类型 的癫痫及精神错乱症和脑瘤，以及进行颅内病变的检测和大脑病变的区域定位。2 0 世纪3 0 年代脑 电的记录方法主要是通过电子管放大器放大后，用示波照相方法进行记录。到5 0 年代，电子计算 机技术引进了脑电领域。7 0 年代以后，使用集成电路和共模抑制技术来放大脑电信号，用磁带记 录器来录制脑电信号，使得脑电图仪不仅体积缩小，而且抗干扰性能有了很大的提高。现在脑电 图仪已经成为一种常规临床检查仪器，由大型三甲医院走向了中小型医院，市场容量在不断 扩大。脑电图仪从诞生之初的模拟脑电图机，墨水笔记录，只能记录1 2 导，到现在全数字 化、电脑采集、显示、存储，记录导联也扩展到1 6 导、3 2 导、6 4 导、1 2 8 导，体积也由庞 大的仪器设备变到可随身携带的便携式脑电图仪。在2 0 世纪8 0 年代，脑电图仪市场主要由 国外厂商垄断，现在市场份额已经做到了进口国产平分天下，但由于国产设备在性能、抗干 扰能力、稳定性、品牌等方面和进口设备相比还有差距，在高端脑电图仪市场上主要还是进 口设备的天下。 1 2 脑电信号的特点 脑电信号非常微弱，幅度范围：5uv 一1 0 0i lv 之间，频率范围：0 5 一l o o i i z 幢。除此之 外，脑电信号还有以下特点： 1 ) 随机性及非平稳性强。 2 ) 具有非线性。 3 ) 背景噪卢复杂，有5 0 h z 的工频干扰口1 ，电极与皮肤的接触噪声以及电极与地之间的共模信 号的干扰等等。 4 ) 测量电极与头皮之间构成化学半电池，从而产生直流电压h 1 。 5 ) 信号源内阻大，达几十l c q 、乃至几百m 。 由于脑电信号的这些特点，脑电信号常常淹没在干扰和噪声之中，使得脑电信号提取变成一件 困难的事情，对脑电放大器特别是脑电前置放大器提出了很高的要求。 1 3 脑电图仪技术和市场概况 一台数字化的脑电图仪由以下几部分组成：前置放大部分、信号调理部分、信号光电隔离部 分、a d 采样部分、数据传输部分及分析软件【5 】。现在的脑电图仪主要是数字脑电图仪，以前由硬件 电路实现的很多功能现在都可以通过数字化后由软件实现，并且软件分析和辅助诊断功能越来越强 大。故现在脑电仪又称之为脑电采集分析系鲥6 1 。 脑电图仪放大器的技术现状及发展趋势如下： 放大器：放大器的抗干扰能力主要取决于前置放大部分。共模抑制比是反映抗干扰能力的主 要指标。现有的产品大都采用基于仪表放大器( 比如a d 6 2 0 、i n a l 2 8 ) 的前置放大电路。尽管仪表 放大器的共模抑制比可以做很高( 比如放大1 0 0 0 倍时可达到1 2 0 d b ) ，但由于人体极化电压的存 在，采用交流耦合 7 1 s l ，虽可隔离极化电压，但由于作用和参考端的电容很难精确匹配，前置级的 共模抑制比只能做到8 5 d b 左右：采用直流耦合，前置级饱和，放大器的放大倍数就不能超过1 0 倍，共模抑制比只能做到9 0 d b 左右p j 。 信号调理：信号调理部分电路相对较成熟，由于传统脑电图仪信号带宽多为0 5 h z - - 3 0 h z ，工 频( 5 0 h z ) 不在信号频带内，低通滤波器对工频也有衰减，系统对工频限波电路的衰减特性要求并 东南大学硕士学位论文 不太高。如果信号带宽扩充到0 1 h z - - 1 0 0 h z ，工频成分将在有用信号范围内，对限波器的特性就 提出了更高要求。 信号隔离：传统脑电图仪的信号隔离，大都采用线性光耦或隔离放大器对放大后的模拟信号 进行隔离。由于线性光耦也有一定的线性误差，线性光耦隔的光电二极管会产生很大的噪声，如果 系统总的放大倍数不大，就会对系统噪声水平有很大的影响。所以将模拟信号在隔离前进行a d 采 样，用高速光耦对数字信号进行隔离，将会有效避免以上两个问题。 a d 采样：a d 采样电路的两个重要指标就是采样位数和采样率，传统数字脑电图采样位数只 有8 或1 2 位，采样率为1 2 8 或2 5 6 h z ，随着数字信号处理技术的发展，涌现出了很多新的分析方 法，这就对脑电原始信号采样率和采样位数提出了更高的要求。现在一般要求能达到采样率为 1 0 2 4 ，采样位数为1 6 位，现在国外的一些高端脑电采集分析系统已经能做到1 0 k h z 的采样率，2 4 位的采样位数。 接口：脑电放大器与p c 机的接口，第一代的数字化脑电图仪一般采用i s a 卡或p c i 卡与计算 及连接，u s b 接口出现后有的采用u s b 接口与计算机连接，一般都是u s b l 1 规范的，数据传输率 最大只能达到1 2 m b p s0 0 。现在u s b 2 0 接口已经广泛应用，数据传输率可以达到4 8 0 i t o p s 1 l 】【1 2 】 1 3 1 4 儿”jo o l ，因此将u s b 2 0 技术应用于脑电放大器即能保证高的数据传输率，又能享用u s b 接口即插 即用的方便，与笔记本电脑连接能实现便携式脑电图仪，也是技术发展的方向。 软件：脑电图分析软件，随着数字信号处理技术的发展，越来越多的功能在软件上实现。比 如数字滤波、频谱分析【17 1 、特征波形的识别【1 8 1 【1 9 1 ，睡眠的自动分期【2 0 】【2 1 1 ，癫痫波自动识别口2 】 2 3 1 2 4 1 ，偶极子定位等等。 现在中国市场上，国产品牌的脑电图仪生产厂家主要有上海诺诚、北京新拓、上海世珈，北京 太阳，南京伟思等厂家，进口品牌的生产厂家有n e u r o s c a n 、b r a i np r o d u c t 、b r a i nm a s t e r 、 c a d w r c l l 、n i h o nk o h d e n 、n i c o l c t 等厂家。国产脑电图仪的技术指标如表1 1 所示，进口脑电 图仪的技术指标如表l - 2 所示，由表中可以看出国产脑电采集设备的技术指标和进口设备还有较大 差距。 表1 1 国产脑电图仪主要技术指标 厂家采样率 采样位共模抑制噪声电平 带宽导联 阻抗测 其它 数比数试 上海诺诚 2 5 61 29 0 d b 2uv o 5 - 3 0 h z 1 9 无无线传 输 北京新拓 1 0 2 41 61 0 0 d b 5l lv 0 5 7 0 h z2 4 有 上海世珈 1 0 2 41 21 0 0 d b 5uv0 。5 7 0 h z 2 0 无 北京太阳 2 5 61 29 0 5i iv 0 5 3 0 h z1 6 无 表1 2 进口脑电图仪主要技术指标 厂家采样率采样共模抑噪声电平带宽导联数其它 位数制比 n e u r o s c a n2 0 k h z 2 4 位 1 0 8 d b4uvd c 3 5 0 0 h z4 0 2 5 6 b r a i n p r o d u c t5 0 0 0 h z2 21 0 0 d b 2uv 0 0 5 1 0 0 0 h z4 0 - 2 5 6 光纤 b r a i n m a s t e r2 5 62 41 0 5 d b 5pv d c 8 0 h z1 6 2 5 6 c a d w e l l1 0 0 01 69 0d b 5l iv 0 1 7 0 h z3 2t c p i p n i h o n1 0 0 01 6l l od b 4pv 0 1 7 0 h z3 2u s b k o h d e n n i c o l c t 2 0 4 81 61 0 0 d b 4pv 0 1 1 0 0 h z3 2 1 4 脑电图仪设计要求 1 ) 高输入阻抗【2 5 1 。被提取的脑电信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影 响，必须提高放大器输入阻抗。一般情况下，信号源的内阻为1 0 0 k q ，放大器的输入阻抗应大于 5 mq 。 2 ) 高共模抑制比c m r r 。人体所携带的工频干扰以及所测量的参数以外的生理作用的干扰，一般为 2 第l 章序论 共模干扰。前置级须采用高c m r r 差动放大形式，以减少共模干扰。共模抑制比应在8 0 d b 以上，最 好高于l o o d b 。 3 ) 低噪声、低漂移。主要作用是对信号的影响小，提高系统信噪比，使拾取微弱信号的能力强， 以及能够使输出稳剧2 6 j1 2 7 j 。 4 ) 高计量性能符合j j g 9 5 4 2 0 0 0 脑电图及脑电地形图计量检定规程的要求【拥。 5 ) 电器安全要符合g b 9 7 0 6 卜2 0 0 7 医用电气设备第一部分安全通用要求 2 9 1 及g b9 7 0 6 2 卜 2 0 0 5 医用电器设备第2 2 6 部分：脑电图机安全专用要求1 3 0 l 的要求。 6 ) 软件功能应能满足临床诊断的要求，能够采集、回放数据，并进行波形的测量，具有丰富的报 告系统。 1 5 研究目的 本文的目的是设计出一款2 4 个通道的脑电采集分析系统，不但能记录1 9 导脑电信号， 还能辅助记录心电、眼电、表面肌电；具有阻抗测试、定标、平均参考导联等功能；软件功 能包括脑电、心电、眼电、肌电、呼吸信号的记录、显示、事件标记、回放、测量：分析功 能包括地形图分析、频谱分析。能够满足门诊常规脑电图检查，脑电长时监护，睡眠监护等 临床需要。 1 6 研究流程与步骤 图1 - 1 研究流程与步骤 1 7 论文架构 本论文共分五章，各章主要内容如下： 3 第l 章：绪论，介绍脑电图的历史、脑电信号的特点及脑电采集分析系统的设计要求。 第2 章：硬件系统设计，系统总体架构及脑电放大器的设计。 第3 章：采集分析软件的设计，介绍脑电采集分析软件的设计。 第4 章：系统整合与测试，介绍系统性能测试方法和测试结果。 第5 章：总结，总结现有工作，展望脑电采集分析系统的发展趋势。 4 第2 章硬件系统设计 2 1 硬件系统总体设计 第2 章硬件系统设计 2 1 1 硬件系统架构 本系统是一台基于p c 的数据采集分析系统，其核心部分是脑电放大器和运行于p c 机上的采 集分析软件。用电极线、电极将人体头皮的电信号引入脑电放大器，脑电放大器将信号经过前置放 大，滤波，再放大等信号放大和调理过程，达到能够进行a d 采样的程度，送入a d 采样芯片进行 a d 转换，变模拟信号为数字信号，数字信号经u s b 接口传输到计算机，供软件分析处理。由于普 通的计算机不符合g b 9 7 0 6 1 - 2 0 0 7 医用电气设备第一部分：安全通用要求，所以计算机的供 电要经过一个隔离变压器，以提高应用部分及外壳与网电源的隔离程度，减小系统的漏电流。硬件 系统框图如图2 1 所示。 2 1 2 硬件系统框图 图2 - i 硬件系统框图 2 1 3 系统运行环境 由于本系统是基于p c 的数据采集分析系统，p c 机的软硬件环境需要满足最基本的要求。系 统运行的软硬件环境要求如下： 软件环境：w i n d o w s2 0 0 0 、w i n d o w sx p 或w i n d o w sv i s t a 操作系统，d i r e c t x 8 1 以上版本。 硬件环境：i b mp c 兼容机，p 42 4 g h 以上c p u ，c d r w 刻录机，8 0 g 以上硬盘，液晶显示 器，声卡和音箱，打印机，隔离变压器。 2 2 脑电放大器设计指标要求 1 通道数 总共2 4 通道，其中：e e g1 9 导，e o g2 导，e m g1 导，e c gi 导，r e s p ( 胸腹运动或口鼻气 流) 1 导。 2 脑电放大器辅助功能 脑电阻抗测试功能，在计算机上用软件显示电阻值。 定标功能：5 0 l j v 0 5 h z 方波。 脑电参考电极的选择：a l 帕，a 1 ，a 2 ，a v g ，a 1 一l e f ta 2 - r i g h t 。 3 脑电放大器与计算机的接口 u s b 2 0 ，高速模式。 4 脑电放大器的供电 u s b 总线供电。 5 脑电放大器技术指标 放大倍数5 0 0 倍。 输入范围：差模2 0 m v p p ，共模4 v 。 共模抑制比：1 1 0 d b 。 5 东南大学硕士学位论文 输入噪声2 l av p p 。 带宽：0 o l l o o h z 。 耐极化电压：5 0 0 m v 。 差模输入阻抗：2 0 m 可调高通：0 o i h z 、0 1 h z 、0 2 h z 、0 5 h z 6 a d 采样技术指标 采样通道：2 4 采样位数：1 6 位 采样频率：2 5 6h z 、5 1 2h z 、1 0 2 4 h z 可选 采样分辩率：0 3pv p - p 7 电极线接口 e e g 、e m g 、e o g 、e c g 采用标准1 5 m m 针形插座。r e s p 用5 芯圆形l e m o 插座。 8 安全性： 电介质强度：电极线与u s b 接口隔离4 0 0 0 v 珈s 。 患者漏电流：d c 小于0 o l m a ，a c 小于0 1 m a 患者辅助电流：d c 小于0 o l m a ，a c 小于0 1 m a 外壳漏电流：小于0 1 m a 2 3 脑电放大器总体设计 2 3 1 脑电放大器框图 2 3 2 脑电放大器电源系统设计 图2 - 2 脑电放大器电路框图 系统所需要的电源如下： 1 u s b 总线输入电源u s b v ：+ 5 v ，5 0 0 m a ，这是系统总电源输入，脑电放大器所有需要的能 量都由u s b 总线提供。 2 u s b 接口单片机c y 7 c 6 8 0 1 3 a 及其外围接口电路所需电源为：+ 3 3 v ，6 5 m r 。+ 3 3 v 电源 6 第2 章硬件系统设计 由u s b 总线u s b v 电源经过l d o 芯片l t l 0 8 6 c m - 3 3 稳压提供。 3 模拟信号放大器所需隔离电源a + 5 v i o o m a ，a - 5 v i o o m a ，这两组电源由隔离d c d c 模 块d c h 5 d 5 一卿，变换提供。 4 隔离的数字电源：v c c ( + 5 v ) ，为a d 转换芯片姒x 1 1 7 8 、a t m e g a l 6 、及数字光耦供电。 选用隔离的d c d c 模块d c h 5 s 5 - 1 w 变换产生。 在脑电放大器系统设计时需要根据系统的设计方案和选用的芯片功耗对系统总功耗进行 估计，以估算u s b 总线的5 0 0 m a 电流是否能满足系统功耗的需求，如果不能满足则还需要调 整设计方案或选用功耗更低的芯片。电源系统框图如图2 3 所示。 p c 端 j 瘸人游 ： 图2 3 脑电放大器电源系统框图 系统总功耗估计：表2 - 1 对系统各个芯 片消耗的电流进行了估计，数值都来自 于芯片技术手册。由表2 - i 可知，三部 分电源折算到u s b v 的电流为： 1 8 0 m a + 5l m a + 9 0 m a = 3 21 m a 。u s b 总线的 5 0 0 m a 电流输出，能满足电路的需要。 表2 - 1系统功耗估计表 a + s v 、a - 5 v 电源的功耗：由卜农日j 知，思供电电流为母越吾6 7 5 m a ，考虑剑是双电源和d c h 5 d 5 的转换效率o 7 5 ，该组电源折算到u s b v 的电流为：6 7 5 2 0 7 5 = 1 8 0 m a 供电芯片数量单片电流总电流说明 o p i1 7 7 h r1 90 5 m h9 5 m h 输入缓冲级 0 p 2 1 7 7 a r2 4l m a 2 4 m a前置级 a d 6 2 0 a r2 40 9 m a 2 1 6 m a前置级 t l 0 6 2 c d2 40 4 m a9 6 m a 信号调理 c d 4 0 5 22 4o 0 0 5 m a0 1 2 m a 高通选择 觇a x 4 0 5 15o 0 0 l m a0 0 0 5 采样切换 a d 6 2 0 a rl0 9 m ao 9 阻抗测试 t l 0 6 4 c d 20 8 m a 1 6 阻抗测试、定标 c d 4 0 5 3 70 0 0 5 0 0 3 5 参考切换 c d 4 0 5 2 l0 0 0 5 0 0 0 5 参考切换 c d 4 0 5 150 0 0 5 0 0 2 5 参考切换 t l 0 6 1 c d1o 2o 2 阻抗测试、定标 7 东南大学硕士学位论文 合计7 6 5 m a v c c ( + 5 v ) 电移泉的功耗：由卜表日j 知，总供电电流为3 8 5 m h ，i ) c h 5 s 5 的转换效翠0 7 5 ，该组电源 折算到u s b v 的电流为：3 8 5 0 7 5 = 5 1 m a 供电芯片数量单片电流总电流说明 乩舣1 1 7 8 l 3 5 m a3 5a d 采样 a i m e g a l 6 l1 5 m a1 5 采样控制 h c n w 2 6 l l2l o m a2 0 数字隔离 合计3 8 5 m a + 3 3 v 电源功耗：由下表可知，总电流为：9 0 m a ，折算到u s b v 电源电流为9 0 m a 供电芯片数量单片电流总电流说明 c y 7 c 6 8 01 3l5 0 m h5 0 i j s b 接口单片机 a t 2 4 c o i10 0 0 10 0 0 1e e r o m a t m e g a 6 4 1 2 0 m a2 0 m a 数据传输单片机 h c n w 2 6 l l2 l o m a2 0 m a数字隔离 合计9 0 m a 2 3 3 信号放大及调理电路的安排 i 信号调理 i i l l fl 伊 i| i i 分 li 篓 f 磊品孙厂磊孙净援糠歼戈 i i ：竺l 厂竺竺。誉 i 俊i _ 刚 u l i i l i l 图2 _ 4 模拟信号放大电路框图 来自作用电极的信号a c t 和来自参考电极的信号r e f ，经过由o p i l 7 7 a r 组成的并联型双运放 仪器放大器，其差模放大倍数为1 0 倍，而对共模信号只是跟随，没有放大：放大后的信号依然为 双端差动信号，该信号经过一个高通阻容网络，滤除直流成分，将滤除直流成分的差分信号送入仪 器放大器a d 6 2 0 ，由于滤除了直流成分，放大倍数可以大些，放大5 0 倍。至此，信号已经放大了 5 0 0 倍，由于本系统a d 采样位数为1 6 位，信号放大5 0 0 倍已经能达到o 3 l l v 的采样分辨率，可 以不再放大。后面又安排了低通滤波环节，是为了限制信号带宽，抗采样混跌。由于运算放大器输 入失调电压的存在，放大5 0 倍后可能有一定的直流漂移，因此又安排高通滤波环节，以滤除直流 成分和极低频成分。 8 第2 章硬件系统设计 2 3 4 对工频干扰的应对措施 信号总的放大倍数5 0 0 倍，放大电路的电源范围为- s v 到+ 5 v ，因此放大器的信号输入范围为 1 0 v 5 0 0 = 2 0 n l v ，2 0 m y 的输入范围已经很大，又由于本电路的前置放大具有很高的共模抑制 ( 1l o d b ) ，即使在较强的干扰环境下，5 0 h z 干扰也不会超过2 0 m y ，输入信号不会在放大器中饱和 失真，因此在硬件电路上可以不安排5 0 h z 限波电路。可以将混着5 0 h z 干扰的脑电信号一起采集进 来，通过软件滤波的方法进行处理，去除5 0 h z 干扰信号。这样就能简化硬件电路的设计，有利于 降低成本和降低生产调试的工作量。 2 3 5 数据通信协议的制定 本系统共使用了四个单片机，分别是c y 7 c 6 8 0 1 3 a 、a t m e g a l 6 、a t m e g a 6 4 、a t m e g a 8 ，它们 各自负责相应的控制功能，它们之间靠精心设计的协议系统进行信息的传递。 2 3 5 1p c 与c y t c 6 8 0 1 3 a 的通讯协议 1 通讯接口：u s b 2 0 接口。 2 u s b 通讯管道的分配：在本系统设计中共使用了c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的4 个b u l k 端点和一个 c o n t r o l 端点，各个端点的作用如表2 - 2 所示。 表2 - 2端点功能分配表 管道号对应端点端点类型容量端点作用 ( b y t e s ) p i p e o e n d p o i n t lo u tb u l k6 4 p c 向c y 7 c 6 8 0 1 3 a 发送指令 p i p e l e n d p o i n t 2o u tb u l k5 1 2 保留 p i p e 2 e n d p o i n t li nb u l k6 4 p c 从c y 7 c 6 8 0 1 3 a 读取阻抗 测试数据， p i p e 3 e n d p o i n t 6i nb u l k5 1 2 p c 从c y 7 c 6 8 0 1 3 a 读取读取 采样数据 e n d p o i n t oc o n t r o l6 4双向，u s b 设备信息及放大 器参数信息 3 c y 7 c 6 8 0 1 3 a 至p c 数据协议 采样数据：用p i p e 3 读取，数据流格式如下：每个数据帧6 7 个字节，头两个字节固定为 f f 、f f ，第3 个字节为e r p 同步事件字节，1 个字节，数据从0 - 1 2 7 ，0 表示无e r p 事件，其余 数值为事件代码。第4 - 6 7 字节为采样数据，通道从1 - 3 2 ，每个通道两字节，高字节在前，低字 节在后。 表2 - 3采样数据流帧格式 lo x f flo x f fie r pih s bll s b1 ”lh s bil s bl l 数据头le r p 事件ic h ilc h iiic h 3 2ic h 3 2i 放大器参数信息，放大器参数信息存放在串行e e p r o m 芯片a t 2 4 c 0 1 中，共1 0 0 字节，通过 c y 7 c 6 8 01 3 a 的c o n t r o l 端点来读写。数据意义如下表2 - 4 表2 4放大器参数信息格式 o x b ov i d lv i d hp i d lp i d hd i dd i dr e s e r v er e s e r vs n l lhde d o 123456789 s n h r e s e r v er e s e r v e dc h l p lc h l pc h 3 2 p lc h 3 2 p ht i m e o dh