基於信號質量對腦電采集模擬前端電路的考慮

關(guan) 於(yu) 腦電信號——

腦電信號是什麽(me) ？

為(wei) 什麽(me) 要提取腦電信號？

提取的基本標準有哪些？

對腦電采集模擬前端電路的設計有哪些啟發？

01、腦電信號是一種怎樣的信號呢？

腦電信號是一種極其微弱的低頻信號，它的幅度一般處於(yu) 微伏級別，頻率在100Hz之內(nei) 。不同的頻段包含了不同的特征腦電信號，例如：32Hz-100Hz是gamma波，其中包含了提高感知、學習(xi) 、解決(jue) 問題任務和認知處理的特征信號；13Hz-32 Hz是beta波，它包含了清醒的警覺意識、 思考、興(xing) 奮的特征信號；8Hz-13Hz是alpha波，其中包含了身心放鬆時的特征信號；4Hz-8Hz是theta波，其中包含了創造力、洞察力、深層狀態、夢想、深層冥想、降低意識的特征信號；0.5Hz-4Hz的delta波中，又包含了深度(無夢)睡眠、身體(ti) 意識喪(sang) 失、修複的特征信號。

基於(yu) 不同的應用背景，提取到的這些頻段波形中的特征信號，為(wei) 算法提供了最直接的數據支持。所以腦電采集模擬前端電路所要做到的就是，從(cong) 人腦裏提取這些頻段裏的幹淨腦電信號。

02、為(wei) 什麽(me) 要提取腦電信號呢？

隨著社會(hui) 的發展我們(men) 發現，生物腦神經細胞會(hui) 在大腦活動時產(chan) 生電位的變化，我們(men) 使用電生理指標來記錄下這一電位變化過程，即得到了波形腦電波（Electroencephalogram EEG）。腦電信號並非雜亂(luan) 無章的波形，其中包含了許多特征信號，而這些信號可以被用來分析人類的情緒、專(zhuan) 注度、甚至夢境等；或者可以用於(yu) 意念打字領域；亦或對ADHA多動症、阿爾茲(zi) 海默症等疾病進行早期篩查等等。這在醫療、教育等方麵為(wei) 人類提供了極大的便利。

03、提取腦電信號的基本標準有哪些？

我們(men) 先來看看成熟腦電產(chan) 品裏麵的具體(ti) 參數，如表1所示：

表1

表1展示了四種腦電產(chan) 品的參數，那這些參數都是什麽(me) 意思呢？

?通道數也就是采集的點位有多少，換句話說就是有多少個(ge) 電極來采集我們(men) 的腦電波。

?輸入阻抗指的是設備輸入端的阻抗大小，總的來說，輸入阻抗越大，設備提取腦電信號的能力越強，即腦電信號能被更完整的提取出來，這是為(wei) 什麽(me) 呢？我們(men) 在後文中會(hui) 具體(ti) 說明。

?噪聲水平指的是腦電采集硬件設備本身的噪音大小，通常我們(men) 的腦電特征波形幅值會(hui) 大於(yu) 1uV，表格中的設備噪聲都低於(yu) 1uV，這樣我們(men) 的腦電信號就不會(hui) 被噪聲所淹沒。

?CMRR（共模抑製比）：這展現了設備抑製噪聲的能力，簡單的說，它是指設備輸出的差模信號與(yu) 共模信號的比值（共模信號一般是指噪聲信號，差模信號則是我們(men) 提取的腦電信號），該比值的絕對值越大，證明設備抑製共模信號的能力越強，提取的腦電信號也越幹淨。

?帶寬：這裏是指模擬電路上的濾波範圍，一般來說我們(men) 會(hui) 在模擬前端電路上加零點幾赫茲(zi) 的高通濾波和幾百赫茲(zi) 的低通濾波來抑製低頻和高頻噪音。

?ADC的分辨率：這個(ge) 參數決(jue) 定了能被采集到的最小信號，也就是說ADC的分辨率越高，越小的信號能被分辨出來，後文中也有具體(ti) 的說明。

04、模擬前端電路的設計標準是怎麽(me) 樣的？

上麵我們(men) 提到了腦電采集設備的具體(ti) 參數，主要包括對信號完整度，噪聲，分辨率的考慮，那麽(me) 下麵我們(men) 來簡單分析一下其中的原理吧：

1. 保證信號完整性

由於(yu) EEG 的振幅處於(yu) 微伏級別，因此必須保持所獲得信號的完整性，否則，特征信號有可能丟(diu) 失。

圖1

我們(men) 對於(yu) 信號高完整性的要求，通過對圖 1的分析，可以更加清楚地了解到腦電采集時的各項指標參數，圖中演示了電路的分壓規則，其中 Vbrain 是需要被提取的EEG 信號，Vout 是可以流入模擬前端 (AFE) 的剩餘(yu) EEG 信號，Z 是電極前的總等效阻抗，Zin 是 AFE 電路的輸入阻抗。

具體(ti) 來說，Z由Zs（皮膚阻抗）、Zse（皮膚與(yu) 電極間的阻抗）和Ze（電極的阻抗）組成。Zs 的值從(cong) 10 KΩ 到 1 MΩ 不等，對於(yu) 非侵入式幹電極，Ze 的值約為(wei) 1 MΩ。Zse 的值隨著電極與(yu) 皮膚貼合情況的不同而發生巨大變化。總的來說，在電極接觸良好的情況下，Z 的預期值約為(wei) 1MΩ。

根據等式（1），當 Zin 顯著超過 Z 時，Vin 無限接近 Vbrian。因此，增加輸入阻抗是一種有效的保證信號完整性而不引入額外噪聲的方法。通常我們(men) 用單位增益緩衝(chong) 器來提高輸入阻抗，因為(wei) 理論上它的輸入阻抗無限大，並且其輸出阻抗無限接近於(yu) 0，這保證了信號能完全的傳(chuan) 入到後級電路。實際上， 即使輸入阻抗並不能真的無限大，隻要達到一定數量級，依然可以滿足我們(men) 的設計需求。例如ADI公司的很多單位增益緩衝(chong) 器輸入阻抗可以大於(yu) 10TΩ。根據等式（2），即使Z達到1MΩ，信號衰減也隻有0.0001%，可以遠遠滿足我們(men) 對於(yu) 信號質量的要求。

2. 低噪音

電子元件具有不可避免的固有噪聲，其中對EEG影響最大的是閃爍噪聲，也稱為(wei) 1/f噪聲或粉紅噪聲）,因為(wei) 閃爍噪聲的頻帶有極大與(yu) EEG特征信號頻帶重疊的可能性，導致該頻段噪聲不能被高低通濾波器或者帶通濾波器消除。因此，所選擇的元件應具有超低噪聲的特性。實際上，許多公司（例如ADI和TI）的元器件1/f噪聲峰峰值可以達到0.5uV以下，有效值則更低，可以用於(yu) 腦電采集電路的設計。

另外，環境中的噪音也是無法避免的。其中，高頻噪音或者低頻噪音可以通過有源或者無源高低通濾波器進行濾除。除此之外，還有工頻幹擾，因為(wei) 我國交流電頻率為(wei) 50Hz，這50Hz工頻噪音在我們(men) 的工作場景中幾乎無處不在，所以我們(men) 可以通過主動屏蔽技術或者右腿驅動電路來抑製50Hz噪音。

3. 高分辨率

係統的分辨率是指係統能捕捉到的最小的信號幅度，通常由模數轉換器（ADC）的最低有效位（LSB）決(jue) 定，n是ADC的位數，是ADC參考電壓。通過計算可以得到一個(ge) 24位參考電壓為(wei) 1.8V的ADC，它的最低有效位數（LSB）。即代入等式（3），可得此模數轉換器的LSB為(wei) 10的負七次方，

也就是說，在前端不加任何放大器的情況下，幅值在V以上的信號都可以被係統捕捉到，這可以滿足對微伏級腦電信號的采集。如果在進入ADC前，電路還有放大器對腦電波進行放大的情況下，更小幅值的信號也可以被捕捉到。或者在這種情況下，可以選擇較低位的ADC進行采集，如16bits。到底如何選擇，是由設計者的需求，比如對麵積、功耗、成本的考慮來決(jue) 定的。

以上就是提取腦電信號進行電路設計時，基於(yu) 信號質量方麵需要進行考慮的一些方麵。當然，除此之後，在設計電路時還有許多因素影響電路的設計方案，包括但不限於(yu) 項目的成本，應用場景，需要的通道數量，對功耗的要求，是否可便攜等。

05、一些基於(yu) 不同需求設計的腦電采集模擬前端電路的例子

eg.1、對於(yu) 有些應用需要的通道數不多，特征信號幅值也比較大，但要求低成本可便攜。圖2就展示了這樣一個(ge) 設計。這是一個(ge) 2通道的腦電采集電路，電極采集腦電信號後直接進入ADC（其中ESD是防止靜電進入ADC燒壞電路設備的元器件，是生物電采集電路的基本元器件），這樣的設計雖然簡單，犧牲了一些性能的優(you) 勢，例如噪聲相對較高。但是，由於(yu) 沒有濾波及放大電路，以及較少的通道數也減少了ADC的輸入，所以它可以實現設備的可便攜性，並且成本也相對較低。

圖2

eg.2、上麵提及的電路雖然可以提取腦電波，但是由於(yu) 通道數，成本，信號質量滿足不了科研級別設備的要求，所以需要更近一步提高設備的性能。圖3展現的則是一個(ge) 8通道腦電采集電路，相比於(yu) 圖2的電路來說，這個(ge) 電路加入了阻容低通濾波，主要是為(wei) 了去除高頻雜波。

另外儀(yi) 表放大器（INA）為(wei) 電路提供了一定的增益，即對采集到的信號進行放大。使用儀(yi) 表放大器的原因是，由於(yu) 其本身的內(nei) 部結構及生產(chan) 工藝，它的噪音很小，器件本身的噪音，這也是設計微小信號采集電路所必須要考慮的。

隨後進入到了8通道同步采集的ADC，這裏為(wei) 什麽(me) 選用同步ADC的，就是說該設備可以同時將8個(ge) 通道采集來的模擬信號轉換為(wei) 數字信號。這樣做的好處就是避免了異步采集造成的時間不同步，因為(wei) 時間的錯位有可能造成一些特征信號的延遲或者丟(diu) 失。

圖3

eg.3那對於(yu) 多通道，且需要的腦電特征信號幅值較小的電路該怎麽(me) 設計呢？圖4則是一個(ge) 比較複雜的腦電采集電路，它可以做到16，32，64，甚至128個(ge) 通道，由於(yu) 市麵上很少有超過8通道的高性能的同步采集ADC，所以在這裏一般選用多個(ge) ADC進行集聯。相比於(yu) 其他兩(liang) 個(ge) 電路，這個(ge) 設計適用於(yu) 對信號質量要求比較高，且對麵積和成本相對比較寬容的應用。

為(wei) 了保證信號的完整性，該設計在電極端加入了單位增益緩衝(chong) 器，使得整個(ge) 電路有較高的輸入阻抗（一般可以大於(yu) 1TΩ）。對於(yu) 噪聲方麵，首先阻容低通濾波（截止頻率大概為(wei) 800Hz）過濾掉高頻及超高頻的噪聲，其次兩(liang) 個(ge) 有源濾波，他們(men) 分別是三階切比雪夫高通濾波，-3dB截止頻率為(wei) 0.5Hz；和三階巴特沃滋低通濾波，-3dB的截止頻率為(wei) 150Hz。

這使得整個(ge) 電路抗噪聲幹擾能力變得很強。另外此處INA的作用和圖4一樣，為(wei) 了將采集到的模擬信號進行放大。對於(yu) 分辨率，選擇一個(ge) 24bit的ADC，信號精度一般能達到0.1微伏，在加上前麵的放大電路，這樣的ADC完全夠用了。

圖4

當然對於(yu) 腦電采集模擬前端電路的設計遠遠不止這3種，具體(ti) 的設計還是要基於(yu) 不同的要求進行分析。本文隻是基於(yu) 對微弱信號提取的基本要素做了簡單的分析，更多深層複雜的電路原理，還需讀者花大量時間進行學習(xi) 理解。