一种高频微弱脑电信号放大采集系统技术方案

本发明专利技术提供了一种能够采集颅外高频脑电信号（30‑200Hz）的系统，包含电路和降噪算法两部分。采集端并联四路相同的模拟放大电路，每一路电路包括第一级放大电路、高通滤波电路、第二级放大电路和低通滤波电路。第一级为全差分放大电路，采用双运算放大器设计，通过集成低噪声运放和小阻值反馈电阻降低输入噪声，尤其抑制电阻热噪声对信号的影响；第一级放大电路的一个输出端接大电容后与另一输出端之间接小电阻，实现无源RC高通滤波电路，能有效抑制直流电压；经过RC高通滤波电路，与仪表运算放大器相连，选取不同的增益电阻实现第二级放大；输出的单端信号通过低通滤波电路，接入模数转换器获取数字化的高频脑电信号，得到四路脑电信号通过主成分分析算法进行降噪处理，在低噪声特性电路的基础上，使用算法提高信噪比，得到最终的高频脑电信号。

A high frequency and weak EEG signal amplification and acquisition system

【技术实现步骤摘要】
一种高频微弱脑电信号放大采集系统系统领域本专利技术涉及高频微弱脑电信号的放大采集系统，属于脑电处理系统领域。背景系统脑电波(EEG)或脑电信号是神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面上的一种总体反映。脑电信号目前在临床医学、教育学、人工智能、脑科学、心理学等学科当中都已经被广泛的应用。脑电信号主要特点：是人体自发产生的，其能量非常微弱，其带宽通常认为在0.1-500Hz之间。根据脑电的频率范围划分，低频脑电信号的频段为(0.1Hz～30Hz)，幅值范围在5～100μV之间。科学发现高频脑电成分(>30Hz)也有着重要的信息，比如在进行ERP实验时诱发的高频脑电成分、癫痫患者的高频脑电成分、警觉状态下高频脑电等，都包含重要的神经生理信息，应用包括病灶区的定位、疾病的诊断、揭示大脑工作过程等一系列研究。脑电信号中的高频成分反映在头皮上的幅值非常小，一般小于2μV，当前临床和实验的头皮脑电采集设备，往往只关注低频段幅值较大的脑电信号成分，对于幅值较小的高频成分并不能完整的记录。目前对脑电信号的高频成分一般基于颅内采集，非侵入式的高频脑电采集存在一定的系统困难，所以目前对于高频脑电的研究大部分基于患者的颅内脑电采集，限制了高频脑电在各方面的研究和应用。采集脑电信号的高频成分，模拟放大电路需要突破一些关键系统。首先，对输入噪声的控制，需要降低模拟电路的输入噪声，提高信噪比。输入噪声的来源主要为运算放大器自身的噪声和电阻热噪声，同时，进行带通滤波，尤其是对低频噪声的抑制尤为重要，因为脑电信号高频成分需要更高的放大倍数，脑电电极会产生极化电压，通常为200mV以内的直流电压，放大倍数过大容易使运算放大器的工作达到饱和，不能正常工作。一种常见的脑电模拟放大电路如附图图1所示，脑电信号的采集通过参考点和采集点的差分电压得到。核心电路是基于仪表运算放大器的第一级放大，放大倍数由R1决定，输出电压反向积分后作为反馈端的输入，消除极化电压带来的影响；截止频率由C3和R2决定。M1为二级放大和滤波模块，输入模数转换器得到数字信号。由于极化电压的存在，而且低通负反馈电路加在仪表放大器输出之后，限制了第一级放大电路的放大倍数。仪表运算放大器的输入噪声随着放大倍数的减小而增大，但对于微弱的高频脑电信号，输入噪声的大小至关重要。由于仪表运算发大器集成化，内部结构中的普通放大器在性能上往往不如独立运算放大器。因此，传统的模拟放大电路方案仅适合低频脑电信号，对于幅值更小的高频脑电信号并不能满足需求。另一种常见的脑电信号放大系统方案如附图图2所示。此电路在反馈路径增加反向积分器，所达到的增益为(R2/R1+1)×(R3/R4+1)，对极化电压的抑制通过积分器和分压电阻来实现。这种电路结构和图1的结构相比，由于采用分压负反馈电路，可以在满足大的放大倍数同时抑制极化电压，避免了信号失真，但带来的问题是电路的不对称性，使得共模抑制比降低，而共模抑制比是衡量脑电放大装置性能的重要参数。同时，由于采用复杂的直流抑制电路，引入了放大器噪声和电阻热噪声。现有的脑电采集电路主要针对低频段的脑电信号或颅内的高频脑电信号，对非侵入式采集的高频微弱脑电信号(幅值小于2uV)的记录不作要求，导致对电路的噪声特性要求不是很高，更不会考虑电阻热噪声带来的影响。热噪声也称为白噪声，是由导体中电子热振动引起的，存在于所有的电子器件和传输介质中，电阻器件的热噪声随着阻值的增加而增加，例如阻值为1k的电阻，热噪声的谱密度为4nv/(Hz)1/2，1kHz之内的噪声电压峰峰值约为0.8uV，所以针对高频脑电信号，电路必须考虑电阻热噪声带来的影响通过对现有方案分析发现，上述方案并不能满足高频脑电信号采集的要求：(1)输入噪声太大，对幅值小于2uV的高频脑电信号不能进行有效的采集；(2)共模抑制比低，共模抑制能力取决于仪表运算放大器的性能；(3)受自身电路结构的影响，直流电压抑制电路的结构复杂，且会引入电阻热噪声和运算放大器自身噪声。本专利技术旨在提供一种能够采集高频脑电信号的放大采集系统，对单个通道的信号同时进行四路采集，使用主成分分析算法对四路信号降噪处理，得到高频脑电信号。每路电路结构相同，包括第一级放大电路，高通滤波电路，第二级放大电路和低通滤波电路。
技术实现思路
针对现有系统的缺点，本专利技术设计一种能够采集高频脑电信号的放大采系统。本专利技术所需要解决的系统问题可以通过以下系统方案来实现。电路的整体结构如图3所示，一个通道的脑电信号同时接入四路相同的模拟放大电路，然后分别接入模数转换器，实现脑电信号数字化后，采用主成分分析算法进行滤波降噪，得到最终的高频脑电信号。每一路的放大电路如图4所示，包括第一级放大电路，高通滤波电路，第二级放大电路和低通滤波电路。第一级放大为双运算放大器构成的全差分放大电路，脑电信号和参考点信号作为输入信号进行第一级差分放大，采用低噪声运放和小阻值反馈电阻来降低输入噪声，尤其抑制电阻热噪声对信号的影响；然后串联无源RC高通滤波电路，第一级放大电路的一个输出端接大电容后与另一输出端之间接小电阻实现对直流电压的抑制，同时减小了电阻热噪声对输入噪声的影响。本专利技术设计的放大电路第二级放大和滤波电路具体方案如下：双端输出的第一级放大电路经过RC高通滤波电路后与仪表运算放大器相连，通过选取不同的增益电阻控制第二级放大倍数。仪表运算放大器的REF端直接与输入信号的共模电压相接。输出的单端信号通过低通滤波电路后去除高频噪声，然后接入模数转换器(24Bit采样，采样率不小于4Ksps)，得到计算机便于处理的数字脑电信号。设计的电路输入噪声的谱密度曲线，如附图5所示，在频率为10Hz以上电路的白噪声谱密度为2nV/(Hz)1/2。由于无源器件的取值存在误差，对电路的共模抑制比有一定的影响，蒙特卡洛分析结果如附图6所示(电阻取阻值误差1％，电容取容差15％)，在频段为30-200Hz之间的共模抑制比高于145dB。因此，设计的电路性能可以满足高频脑电信号(30-200Hz)的采集。得到四路脑电信号后，取1s内的n个数据点构成原始数据矩阵X0，特征维度为4，矩阵大小为n×4。对每一维度的数据进行标准化处理，得到标准化数据。然后对标准化矩阵的每两个维度数据进行相关系数计算，得到相关系数矩阵。对相关矩阵求解特征值与特征向量，特征值的大小代表了特征成分的重要性，较小的值代表这一成分为噪声。然后将特征向量矩阵按特征值大小进行重排列，求逆后保留一个主成分特征向量，其余置零处理，与原始数据和特征向量矩阵进行矩阵运算后得到降噪后的数据，即我们需要的高频脑电信号。本专利技术的优点：(1)本专利技术有效降低了信号的输入噪声，电路结构上第一级放大电路选用噪声特性更好的独立运算放大器搭建差分放大电路，替代常用的仪表运算放大器，使独立运算放大器的低噪声优势在本电路设计中体现；(2)本专利技术考虑了电路结构与电阻热噪声对系统噪声的影响。在计算得到电路的噪声模型的基础上，优化电路结构降低电阻热噪声对系统整体噪声的影响。通过选取R1和R3电阻的阻值，降低系统的热噪声；(3)本专利技术选用两个放大器在第一级进行差分放大，采用对称结构提高了电路的共模抑制比，抗工频干扰能力强，共模抑制比的蒙特卡洛分析曲线如附图6所示；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能够采集颅外高频脑电信号的放大和采集系统，其特征在于，能够采集高频脑电信号的模拟放大电路，由四路相同的放大电路并联构成，对一个通道的脑电信号同时采集，最后通过主成分分析的算法得到颅外高频脑电信号，所述高频脑电信号为30Hz‑200Hz。

【技术特征摘要】
1.一种能够采集颅外高频脑电信号的放大和采集系统，其特征在于，能够采集高频脑电信号的模拟放大电路，由四路相同的放大电路并联构成，对一个通道的脑电信号同时采集，最后通过主成分分析的算法得到颅外高频脑电信号，所述高频脑电信号为30Hz-200Hz。2.权利要求1所述的系统，一个通道的脑电信号同时接入四路放大电路采集，每一路放大电路结构相同，包括第一级放大电路，高通滤波电路，第二级放大电路和低通滤波电路。3.权利要求2所述的系统，其中第一级放大为双运算放大器构成的全差分放大电路，脑电信号和参考点信号作为输入信号进行第一级差分放大，采用低噪声运放和小阻值反馈电阻来降低输入噪声，然后串联无源RC高通滤波电路，第一级放大电路的一个输出端接大电容后与另一输出端之间接小电阻实现对直流电压的抑制，同时减小了电阻热噪声，提升信号的信噪比。4.权利要求2所述的系统，其中第二级的放大和滤波电路：双端输出的第一级放大电路经过RC高通滤波电路后与仪表运算放大器相连，通过选取不同的增益电阻控制第二级放大倍数，仪表运算放大器的REF端与输入信号的共模电压相接，输出的单端信号通过低通滤波电路后去除高频噪声，然后接入模数转换器，获得数字脑电信号。5.权利要求3所述的系统，其特征在于，第一级放大电路采用双运算放大器构成的差分放大结构，如图4所示，U1和U2同向比例放大，闭环输入阻抗将增高；电路放大倍数由电阻R1和R2决定，其中两个R2的阻值相同，放大倍数计算为1+2R2/R1，其中R1控制在500Ω以内，放大倍数要求控制在20倍以内,放大后的差分信号接无源高通滤波电路，U1输出端与电容C1串联，然后与U2输出端接电阻R3，R3阻值要求控制在50KΩ以下。6.权利要求4所述的系统，其特征在于，滤波后的差分信号接入仪表运算放大器U3，要...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小俚，张子睿，张昊，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：北京,11