脑电滤波的来源及意义（脑电信号调理电路设计）

张学军，温 炜

（ 南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210003）

摘要：提取脑电信号是进行脑电信号分析的第一步，其中关键的技术之一就是信号调理电路的设计。脑电信号是极其微弱的生物信号，对噪声极为敏感、对放大器性能要求较高。设计了预处理电路中的放大以及滤波电路，具有元器件简单、价格低廉等特点。测试结果表明，该系统具有良好的放大及滤波性能。

0引言

生物科学尤其是脑科学的研究已经进入高速发展的时期，现阶段用于脑电信号分析的仪器设备通常是脑磁图仪或者脑电图机。而脑磁图仪因其体积庞大、价格昂贵，只能被专业机构使用。脑电图机的普及相对容易，更易被用户接受。

脑电图机的性能、价格、体积、是否易于普及等特性，在很大程度上取决于脑电信号调理电路的设计，这也是脑电图机最为关键的技术之一。

脑电信号（EEG）是极其微弱的生物信号，频率集中在0.5~100 Hz，幅值只有5~100 μV［1］。因此EEG信号极易被淹没在噪声之中。噪声包括外部噪声，如50 Hz工频干扰、环境中高压电源的噪声、人体与电流耦合的噪声等；以及内部噪声，如电极引出信号时的噪声、元器件内部的热噪声等。此外，小信号的放大也是难点之一。要将EEG信号放大至能被A/D转化器所识别的大小，整个系统至少需要达到上万倍的增益。脑电信号调理电路的主要任务就是对脑电信号进行滤噪及放大。

1系统总体设计

系统总体设计思路是保证系统具有“三高两低”的特性，即高增益、高输入阻抗、高共模抑制比和低噪声、低漂移［2］。该系统电路分为放大电路、滤波电路以及电平抬升电路。由于脑电信号的特殊性质，为避免噪声影响，EEG放大无法一次到位，需分2~3级逐级放大。滤波电路用来滤除0.5 Hz以下以及100 Hz以上的信号，同时滤除50 Hz的工频干扰噪声［3］。调理电路总体设计框图如图1所示。

2调理电路设计

按照总体框图中各个模块分部分阐述具体电路的设计工作。

2.1EEG输入

国际上把头皮电极定位的标准方法称为10-12系统法。本系统采用单通道，将两片医用电极分别贴在太阳穴的两侧，第三片电极贴在耳垂处起到接地的作用。采集到的头皮信号同步送入下一级差分放大电路。

2.2放大电路

2.2.1前置放大电路

该电路是除了电极之外首先接收并处理脑电信号的模块。脑电信号只有μV级别，需要放大上万倍。但是初次放大不宜过大，此时噪声没有被滤除，它对EEG信号的影响极大，过度放大极易使噪声淹没有效信息。由此考虑，设置初级放大的增益为20，器件选取AD620。AD620能够满足放大需求，并且具有抗干扰能力、功耗低、价格便宜等特点［4］。其增益G的计算公式为：

G=49.4 kΩ/RG 1（1）

外接电阻RG取2~3 kΩ，此时G约为20，共模抑制比约为110 dB。

2.2.2后级放大电路

经过初次放大，放大增益仍不能满足设计需求，需要第二级放大。后级放大电路设计增益大约为500倍,如式（2）所示，电路如图2所示。

其增益G的值与R1和R2有关，将R2设置为滑动变阻器即可动态调节增益。不同受试者或同一受试者处于不同状态时，其脑电信号振幅会有所差异，可适时调节。

2.3滤波电路

2.3.1高通滤波电路

此电路负责滤除0.5 Hz以下的信号，采用了压控电压源二阶高通滤波器。其传递函数为：

其中,C1=C2=4.7 μF,R1=47 kΩ,Rf（R2）=30 kΩ,R3=R4=100 kΩ，得到截止频率为：

电路图以及波特图如图3所示。

2.3.2低通滤波电路

脑电信号的主要频率集中在100 Hz以内，因此可将大于100 Hz的信号直接滤除，该电路传递函数为：

电路图以及波特图如图4所示。

2.3.3陷波电路

我国市电电压的频率为50 Hz，它同样会对设备造成严重的干扰，这一干扰称为工频干扰，抑制它的电路是陷波电路。通常情况下，采用的解决方案是“双T”陷波电路［5］。传递函数为：

电路图以及波特图如图5所示。

2.4电平抬升电路

A/D转化器能识别的标准电压大多在0~3.3 V，呈单极性。保证EEG信号负电压的部分不受损失，需要将其抬升至标准电压内。电平抬升电路如图6所示。

调理电路设计并制作完成后，对系统性能进行测试，结果如下。

3.1低通滤波电路测试

设计的截止频率为100 Hz，测试时，维持滤波器输出端的电压为10 V，改变输入信号的频率，结果如表1所示。

电压在100 Hz截止频率之后出现快速的衰减，在95 Hz的时候仍能保持较高的峰峰值。

3.2陷波电路测试

测试方式与上文相同，结果如表2所示。

3.3系统整体测试

本系统前置放大电路实际增益为19，后级放大为578，总体增益为10 982倍，达到设计需求。

4结论

本文设计了脑电信号调理电路，完成了信号的头皮采集、放大、滤波等预处理工作，并对该调理电路的性能做了分析。总体上达到了设计目标。该电路仍有可改进的地方，如加入缓冲电路、右腿驱动电路等。

参考文献

［1］ 陈长伟，谷秀凤. 备考江苏省计算机等级考试（二级VFP）策略［J］.经济研究导刊,2010(4):8586.

［2］ 钟文华. 基于ARM的脑电信号采集系统［J］. 电子设计工程,2008(2) :13 15.

［3］ 谢宏,李亚男,夏斌. 基于ADS1299的可穿戴式脑电信号采集系统前端设计［J］.电子技术应用,2014,40(3):8689.

［4］ 李永建，李舜酩，郝青青，等. 微弱振动信号自适应采集系统设计［J］. 现代电子技,2009,32(5):187 190.

［5］ 史骏，彭静玉. 基于双T网络的50Hz陷波电路设汁［J］. 科技信息,2011(21):121122.

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