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腦電物理頭模型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究
摘要：介紹了腦電物理頭模型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，主要對(duì)實(shí)驗(yàn)中所遇到的一些問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和解剖，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與解析解進(jìn)行了比較，兩者是相符的。關(guān)鍵詞：腦電（EEG） 數(shù)據(jù)采集 鑒相器 差動(dòng)放大器
腦電（Electroencephalogram，縮寫(xiě)為EEG）是大腦神經(jīng)電活動(dòng)在頭皮上產(chǎn)生的電位分布。腦電信號(hào)比心電信號(hào)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(jí)。腦電的研究包括正問(wèn)題與逆問(wèn)題兩個(gè)方面。正問(wèn)題是指在已知腦內(nèi)電活動(dòng)源的情況下去分析頭皮上的電位；逆問(wèn)題是指用從頭皮觀測(cè)的電位去反演腦內(nèi)電活動(dòng)源的信息。因此，腦電電位的采集對(duì)研究腦電問(wèn)題尤為重要。本文以均勻媒質(zhì)物理頭模型（即將頭視為一個(gè)各向同性且導(dǎo)電均勻的球體）為例介紹EEG電位采集系統(tǒng)，并將電腦活動(dòng)進(jìn)行三維成像，用以分析腦電規(guī)律及研究腦內(nèi)電活動(dòng)。
1 EEG采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
圖1為EEG電位采集系統(tǒng)的框圖。
首先由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)頻率為1100Hz的正弦交流電流信號(hào)，送到偶極子；然后將自行設(shè)計(jì)的表面電極——銀電極上產(chǎn)生的電位分布(39個(gè)電極左右對(duì)稱(chēng)均勻分布，其中有一個(gè)為參考電極，實(shí)際測(cè)量用的只有38個(gè)電極)，通過(guò)排線(xiàn)送至模擬開(kāi)關(guān)，各通道的選擇由計(jì)算機(jī)控制PCI采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)；接著將腦電信號(hào)放大到伏特級(jí)；最后將其轉(zhuǎn)換成有效值送到PCI數(shù)據(jù)采集卡。值得注意的是，38個(gè)電極產(chǎn)生的電位在對(duì)稱(chēng)電極上互為反相。為使計(jì)算機(jī)識(shí)別該信號(hào)，加了一個(gè)鑒相器。下面對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行介紹。
2 偶極子電流源的隔離與抗干擾
由于被測(cè)信號(hào)十分微弱，所以很容易受到來(lái)自各方面的干擾，從而被淹沒(méi)在干擾和噪聲中。實(shí)際測(cè)試也顯示出，必須有效地進(jìn)行隔離、去除干擾，否則將無(wú)法測(cè)量出需要的信號(hào)。在系統(tǒng)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(hào)源及氯化鈉溶液中的偶極子模型之間進(jìn)行隔離，否則將出現(xiàn)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(jìn)行隔離�？紤]到初級(jí)和次級(jí)耦合電容的影響，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)和制作了帶有中心屏蔽層的變壓器，并把中心屏蔽層線(xiàn)圈很好地接地，這樣由耦合電容引起的電流大部分都通過(guò)中心屏蔽層直接入地。經(jīng)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(jí)。
圖2 偶極子電流源電路
在圖2(a)中C為變壓器初級(jí)和次級(jí)產(chǎn)生的耦合電容，A、B為左右對(duì)稱(chēng)(電位大小相等，相位互差180度)分布的一對(duì)電極電位測(cè)量點(diǎn)，O點(diǎn)接地作為參考點(diǎn)，理論上該點(diǎn)的入地電流為零。由于變壓器副邊的分布電容不一定對(duì)稱(chēng)，使得在O點(diǎn)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(duì)稱(chēng)。解決這個(gè)問(wèn)題的方案有兩個(gè)：一是在變壓器輸出端中電位較高側(cè)并聯(lián)一個(gè)可調(diào)電容Cr（如圖2（a）所示）。這個(gè)方案的缺點(diǎn)是：當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，分布電容有可能發(fā)生變化時(shí)，使Uao、Ubo將會(huì)出現(xiàn)一定的相位差(不為180度)。二是在變壓器輸出端并聯(lián)兩個(gè)阻值相等的電阻R，中點(diǎn)接地；另外需把G點(diǎn)與地?cái)嚅_(kāi)（如圖2(b)所示），分別測(cè)量Uao、Ubo。這種方案絕對(duì)保證了無(wú)入地電流，在對(duì)稱(chēng)電上所測(cè)量的相位差為180度，圖2(a)為最終電路。所有的測(cè)量電極最后都送到模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行選通。然后采用差動(dòng)放大器放大UAG與UOG之差，即Uao=UAG-UOG。
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