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腦電物理頭模型數據采集系統的研究
摘要：介紹了腦電物理頭模型數據采集系統的總體設計方案，主要對實驗中所遇到的一些問題進行了系統的分析和解剖，將實驗結果與解析解進行了比較，兩者是相符的。腦電（Electroencephalogram，縮寫為EEG）是大腦神經電活動在頭皮上產生的電位分布。腦電信號比心電信號要弱1000倍左右，約為幾十微伏。本文中所模擬的腦電為毫伏級。腦電的研究包括正問題與逆問題兩個方面。正問題是指在已知腦內電活動源的情況下去分析頭皮上的電位；逆問題是指用從頭皮觀測的電位去反演腦內電活動源的信息。因此，腦電電位的采集對研究腦電問題尤為重要。本文以均勻媒質物理頭模型（即將頭視為一個各向同性且導電均勻的球體）為例介紹EEG電位采集系統，并將電腦活動進行三維成像，用以分析腦電規律及研究腦內電活動。
1 EEG采集系統的設計方案
圖1為EEG電位采集系統的框圖。
首先由信號發生器產生一個頻率為1100Hz的正弦交流電流信號，送到偶極子；然后將自行設計的表面電極——銀電極上產生的電位分布(39個電極左右對稱均勻分布，其中有一個為參考電極，實際測量用的只有38個電極)，通過排線送至模擬開關，各通道的選擇由計算機控制PCI采集卡來實現；接著將腦電信號放大到伏特級；最后將其轉換成有效值送到PCI數據采集卡。值得注意的是，38個電極產生的電位在對稱電極上互為反相。為使計算機識別該信號，加了一個鑒相器。下面對各個部分進行介紹。
2 偶極子電流源的隔離與抗干擾
由于被測信號十分微弱，所以很容易受到來自各方面的干擾，從而被淹沒在干擾和噪聲中。實際測試也顯示出，必須有效地進行隔離、去除干擾，否則將無法測量出需要的信號。在系統中，由于把所有的儀器外殼都完全接地，所以必須在交流信號源及氯化鈉溶液中的偶極子模型之間進行隔離，否則將出現一些不期望的短路電流。鑒于使用的電源是交流電源，所以首先想到到的是使用變壓器進行隔離。考慮到初級和次級耦合電容的影響，專門設計和制作了帶有中心屏蔽層的變壓器，并把中心屏蔽層線圈很好地接地，這樣由耦合電容引起的電流大部分都通過中心屏蔽層直接入地。經帶有中心屏蔽層的變壓器耦合的偶極子電流源電路如圖2（a）所示。這樣的變壓器用了兩級。
圖2 偶極子電流源電路
在圖2(a)中C為變壓器初級和次級產生的耦合電容，A、B為左右對稱(電位大小相等，相位互差180度)分布的一對電極電位測量點，O點接地作為參考點，理論上該點的入地電流為零。由于變壓器副邊的分布電容不一定對稱，使得在O點的入地電流不為零（入地電流分量如圖2（a）中箭頭所示），也就使得Uao、Ubo兩端電位不對稱。解決這個問題的方案有兩個：一是在變壓器輸出端中電位較高側并聯一個可調電容Cr（如圖2（a）所示）。這個方案的缺點是：當環境發生變化時，分布電容有可能發生變化時，使Uao、Ubo將會出現一定的相位差(不為180度)。二是在變壓器輸出端并聯兩個阻值相等的電阻R，中點接地；另外需把G點與地斷開（如圖2(b)所示），分別測量Uao、Ubo。這種方案絕對保證了無入地電流，在對稱電上所測量的相位差為180度，圖2(a)為最終電路。所有的測量電極最后都送到模擬開關進行選通。然后采用差動放大器放大UAG與UOG之差，即Uao=UAG-UOG。
3 三運放差動放大電路的應用
集成運放具有放大差模信號、抑制共模干擾信號和零點漂移的功能。這里采用了三運放差動放大電路，選將兩個同相運放電路并聯后，與一個基本差動放大電路串聯。電路的結構與原理見參考文獻[1]、[3]。這里僅介紹在使用中應注意的幾個問題：（1）為了得到較強的共模抑制能力，在選用運放時，應盡可能使兩個同相的運放特性一致，可選用OP37、LM324等；(2)運放的閉環增益越低，對電阻匹配的精度要求愈高；（3）應盡可能抑制輸入端的共模信號。因為當共模抑制比不夠大時，經放大后，通過空間電容，很容易產生高頻振蕩。這個電路具有輸入阻抗高、共模抑制比高、增益調節方便等優點。
圖3 鑒相器電路原理圖
4 鑒相器
鑒相器是要精確測量出兩相物理量的相位差的電路[2]，而這是只需要判斷出這兩相量是同相還是反相即可。其原理是：相位的比較必須要輸入兩路信號，一路是經模擬開關選通、放大后的信號；另一路為偶極子電流源的電阻R(如圖2（b）所示)上的電位，這樣必定有19個表面電極的電位與該電位同相，與另外19個表面電極反相。兩路信號經放大、限幅后，送到“異或門”進行邏輯異或運算。異或的工作原理是：當輸入信號為同相時，輸出為低電平；為反相時，輸出為高電平。電路原理圖如圖3所示。在圖3中，信號從Input1、Input2輸入到異或門，其中Input2的放大電路與Input1相同，所以在此省略。經異或門邏輯運算后，信號有毛刺產生，所以在其后加了一級II型濾波電路，有效地去除了毛刺，保證了信號的準確性。RMS有效值轉換采用美國模擬器件公司生產的單片真有效值/直流轉換器AD637，它可輸出交流信號的真有效值、平均值、絕對值、dB等。輸出的結果連接到PCI數據采集卡上，由計算機進行數據處理，同時計算機還對模擬開關進行通道控制。
5 結果分析
將腦電電位的測量結果與解析解進行比較，如圖4所示。其中（a）圖為解析解的曲線；（b）圖為實際測量結果的曲線。從圖中可以看出，解析解和測量結果的變化趨勢基本上一致。
圖4 腦電電位分布的比較
從圖4(b)中可以看出，左右電極（以0為參考點）電位大小不相等，并且有單獨的幾個電極的電位偏離了正常的變化趨勢。經過分析得知，由于每個測量電極被氯化鈉溶液（即模擬腦脊液）所腐蝕的程度不一樣，所以每個表面電極對外所呈現的阻抗特性也就不一樣。若輸出阻抗較低的電極的電位，輸出至模擬開關時，后續電路取的電流就較小，電壓降低得就小；反之，電壓降低得就多。
為了提高系統的抗干擾能力，增加系統的穩定性，文中對偶極子電流源采用雙極屏蔽隔離變壓器；在變壓器輸出端并聯電阻使得物理頭模型電位參考點入地電流為零；運用三運
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