（生物医学工程专业论文）脑电反馈式小型磁场催眠仪的研制.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 这种催眠仪仍处于探索阶段，采用何种波形、多大强度以及何种线圈形状能使效 果达到最佳，这些问题现在尚无定论，必须进行大量的动物实验和人体实验进行 总结。我们研制的这一仪器需在实践中不断改进，不断提高其性能。 希望本文能对进行类似仪器设计的读者有借鉴意义。 关键词：脑电、生物反馈、失眠症、催眠仪、磁刺激、电磁生物效应 i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n t o fa m i n i t y p eh y p n o s i sa p p a r a t u s u s i n gm a g n e t i cs t i m u l a t i o n w i t he e gb i o f e e d b a c k a b s t r a c t u n d e rt h es t r a i no fm o d e m l i f e ，m o r ea n dm o r ep e o p l eg e ti n s o m n i a t r a d i t i o n a l m e d i c a lt r e a t m e n t sc o u l d n tt a k e g o o d e f f e c to nt h ed i s e a s e so fb o d yd i s o r d e r b i o f e e d b a c kt r e a t m e n tc a nm a k et h eb o d yd i s o r d e r c o m i n g f r o m s p i r i tf a c t o rr e m i s s i o n o re l i m i n a t i o n a n dt h i sm e t h o dh a sn os i d e e f i f e c ta sm e d i c a lt r e a t m e n td o e s s t u d i e s s h o we l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h y ( e e g ) b i o f e e d b a c kc , a nr e g u l a t ee l e c t r i c a la c t i v i t i e so f t h ec e r e b r a ln e r v es y s t e m ，a n dr a i s et h ef u n c t i o no fc e r e b r a ln e r v ea tt h es a m et i m e i m p r o v e t h eb r a i n sm e t a b o l i s ma n dc i r c u l a t i o n i ti sc o n f i r m e dt h a tt h ee e g b i o f e e d b a c ki s5 i g n i f i c a n ti nt h et r e a t m e n to fs o m en e r v es y s t e md i s e a s e s m o s tr e s e a r c h e r sc o n s i d e r h i g h l yo f m a g n e t i cs t i m u l a t i o nt e c h n i q u eb e c a u s e i th a s al o to fa d v a n t a g es u c ha ss a f e t y , a n o d y n i a n o n - i n v a s i o na n dt h ea b i l i t ya c t i n go n d e e pn e r v e ag r e a td e a l o fs t u d i e ss h o wt h a to u t s i d em a g n e t i cf i e l dc a ne v o k e c h a n g e si ne e g a n dc a nr e g u l a t em a n y p h y s i o l o g i e a la c t i v i t y w ec a l lg e tt h ee f f e c t o fs e d a t i o n ，s o o t h et h en e r v e sa n di n d u c i n gt os l e e pi fw ea d das p e c i a im a g n e t i cf i e l d t os o m e o n e sh e a d c o m b i n ee e gb i o f e e d b a c ka n dm a g n e t i cs t i m u l a t i o nt e c h n i q u et oa no r g a n i c w h o l e ，ak i n do fh y p n o s i sa p p a r a t u sh a v i n gw i d ea d a p t a b i l i t ya n dg o o de f f e c tc a nb e m a d e m a n yp e o p l e h a v e a l r e a d yp e r f o r m e de x p e r i m e n t s o nt h i sf i e l da n d g o t r e m a r k a b l er e s u l t i nt h i sa r t i c l e ，t h e d e v e l o p i n gp r o c e s so fam i n i t y p eh y p n o s i s a p p a r a t u su s i n gt h et e c h n i q u eo fe e g f e e d b a c ka n dm a g n e t i cs t i m u l a t i o nb a s e do n i n t e l1 6b i t se m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e r8 0 c 1 9 6 k c i si n t r ( ，d u c e d i nt h ef i r s tt w oc h a p t e r s ，w es u m m a r i z et h ep r i n c i p l eo ft h ea p p a r a t u s ，a n d e x p l a i ns o m eb a s i ck n o w l e d g e o ne e ga n dm a g n e t i cf i e l d i nc h a p t e r3 ，e e gc a p t u r e c i r c u i ti sd e s c r i b e d s o m ep r o b l e m ss u c ha st h ed e s i g no fp r e c e d i n gs t a g e ，i s o l a t e d s t a g ea n da n a l o gf i l t e ra r ed i s c u s s e d i nc h a p t e r4 ，w ed e s c r i b e d t h ed e s i g no fc o n t r o l c i r c u i tb a s e do n8 0 c 1 9 6 k c t h i sc o n t e n ti n c l u d em e m o r ye x p a n d i n g ，s e r i a lp o r t c o m m u n i c a t i o n ，p o w e ro u t p u ta n ds oo n s o f t w a r ed e v e l o p m e n t i se x p l a i n e di nc h a p t e r i v 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t 5 ，a n di ti n c l u d e st h er e a l i z a t i o no fa l ls o f t w a r ec o n t r o la n da n a l y s i s i nt h el a s tc h a p t e r t h ew h o l ea p p a r a t u s p e r f o r m a n c ei ss u m m a r i z e d a n dg i v e ss o m ea d v i c e st ot h e r e s e a r c ha n d i m p r o v e m e n t l a t e r b e c a u s et h i sk i n do fh y p n o s i s a p p a r a t u s i ss t i l li nr e s e a r c h p h a s e ，t h e b e s t p a r a m e t e r ss u c ha st h es h a p ea n di n t e n s i t yo f t h em a g n e t i cf i e l d ，t h es h a p eo fc o i la n d t h e r e g i o n t os t i m u l a t ea l en o tv e r yc l e a r s ol o t so fe x p e r i m e n t so na n i m a l sa n d h u m a nm u s tb ep e r f o r m e di nt h ef u t u r e t h i sa p p a r a t u sm u s tb ei m p r o v e df r e q u e n t l y a c c o r d i n g t ot h es t u d i e s k e yw o r d s ：e l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h y ( e e g ) ，b i o f e e d b a c k ，i n s o m n i a h y p n o t i ca p p a r a t u s ，ma g n e t i cs t i m u l u s ， b i o l o g i c a le f f e c to f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d v ， 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 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 的说明并表示谢意。 本人签名：兵玉南 e l 期：2 0 0 牛，f 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论帚一早珀t 匕 伴随着现代紧张的快节奏生活方式和激烈的社会竞争，都市人每天都受到来 自四面八方的压力，知识经济时代进行着脑力大战，失眠也随之而来。失眠是健 康的大敌，持续失眠一段时间后人们会患上神经衰弱、焦虑症等相关的精神疾病， 严重影响现代人的生活质量。因此，已经有越来越多的人关注这一问题，人们从 药物疗法、物理疗法、精神疗法等方面不断进行研究尝试，希望能够找到安全而 有效的方法，解决现代人生活中的这一顽疾。本课题就是设计这样一种便携式理 疗仪器，采用对人体无副作用的弱磁场通过脑电生物反馈技术作用于患者头部， 诱导患者在不知不觉中进入睡眠状态。 1 1 失眠症的治疗方法 在人的一生中，有三分之一的时间是在睡眠中度过的。同食物、空气和水一 样，睡眠对于我们来说，同样至关重要。失眠症患者的衰老速度是正常人的3 倍， 因此充分的睡眠对人的健康是十分必要的。失眠症是一种常见的睡眠障碍，病人 感觉自己睡眠不足，包括睡眠时间、睡眠深度或体力恢复不足，主要表现为入睡 困难、易醒和早醒三种形式，可单独出现，也可多种形式并存。病人常感到精神 萎糜、注意力不集中、记忆力减退、情绪低下、紧张暴躁等，严重时会影响工作 和学习。引起失眠的原因，有躯体因素、心理因素、药物因素、环境因素和行为 因素等。对于失眠要先排除一些外界因素，如身体不适、服用药物、环境噪音、 饮酒及大量喝茶、咖啡等，这些情况下无法入睡是机体正常反应，不是失眠症。 对于失眠和脑神经功能紊乱的治疗，目前有药物治疗、心理治疗和物理治疗 等。 药物治疗是一种使用方便、见效快的方法。但催眠药有宿醉效应，因此司机、 飞行员、高空作业者等不宜服用；长期使用会产生耐药性，用药剂量不断加大； 能引起肝、肾、胃等方面的副作用，因此不宜长期使用，特别是肝肾功能障碍的 一1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 病人。因而人们一直在寻找其他方法替代药物治疗。 心理治疗对由紧张、忧郁、焦虑、兴奋、恐惧等情绪引起的失眠具有不可替 代的效果，这类由心理因素引起的失眠必须通过消除心理障碍才能得以根治。 物理疗法采用声、光、电、磁等作用于人体，用以稳定患者情绪，诱导睡眠。 与药物治疗失眠相比，物理疗法治疗失眠起效较慢，早期常须配合, j 、齐t j 量镇静催 眠药，但由于没有药物治疗对肝肾等功能的损害，也不会产生宿醉效应，因此可 以长期使用。现在市场上有各种各样的催眠仪，其原理一般是产生一定频率的声 音、闪光或电磁场，通过一定方式耦合给使用者，使其脑电波产生同步效应，达 到诱导睡眠的作用。这些仪器对一定人群、在一定程度上有较好的疗效。目前最 先进的是采用脑波生物反馈同步技术实现的物理治疗仪器，适用于各类失眠患者， 总有效率优于传统方法。本设计就是采用这一技术，开发一种疗效更好，更加安 全的小型化催眠仪，尽量降低其成本，使其有可能走进广大用户家中。 另有中医疗法如针灸、穴位磁疗、穴位电疗等，也属于物理疗法范畴。 1 2 脑电生物反馈磁场催眠仪原理 1 。2 1 脑电生物反馈治疗技术 反馈是用于控制过程的一句工程术语，如果将这一概念用于人体内的生态过 程时，就是生物反馈【“( b f ，b i o f e e d b a c k ) 。生物反馈是- - i - 1 新兴的边缘学科， 它涉及医学、生物学、心理学、电子学及控制理论和计算机等学科。在当前的社 会环境下，由竞争引起的过度紧张和疲劳将是导致许多疾病的根本原因。紊乱性 疾病的不断扩展，将可能导致某些器质性病变。对于这类疾病的治疗，传统的医 疗方法得不到良好的效果。采用生物反馈疗法则能有效地缓解和消除由非器质性 因素和精神因素等引起的机体功能失调，并且不会产生药物治疗所出现的副作用。 采用生物反馈治疗的设备有：肌电反馈仪、皮肤湿度反馈仪、皮电反馈仪、脑电 反馈仪及脉搏反馈仪等。 脑电生物反馈( e e gb i o f e e d b a c k ) 是指运用工程技术的方法将正常人平时 自己无法知道的脑电信息( 如振幅、频率等) 检测出来，进行处理变换，再用某 种形式反馈给受试者，使其学习如何增加或保持某种特定的脑电成分，以达到治 疗疾病的目的1 2 1 2 一 东北太学硕士学位论文第一章绪论 国际上脑电波生物反馈研究始于二十世纪六十年代，前期主要采用听觉反馈 途径研究，即把测出的脑电波信息通过扬声器反馈给受试者。八十年代后期开始 出现视觉反馈的研究，将脑电信息通过闪灯或屏幕反馈回来，我国在这一时期也 开始了这方面的研究【2 l 【3 】，之后又出现了磁反馈的研究 3 1 。 研究表明脑电反馈治疗可有效地调节脑部神经的电活动，提高脑神经细胞的 功能，进而改善脑代谢、脑循环以及神经肽等血化学水平。利用脑电n 波生物反 馈可提高脑电中a 节律，并对伴有a 节律降低或消失的疾病如神经衰弱、癫痫、 脑功能紊乱等有一定治疗作用 4 j 。对于失眠症的治疗常用0 波反馈。 1 2 2 电磁场的生物效应 人体从物理角度来说是一个容积导体，除非是直接触电，人体内各类物质主 要以感应耦合而不是传导耦合的方式与周围的电磁场或电磁辐射相互作用。 分子根据其中的正负电荷是否重合可分为极性分子和非极性分子，蛋白质、 d n a 等大分子的偶极矩是其局部偶极矩的矢量和。极性分子及带电自由基在电磁 场中会受到力的作用而重新分布，如果作用力足够大甚至会诱导出分子构象的变 化。在亚细胞水平，细胞膜就是双层结构的介电材料，其跨膜静息电位差为 6 0 1 0 0 m v ，相当于1 0 7 v m 的强电场，因此。电磁场可以对生物膜产生明显效应， 影响离子通道的介电性质，从而影响离子的运输。近年来，大量研究工作聚焦在 极低频电磁场( l ，如空气、铝、镁、氧、硬橡胶 等。反磁质的磁导率略小于真空，即p ， 1 ，在外加磁场作用下极易被磁化，如铁、镍、钴等，磁 导率最高可达数百万。人体组织多属反磁质，也有少数顺磁质如自由基等。人体 的相对磁导率近似于l 。 衡量永磁材料性能有三要素，即剩磁b r 、矫顽力h c 和最大磁能积( b h ) 一 般要求越大越好。具体含义请参考相关文献“。 磁场强度的单位特斯拉在磁疗领域里显得较大，很多文献中依然沿用早期的 单位高斯( g ) ，1 t = 1 0 4 g 。磁场强度现尚无统一的划分标准，根据目前国内外 磁疗应用情况，为了实用方便，可将磁场强度分为微磁场( 3 0 0 1 g ) 。 2 2 2 磁场与电流的关系 磁场与电流有密切关系，电流可以产生磁场，磁场作用也可产生电流，即电 动生磁，磁动生电。 2 2 2 1 电流产生磁场 在电流通过的导体周围可产生磁场，这一磁场的大小和方向，取决于电流的 大小和方向。 ( 1 ) 直线电流的磁场。当电流i 通过直导线时，在导线的周围产生磁场，其磁 力线是一圈圈环绕电流的同心圆，即磁场h 与导线垂直。用右手握住导线，大拇 指若指电流方向，四指头指的方向就是磁力线的方向。离直导线垂直距离r 处的 磁场强度b 与电流i 成正比，与距离r 成反比，即： 日：0 2 1 r ( 2 ) 环形电流的磁场。电流强度为i ，半径为r 的环形电流的磁场，可用右手螺 旋法则来确定。即右手握拳，四指若指环形电流的方向，则拇指方向为环内磁场 垒! ! 茎兰堡主兰堡垒墨 釜三主壁垫壅垦堡塑堡垒墨竺! ! 方向。磁力线从环形导线平面的一侧进去，从另一侧出来，穿过环形平面a 环形 电流磁场强度不均匀，越靠近环形导线圆周处磁场越强。圆心处磁场强度与电流 强度成正比，与圆的半径r 成反比，即 ：0 2 m r ( 3 ) 螺管形电流的磁场。其方向确定同环形电流。若管长比管径大很多则管轴 中段和管口两端的磁场强度为 管轴中点： 日= o 4 ：m i 管口附近： 日= 0 2 n n i 2 2 2 2 磁场对电流的作用 处于磁场中的运动电荷会受到力的作用，这种力称为洛伦兹力。设电荷g 以速 度；在磁感应强度为百的磁场中运动，则洛伦兹力为7 = q v x b ，7 的方向按左手 定则垂直于v 和b ，的大小为 f = q 佃s m a ( 2 7 ) 其中口为；和百的夹角。左手定则规定：伸开左手，让磁力线穿入手心，四指指向 正电荷运动的方向，那么拇指所指的方向就是正电荷所受的洛伦兹力的方向。运 动的负电荷在磁场中所受的洛伦兹力，方向跟正电荷相反。 磁场对通电导体的作用力为对导体中运动电荷洛伦兹力的总和，对磁场b 中 长度为，、电流为，的通电导线的作用力为 f = b i l s i n 0 口为否与7 的夹角。i 的方向按左手定则确定。 2 2 2 3 电磁感应 当一个导体垂直切割磁力线运动时， 动，磁场的磁力线垂直切割导体运动时， 导体内将产生感生电流，相反，导体不 导体内也能产生感生电流，这一现象称 为电磁感应。感生电动势与磁通量随时间的变化率成正比：占= - d ( b t i t ，负号表 示感生磁场总是阻止引起感生电流的磁通量的变化。 一1 2 东北大学硕士学位论文第二章脑电波及磁疗理论基础 2 2 3 磁场的类型及磁疗器械 磁场可分为四类： ( 1 ) 恒定磁场。磁场的大小和方向不随时间变化的磁场称恒定磁场。如磁片和 电磁铁通以直流电所产生的磁场。 ( 2 ) 交变磁场。磁场的大小和方向随时间变化而变化的磁场称交变磁场。如异 极旋转磁疗器产生的磁场。 ( 3 ) 脉动磁场。磁场的大小随时问变化而发生有规律的变化的磁场称脉动磁场。 如同极旋转磁疗器，电磁铁通以脉动直流电所产生的磁场。 ( 4 ) 脉冲磁场。将间歇振荡器产生间歇脉冲电流通入电磁铁的线圈，即可产生 各种形状的脉冲磁场，其大小和方向可随时间而变化。脉冲磁场的频率、波形和 峰值可根据需要调节。 上述第种磁场又称静磁场，后三种又称动磁场。磁场的空间各处磁场强度 相等或大致相等称为均匀磁场，否则称为不均匀磁场。离开磁极越远，磁场越减 弱，磁场强度呈梯度变化。 目前国内外磁疗中应用的磁疗器械按磁场类型分为恒定磁场磁疗器械、交变 磁场磁疗器械、脉动磁场磁疗器械和脉冲磁场磁疗器械四类。 恒定磁场磁疗器械有磁片、磁表带、磁衣、磁帽、磁枕等，磁场强度从几百 到几千高斯，针对不同疾病作用于不同部位或穴位。交变磁场磁疗器、脉动磁场 磁疗器和脉冲磁场磁疗器都是通过一定方式产生所需磁场对一定部位进行治疗， 根据病种不同选择不同的剂量。此外还有多功能综合治疗机，可输出几种形式的 磁场和脉冲电流进行多种治疗。 磁疗的剂量包括治疗部位多少、场强、面积、场型、梯度、时间、间隔等， 其中场强最重要，场强一般分为小、中、大三级，小的磁场强度在5 0 0 g 以下，中 在5 0 l 1 5 0 0 6 ，大在1 5 0 0 g 以上。场强大小应视病情确定，不是磁场强度越大越 好。 磁疗的种类选择都是根据以往经验，各种疾病究竟采取何种方式与剂量更好， 还需进行大量临床实验。 一1 3 。 东北大学硕士学位论文第三章脑电采集部分硬件设计 第三章脑电采集部分硬件设计 人体自发脑电幅值低( uv 级) ，各种波频率和幅值差别较大，且在头皮表面 测得的e e g 信号伴随着各种外界干扰和人自身的心电等干扰，因此脑电的采集对 硬件电路要求很高，必须设计合理，精心调试才能达到要求。 3 1 前置级设计 生物体信号源本身是高内阻的微弱信号源，其阻值根据不同的测量位置及待 测参数而变化，且在测量时阻值不稳定，再加上电极的接触电阻也不固定，这就 要求前置放大器要具有高输入阻抗和高共模抑制比。前置放大器是e e g 采集电路 中的一个最重要环节。输入级应具有如下特性 8 1 ：低输入噪声( 3pv p - p ) ：高增 益( o 5 1 0 3 1 0 1 0 4 ) ；高共模抑制比( 黼8 0 d b ) ；低漂移和高输入阻抗( i o m q ) ；还有低频交流耦合特性( 1 h z 或更低) 等。 当前脑电图机的前置级多采用场效应对管进行差动输入，以实现高输入阻抗。 随着集成电路工艺的不断提高，现在已经出现一些高性能的运放和仪用放大器， 可以根据设计需要加以选择，大大降低设计和调试的工作量，达到事半功倍的效 果。 图3 1 是由三运放组成的脑电前置放大器。其增益a v 为 小【1 + 2 针丽r 7 蚓。 低频截止频率为 五。丽灏划。3 1 8 舷 一1 4 东北大学硕士学位论文第三章脑电采集部分硬件设计 图3 1由三运放组成的脑电前置放大器 对这种形式的电路，如果i c l 和i c 2 的增益相等，则相同的噪声可以抵消。电 位器用以调节上、下两通路的增益，并使之相等，这样就可把噪声减到最小。 - v s 图3 2a d 6 2 0 芯片内部结构图 o u t p l f t r e f 我们在设计前置级时采用了仪用放大器a d 6 2 0 ，这是由美国a n a l o g d e v i c e s 公 司生产的新型集成电路，具有很高的性价比。这种仪用放大器的内部结构类似于 上面介绍的三运放放大器，但由于其集成在一个芯片内，现代工艺可使参数达到 高度对称，从而提高了共模抑制比并降低了噪声。其内部结构见图3 2 。 a d 6 2 0 为8 脚d i p 或s o i c 封装，差动输入，只用一个外接电阻r g 就可以获 得l 1 0 0 0 倍的任意增益，使用十分方便。其增益g 与外接电阻r _ g 的关系为 1 5 东北大学硕士学位论文第三章脑电采集部分硬件设计 g = 了4 9 4 跹+ l 或耻尝g1 ( 3 1 ) 矗g ” 一 a d 6 2 0 输入阻抗极高，可达1 0 gq ；增益大于1 0 0 时，k c m r 一 1 1 0 d b 在0 1 1 0 h z 频带内，其输入电压噪声约0 2 8 u v * ，输入电流噪声约l o p a p _ p 。其他参数可参 阅相关资料。 本设计中使用a d 6 2 0 组成的前置级如图3 3 所示。 图3 3由a d 6 2 0 构成的e e g 前置级 对a d 6 2 0 而言放大倍数越高其共模抑制比越高，并且等效输入电压噪声越小， 但因脑电采集中各种干扰( 特别是5 0 h z 的工频干扰) 在前级放大倍数过高时容易 使放大器饱和而阻塞信号通道。因此必须合理确定前级的增益。在图3 3 中， r o = 内+ r 5 ，从而本级增益为： g l ：塑+ l ：4 9 4 k q + 1 ：4 9 5 日+ r 5 1 0 0 f 2 a d 6 2 0 的输入阻抗( 1 0 g q ) 与r 2 、r 3 相比大三个数量级，在计算输入阻抗 时可忽略，即r j 。一r 2 = 1 0 mq 。c 2 、c 3 的作用是对于电极产生的极化电压进行隔 离，r 2 、r 3 为芯片中的输入级提供对地的直流偏置通路，他们与c 2 、c 3 一起决定 了放大器的输入低频截止频率： 五= 互丽1 = 西面而走丽5 0 3 3 9 h z a d 6 2 0 本身的共摸抑制比大于1 1 0d b ，但要保证整个前置级的共摸抑制比足 1 6 东北大学硕士学位论文第三章脑电采集部分硬件设计 够高，除要求r 2 、r 3 和c 2 、c 3 尽量匹配，还要通过电路设计将一些不利因素减 小。下面介绍一下在生物医学放大器设计中广泛使用屏蔽驱动和浮地跟踪技术。 ( 1 ) 屏蔽驱动 电极到前置放大器有数根约1 米长的导联引线，一般使用屏蔽电缆。这样， 信号通过电缆传输时，在信号线和电缆屏蔽层之间将存在可观的分布电容。屏蔽 层接地时，分布电容变为放大器输入端对地的寄生电容。而两根导联线的分布电 容是不可能完全相等的，加之电极阻抗的不平衡，这就造成了共模电压在放大器 输入端的不等量衰减而转化为差模信号，使放大器的共摸抑制比降低。屏蔽驱动 技术是指，导联线的屏蔽层不予接地，而接到与共模输入信号相等的电位点上， 则共模电压就能不衰减地传送到差动放大器输入端，从而不会产生共模量不等量 衰减形成的共模误差。屏蔽驱动电路的目的是使引线屏蔽层分布电容的两端电压 保持相等。图3 3 电路中r g 由两个电阻串联组成，其中点电位通过同相跟随器引 出，用来做导联线的屏蔽驱动用。 ( 2 ) 浮地跟踪 对于共模电压的抑制能力，除了提高放大器的k c m 外，如果能够设法减小共 模输入在输出端造成的误差，那么就实际提高了放大器的共模抑制能力。为此， 可以把输入级的接地端浮置并跟踪共模电压，即相当于器件的偏置电压都跟踪共 模输入电压。这样，共模电压不能随着信号一起被放大，从而放大器输出端产生 的共模误差电压便大大削弱。这就相当于提高了放大器的共模抑制能力。本设计 中图3 1 3 中的s h dd r v 信号即接到导联屏蔽层做屏蔽驱动，同时接到前置级的地 上做浮地跟踪，前置级的浮地方式在3 4 节讲述。 3 2 增益控制 e e g 信号的幅值在不同频率成分时差别较大，但一般小于2 0 0 l lv ，多处于 1 0 - - - 5 0 l l v 之间。我们的目标是将放大后的e e g 信号用8 0 c 1 9 6 k c 自带的a d 转 换器进行模数转换，其转换区间为0 5 v ，即要把e e g 信号放大到0 5 v 范围内， 所以总增益应为5 v 2 0 0 1 tv = 2 5 0 0 0 倍。但是这样的增益只是满足了不超过测量范 围，当信号幅值很小时，a d 转换误差相对增大。为了解决这一问题，采取了可 变增益策略，最后一级放大器可通过单片机控制选择四种增益之一。我们把增益 分三级实现：前置级如前所述约5 0 0 倍，中间级4 4 0 倍可预调，后级程控可选1 、 1 7 。 东北大学硕士学位论文第三章脑电采集部分硬件设计 5 、2 0 、5 0 倍增益。如将中间级调为2 0 倍，则总增益可有1 万、5 万、2 0 万、5 0 万四档。 图3 4 后级增益可变放大器图3 5 电平调整电路 图3 4 为增益可变放大电路。d g 2 0 1 为四s p s t 模拟开关，每组开关s 、d 两 端的导通与截止由控制端c 决定( c - 0 时o n ，c = 1 时o f f ) , 导通电阻约3 0 q ，截 止漏电流l n a 。按图中接法模拟开关接在运放的反向输入端，其中电流很小j 因此 导通电阻的影响可以忽略。四种增益为g a i n l g a i n 4 分别为低电平时的结果，而 四个开关相互独立，还可以有别的组合情况，可得到1 7 、4 1 倍等。我们舍弃未用。 在整机工作中，对头部进行的磁刺激对于脑电采集而言是强大的干扰，不仅 使信号无法采集，还有可能损坏前置放大器。因此，我们采取了间歇式采集的方 式，即每隔3 0 秒1 分钟采一次e e g ，在采集的几秒钟内停止磁刺激，而在发射 磁场不采脑电的时候，我们通过接通一组模拟开关使前置级的输入端接地，起到 保护作用。我们认为在人入睡过程中脑电变化时是逐渐的，每隔几十秒采样一次 不会对掌握e e g 变化趋势造成影响。 整个e e g 采集部分都使用的是5 v 电源，最后输出信号也是在一5 v + 5 v 之间， 为了满足a d 转换要求，需将其调整为0 v + 5 v ，这只需一加法电路即可，如图 3 5 所示。 1 8 东北大学硕士学位论文 第三章脑电采集部分硬件设计 3 3 模拟滤波器设计 进入放大器前级的脑电信号包含了大量的干扰，必须逐步加以处理才能将脑 电分离出来，这就要用到滤波电路。滤波电路的功能是让指定频段的信号能够比 较顺利地通过，而对其他频段的信号起衰减作用。脑电的频率在o 5 i o o h z ，涵盖 了最为强烈的工频5 0 h z 干扰。为了能有效抑制工频干扰不得不牺牲一点信号的完 整性，好在脑电最有诊断意义的是3 5 h z 以下的部分。我们应用无源高通( r 2 c 2 、 r 3 c 3 ) 、有源低通和有源带阻三种滤波器来实现干扰抑制。 3 3 1 滤波器分类 滤波器可以按不同的方法分类：按所处理的信号是连续的还是离散的，可分 为模拟滤波器和数字滤波器，本节只讨论模拟滤波器，数字滤波器将在第五章讨 论；按是否采用有源器件可分为无源滤波器和有源滤波器；按幅频特性不同可分 为低通滤波器( l p f ) 、高通滤波器( h p f ) 、带通滤波器( b p f ) 、带阻滤波器( b e f ) 和全通滤波器( a p f ) ；按截止频率附近幅频特性或相频特性的不同，可分为巴特 沃斯( b u t t e r w o r t h ) 滤波器、切比雪夫( c h e b y s h e v ) 滤波器和贝塞耳( b e s s c l ) 滤 波器等。 最简单的滤波电路是由电感、电阻、电容组成的无源滤波电路，如上述前置 级的r 2 、c 2 和r 3 、c 3 的阻容耦合结构就构成了两个高通滤波器。无源滤波电路结 构简单，但有电感体积大、不易集成化、电阻对有用信号的消耗以及带负载能力 差等缺点，因此电子电路中多用放大电路与r c 网络组成有源滤波电路，以提高滤 波性能。有源滤波器的优点是：( 1 ) 不使用电感元件，因此体积小、重量轻，也不 需要加磁屏蔽；( 2 ) 有源滤波电路中的集成运放可加电压串联负反馈，使输入阻抗 高，输出阻抗低，输入与输出之间具有良好的隔离，因此只要将几个低阶滤波器 串联起来，就可以得到高阶滤波器，一般不需要象l c 滤波电路那样考虑级间相互 影响；( 3 ) 除了起滤波作用外还可将信号放大，而且放大倍数容易调节。 关于有源滤波器设计的细节问题，请参阅相关文酬1 0 】，这里只介绍系统中用 到的相关电路。 1 9 东北大学硕士学位论文第三章脑电采集部分硬件设计 3 3 2 模拟低通滤波器设计 高阶有源滤波器常由二阶有源滤波器串联得到，所以这里主要介绍二阶有源 l p f 。由两节r c 网络串入运放的正输入端就可以构成简单的二阶l p f ，但这种电 路在截止频率f 0 附近幅频特性较差，过渡带很宽，即品质因数小且不可调。品质 因数o 定义为f = f o 时电压放大倍数的模与通带电压放大倍数之比。 为改善f o 附近特性，可采用如图3 6 ( a ) 所示的二阶压控电压源l p f 。此电 路的通带电压放大倍数为 p = 1 + 二 ( 3 2 ) 传递函数是 截止频率 q 值为 d ；上 。3 一屯 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 图3 6( a ) 二阶压控电压源l p f ( b ) 二阶无限增益多路反馈l p f 这种l p f 的o 值可以按需设置，因而较为实用。但从( 3 3 ) 式看出电路的通 带电压放大倍数应小于3 ，否则爿。( s ) 将有极点处于右半s 平面或虚轴上，电路不 能稳定工作。若希望 3 ，可采用图3 6 ( b ) 所示的二阶无限增益多路反馈l p f ， 这种电路的传递函数是 一2 0 一 丽 盎壶 而 五 “ 东北大学硕士学位论文第三章脑电采集部分硬件设计 其主要性能如下 = 一百r 五2 瓦霭1 q = ( r i i r 2 q ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 从式( 3 6 ) 看出这种滤波电路不会因通带电压放大倍数过大而产生自激振荡， 所以性能稳定。本课题设计中就应用了这种电路。 为了简化电路，高阶滤波器也可以采用单片集成电路，本系统中用到了一片 m a x i m 公司生产的m a x 2 9 1 ，是8 阶低通开关电容滤波器。这一芯片的特点是： 使用方便，只需用一外接电容就可以获得o 1 1 - i z 2 5 k - i z 之间的任一截止频率；巴 特沃斯型，具有优秀的通带平台响应；噪声低；内部集成一独立运放，可用于去 伪差或时钟噪声滤波。芯片是靠时钟振荡来调整频率，转折频率与振荡频率的比 率是l ：1 0 0 ，时钟可由外部输入或由内部振荡电路产生。当由内部产生振荡时， 接在时钟脚的电容( c 。) 决定振荡频率 1n 5 f o , a k n z ) 2 赢 m a x 2 9 1 的典型应用电路如图3 7 所示。 捌 图3 7k t x 2 9 1 典型应用电路 2 1 - 厩 东北大学硕士学位论文第三章脑电采集部分硬件设计 3 3 3 模拟带阻滤波器设计 在生物电信号提取过程中，为了去除人体耦合或系统产生的工频5 0 h z 干扰， 常用带阻滤波器加以抑制。带阻滤波器( b e f ) 又称陷波器，它的功能是让其他频 率的信号正常通过，而在中心频率f o 附近的信号被很大程度衰减。陷波器最常用 于去除工频干扰，当5 0 h z 干扰严重而无法工作时，用5 0 h z 为中心频率的陷波器 来达到抑制干扰的效果。在脑电采集中，由于e e g 信号十分微弱，总是淹没在工 频信号中，必须至少加一级5 0 h z 陷波器才能将脑电信号分离出来。即使应用低于 5 0 h z 截止频率的l p f ，由于实际可实现的滤波器都有较宽的过渡带，其在5 0 h z 时衰减程度有限( 如用m a x 2 9 1 设截止频率f o = 3 5 i - i z ，在5 0 h z 时只有2 0 d b 的衰 减) ，因此陷波器还是必不可少的。 有源带阻滤波器常用双t 阻容网络与放大电路结合构成，图3 8 为本系统中使 用的双t 陷波电路示意图。 图3 8双t 陷波电路 设b e f 滤波器低、高端通带截止频率分别是f ，和如，则阻带宽度b = f p 2 _ f m 一般设计时参数对称，厶处于阻带的中间。即f p ：一f o f o “。b e f 的品质因数q 定 ， 义为中心频率与阻带宽度之比，即q = j _ 。o _ o 。可见阻带越窄，q 越大。对于工频 廿 f o = 5 0 h z ，若使厶 3 5 h z ，则需b 1 6 7 。但q 值不能取太大，因为 实际元件参数有离散性且有温漂，f 0 有时会有一点偏移，并且工频干扰也有一定的 频率漂移，若阻带太窄会使需滤除的干扰不能位于b e f 的有效作用范围内而达不 到滤波效果。一般q 取5 以内即可。 对于图3 7 所示电路，中心频率为 ：j 一。o 2 z r c 一2 2 东北大学硕士学位论文 第三章脑电采集部分硬件设计 品质因数 q = 警 ( 3 取r = 4 7 kq ，c = 6 8 n f ，r 。= 2 7 kq ，r 2 = 2 4 kq ，则f q = 4 9 8 h z ，q 2 5 ，f 。，4 0 h z 。 为了满足双t 网络对电阻、电容对称性的要求，都采用两个电阻阻值为r 的电阻 并联获得r 2 电阻，采用两个容值为c 的电容并联获得2 c 电容。在元器件选择上， 我们使用高精度的金属膜电阻和聚酯电容实现，效果较好。通过p r o t e l 9 9 s e 进行 仿真，理想情况此滤波器阻带最大衰减可达7 0 d b ，实际电路测得最大衰减为5 0 d b ， 可以满足要求。 3 4 隔离级设计 在生物电信号采集时，往往采用涂导电膏等方法以减小电极与皮肤的接触电 阻，以使测出的信号更准确，但这样做却增加了受试者受电击的危险。为了人体 安全的目的，通常在生物电信号测量时采用浮地技术，以实现与人体电气上的隔 离。所谓浮地，即信号在传递过程中，不是用一个公共接地点逐级地往下传送( 如 阻容耦合、直接耦合) ，而是利用诸如电磁耦合或光电耦合等隔离技术。信号从浮 地部分传递到接地部分，两部分之间没有电路上的直接联系，通过地线构成的漏 电流完全被抑制。浮地技术的作用有：减小人体受电击的危险，保障了人体的绝 对安全：消除地线中的干扰电流；提高共模抑制比。 图3 9电气隔离 浮地为浮置部分的等电位点，浮地部分由浮置电源供电，接地部分由工频市 电供电，构成两个独立的供电系统，如图3 9 所示。浮置电源可用电池供电，也可 用d c d c 变换器从接地端电源交换得来。本系统使用了一只由石家庄市永生电 2 3 东北大学硕士学位论文第三章脑电采集部分硬件设计 源厂生产的d c d c 模块y r l 5 d 5 ，为1 w 功率，+ 5 v d c 输入、+ 5 v 9 c 输出，隔 离电压5 0 0 v d c 。 隔离级设计有两种形式，一种是通过电磁耦合。经变压器传递信号；另一种 是通过光电耦合，用光电器件传递信号。光电耦合器件具有重量轻、应用电路结 构简单、成本低廉等突出的优点，在生物医学电子技术中得到广泛应用。变压器 耦合与光电耦合比较，其工艺复杂，成本高，体积大，应用不便，但其线性度、 共模抑制比和噪声性能要比光电耦合好，因此在一些场合仍有应用。 这里介绍一种实用的互补方式光电耦合级电路【1 1 】。这种电路的优点在于能够 通过选择芯片的对称性，提高电路的线性度。图3 1 0 所示互补光电耦合电路的频 带平坦区可达0 - 4 0 k h z ，完全能满足生物电信号的模拟量耦合要求，线性度可达到 0 1 以上。 图3 1 0 电路中，光耦可选用t 1 1 7 ，利用两个光电器件特性的对称性提高耦合 级电路的线性度。p h l 和p h 2 是经过严格挑选的特性对称的两个光耦，运放a 1 和 a 2 工作在线性状态。a 1 通过p h l 形成负反馈。p h l 和p h 2 的电流转移系数分别是 b 和1 5 。，在静态时，根据运放的理想特性及电路结构可知，l = 1 1 ，电容c 中的 电流为0 。当信号“，到达平衡时( t = 0 ) 不难导出 出l = a t , = u l r , ，越1 = p 越d 相应地，耦合输出级a 。有 出l = 8 1 a i o = 俎f 输出 豳o = r p 出f 由于p h z 和p h 2 特性对称，对应某确定的i d 值，层= 屈，所以 d u = 二二u ， ( 3 1 2 ) “ 尼 。 r ，r ，为电路的电压转换比率。 2 4 东北大学硕士学位论文 第三章脑电采集部分硬件设计 图3 1 0互补方式光电耦合电路 在电路设计中，r 3 和c 的设置是重要的，其作用是改善电路的稳定性和频率 特性，光耦的工作速度远低于运放的工作速度，在a i 进入工作的瞬间，a l 由光耦 形成的负反馈环路是断开的，负反馈过程来不及建立，造成a l 输出端电压的过冲。 在负反馈环内引入r 。后，反馈系数变小，从而增加了电路的稳定性。电容c 的引 入，为a l 提供了一个快速反馈环节。 上面的电路经济实用，但参数设定和调试比较复杂。现在已经有多种集成的 隔离放大器可供选择，如采用光耦合技术的i s 0 1 0 0 ，采用电容栅耦合技术的 i s 0 1 2 0 1 2 1 、i s 0 1 2 2 1 2 4 ，采用变压器耦合技术的a d 2 0 2 2 0 4 ，i a l 7 5 2 9 4 等。电 容栅耦合和变压器耦合技术含有类似高频调制、解调的过程，在高精度应用时要