脑电信号采集系统设计 （毕业设计41页、13136字）

摘要：脑电信号的获取对脑功能状态检测和脑部疾病的诊断具有重要意义。本文设计了一种获取脑电信号的采集系统。系统设计采用主动电极提取信号，而后将其送入信号的变换与处理部分。信号通过前置放大器、带通滤波器、二级放大器、低通滤波器、三级放大器等电路，得到放大和滤波处理。当信号完成这些变换与处理之后，就能够以适当的大小显示在示波器上。为了抑制干扰，获得较为理想的脑电信号，设计中采取了浮地跟踪、右腿驱动等抗干扰的技术措施。本文着重讨论了系统的整体设计，模块设计和抗干扰设计等。本设计提出了新颖的右腿驱动的改进电路等。电路仿真和实物调试都能很好地印证设计目标，能够采集到较为理想的脑电信号。

关键词：脑电信号；采集；抗干扰

The Design of an EEG Acquisition System

Abstract：The acquisition of EEG is very important for detecting the function state of brain and the diagnosis of some brain disease. A kind of EEG acquisition system is designed in this article. The EEG signal is collected with an electrode, and then is sent to transforming and processing part of the system. It passes through   preamplifier, a band-pass filter, a second amplifier, a low-pass filter and an amplifier which has an adjustable enlargement factor. When it has been amplified and filtered, the signal with proper amplitude can be showed on the oscilloscope finally. To eliminate the interference and acquire ideal signal, the float-ground-following technologies and the anti- interference measures known as right-leg-driven are adapted in the design. Discussions about the overall design of system, mold design and anti-interference design are emphasized in the article. A novel design of right-leg-driven circuit is put forward. The simulation of the designed circuit and the debug of objection can be well corroborated and the ideal EEG signal can be obtained in the system.

Key words: EEG, acquisition, anti-interference

 
目    录

第1章  绪  论 1
1.1  课题背景、目的及意义 1
1.1.1  背景 1
1.1.2 目的及意义 1
1.2  设计的任务及论文完成的主要工作 2
1.2.1 设计任务 2
1.2.2  论文完成的主要工作 2
第2章  脑电采集基础 3
2.1  脑电电极安装 3
2.2  脑电信号采集方法 3
2.3  脑电的性质 4
2.4  设计思路 5
第3章  电路结构设计 6
3.1  脑电采集电路总体方案 6
3.2  前置电路设计 7
3.2.1  前置放大电路概述 7
3.2.2  前置电路结构 7
3.2.3  前置电路器件选型 8
3.2.4  前置电路仿真 9
3.3  陷波电路 11
3.4  低通滤波电路 12
3.5  高通滤波电路 14
3.6  放大电路 15
3.7  电源电路设计 16
第4章  系统抗干扰设计 17
4.1  常用抗干扰措施 17
4.1.1  电极抗干扰 17
4.1.2  采集电路常用抗干扰措施 18
4.2  电源干扰的抑制 18
4.3  “右腿驱动” 19
4.3.1  电路思想 19
4.3.2  “右腿驱动”原理 19
4.3.3  电路改进 21
4.4  屏蔽驱动 23
4.5  浮地跟踪 24
第5章  系统调试 25
5.1  脑电与心电信号的比较 25
5.2  低通电路调试 27
5.3  陷波电路前置电路调试 28
5.4  前置电路调试 29
5.5  右腿驱动电路调试 30
5.6  整体调试 30
结  论 31
致  谢 32
参考文献 33
附录1：放大器性能参数比较 35
附录2：系统设计电路图 36

 
第1章  绪  论
1.1  课题背景、目的及意义
1.1.1  背景
脑电是人脑内部亿万个神经细胞活动在大脑皮层的综合反映，含有极为丰富的信息，不同的思维状态、各种病因及生理情况在不同的大脑皮层反映出不同的脑电信号。临床上采集脑电信号对观察病人思维状况，尤其是癫痫病人的病况有着特殊意义[18]，因此脑电的采集、分析在各种临床诊断应用和认知科学研究中逐渐得到重视。
早期脑电图作为临床上诊断大脑疾病的重要辅助手段，它是将采集到的脑电信号以图形方式显示出来，靠医生分析判断来实现诊断工作的，现在市场上出现的多种多样的脑电处理系统仪器，如脑电向量分析仪、脑电分析仪、动态脑电分析仪、脑电生物反馈仪、数字化脑电综合分析仪等，但无论怎样变化，脑电信号采集部分是少不了的，变化的只是后续处理部分。
随着社会的不断前进发展，家庭保健成为一种趋势，如果能将脑电信号处理系统的前端——脑电信号采集部分独立出来，成为一个系统，和PC机有接口，那么它一定具有广阔的市场前景和较好的经济效益，同时也发挥更大的作用，为人们治病带来便利。另外可以预计由于脑电信号采集部分的独立，脑电信号处理系统价格必然会大幅下降，低价的产品会受到广大医护人员和病人的欢迎，这也有利于家庭保健的推进。
1.1.2 目的及意义
虽然早在1927左右德国神经精神病学家 Hans  berger 就已发现并测得脑电信号[1] ，但要想获得理想的脑电信号，即便是在八十年后的今天依然不是一件容易的事。因此设计并实现脑电信号的采集是非常具有挑战性的，也是锻炼动手能力，分析解决问题能力的好机会。脑电信号处理系统已广泛应用于癫痫、颅内占位性病变 （脑肿瘤、脑脓肿等）、中枢神经系统感染性疾病等，以成为这些疾病以及脑血管疾病的主要诊断措施[7]。脑电信号处理系统能很好的完成脑电信号的采集、处理，为临床诊断提供干净的脑电信号，为医生提供可靠的诊断信息。现在各种脑电信号处理系统都包括两部分：脑电采集、脑电处理。而其中系统更依赖于脑电的采集部分，采集部分采集到的信号干扰大不大，直接关系到后续信号处理部分能否成功进行。
1.2  设计的任务及论文完成的主要工作
1.2.1 设计任务
本设计要求使用模拟电路，设计脑电信号采集的系统电路，并能将信号在示波器上予以显示。即从强噪声背景中提取微弱的脑电信号。
1.2.2  论文完成的主要工作 
1、了解脑电的基本知识，脑电电极安装方法和脑电图的导联法；
熟悉脑电电极安装的国际标准，了解脑电形成的机理，学会脑电电极安装，明白何处可以获得较强的脑电信号。
2、完成脑电放大器的设计；
    设计具有高共模抑制比、高增益、低噪声、高输入阻抗的前置放大器，以及性能较为优良的次级放大器和三级放大器。
3、设计脑电信号的预处理电路；
    预处理电路应该完成脑电信号的带通滤波，消除脑电信号频带以外的干扰。
4、完成脑电的抗干扰；
    此处指消除心电等共模干扰，以及由于屏蔽线对地电容不相等而带来的影响（共模干扰向差模干扰的转化）。应采用共模驱动和右腿驱动来抗干扰，另外还可以采用浮地跟踪的抗干扰技术措施。
5、完成相应硬件电路的调试；
    主要完成脑电信号放大倍数的调节，各功能模块的衔接和功能调试。