便携式脑电图机的设计

《便携式脑电图机的设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、便携式脑电图机的设计便携式脑电图机的设计杨卫东,王琦(南昌航空工业学院,江西南昌330034)[中图分类号]TI-I772.2[文献标识码]A[文章编号]1002—2376(2006)01—0009—03[摘要]本设计实现了USB接12'的,模拟放大,采样一体化的便携式脑电图机.采用&N2131进行A/D转换控制和PC的USB通讯等工作.通过数字光耦完成电路的隔离.为减少光耦的数量采用了软件模拟的SPI接12'通讯.设计的脑电图机可以在恶劣的电磁环境下完成常规脑电图的检查.[关键词]脑电图;AN2131;USB1

2、875年英国医生理查德?卡顿首先在动物身体上观察到了脑电波,至今脑电图检查已成为神经科的常规检查科目.目前已在脑损伤,癫痫诊断,癫痫药物治疗效果评价,睡眠障碍分析等领域得到广泛应用.此外在哈佛医学院脑死亡诊断标准中,更是把脑电波消失(平坦)作为标准之一.医疗电子的发展使脑电图机对电磁环境的要求也从严格屏蔽房到普通屏蔽网.本设计旨在研究一种能够方便移动,抗干扰性能强,可以在恶劣的电磁环境下如:住院病房,ICU病房,手术室等使用的脑电图机.1脑电图机的发展脑电图机经历了从走纸式记录到电脑数字化的发展过程.走纸式脑电图机以日本

3、光电公司(NIHONKO—HDEN)的EEG一4418机型为典型代表.笔者通过解剖EEG一4418发现,该机使用分立元件的三运放电路为仪表放大器.采用墨水笔在纸介质上描记完成脑电图的记录和显示.无A/D转换电路.每一个放大通道均使用单独的电路板,且需要严格调节共模抑制,放大倍数等参数.整机庞大,移动不方便,需要屏蔽房,采用高性能的隔离变压器完成仪器的安全性能要求.进入九十年代,国内各家公司纷纷对走纸式脑电图机进行改进,开发出了以个人电脑为平台的电脑显示,记录,存储的脑电图机.这一代脑电图机通常使用集成电路的仪表放大器,所

4、有l6个模拟放大通道集中在一块或两块电路板上.在模拟放大通道中加入模拟线性光耦达到安全性能要求.采用ISA或PCI接收稿日期:2005—10—24医疗装备2006第1期口的A/D转换卡.使用中通常不需要屏蔽房,但是在电磁环境恶劣的病房中仍然无法使用.2系统结构人体脑电图物理特性和采集原理如图1所示.活a:8～13I-lznr厂rrr_—_^～rrI5OVp:14-30Hz^卜^喇11^卜N卜小^VI5OV0:4～7Hz厂,r,,,厂u,厂,^/,I5OV圈2系统结构圈从头皮电极获得脑电信号,经电缆到前置放大器逐级

5、放大并进行模拟滤波处理.滤除高频信号,信号经过模拟开关电路送入A/D转换器,转换后经过信号隔离进入AN2131控制系统,再经过USB接口送入手提电脑.3前置放大器前置放大器的性能从根本上左右了整台仪器性能.由于脑电信号的幅度值范围为10100,频率在0.5—30Hz之间,属于差模信号.空间市电50Hz干扰在不同的环境下不同,但大多在mV数量级,属于共模信号.电极与皮肤接触的极化电势在l09+10Vm(DllD2一r1m0221K3:l_NA1]l一D1一,一1KD12100mV之间,接触电阻在1—10kohm之间.因此前

6、置放大器的设计需要很高的共模抑制比,和很高的输入阻抗,这样才能从50Hz共模干扰中提取脑电差模信号,并且减少共模干扰转变为差模干扰.因此第一级采用仪表放大器放大几十倍,本设计采用INAll8集成三运放电路,极大简化电路,并达到了极高的共模抑制比和输入阻抗.第二级采用陷波电路.本设计采用无源双T陷波电路,电路的电阻和电容经过精心匹配,有很好地滤除50Hz干扰.第三级采用高通滤波器,滤除极化电势产生的直流电位.第四级放大电路,使总放大倍数达到10000倍.第五级采用低通滤波器,截止频率设置在30Hz,可进一步滤除50Hz和高

7、频干扰,并作为A/D转换前的防混迭滤波器.为了使放大通道不阻塞,前置放大器采用+/一10v供电,使之有较大的动态范围.在输出时可以把动态范围规定在0—5V.从而满足A/D转换中对输入电压的要求.电路原理图如图3所示.4信号隔离部分由于脑电产品安全级别属于医疗器械I类BF型,因此需要采用隔离技术.数字高速光耦的发展,使数字隔离成为可能.笔者通过实验发现,数字光耦隔离比较模拟光耦隔离有很多优点.第一,由于是先进行A/D转换,数字信号再通过光耦,因此光耦的噪声不对信号产生影响,使放大器的输入短路噪声大幅降低.第二,由于模拟隔离

8、是在每一个放大通道上设置光电隔离,因此共需要16个光电耦合器,因此隔离性能会大大降低.泄露到A/D转换前的50Hz干扰较多,使脑电图的基线变粗.同时漏电流增加,安全性能降低.而数字隔离则只需要4个光耦.第三,脑电放大器要求16个通道严格一致.但是模拟光耦的参数一致性很差,因此需要逐个调节,10为生产带来麻烦,不利于产