CN101433461B - 脑机接口的高性能脑电信号检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脑机接口的高性能脑电信号检测电路。它包括前置放大电路和后级放大电路，前置放大电路由第一级放大电路经高通滤波电路连接第二级放大电路构成。前置放大电路经50Hz陷波电路和低通滤波电路连接后级放大电路。本检测电路具有高输入阻抗、高共模抑制比、高增益、低噪声、低漂移的特点，同时结构简单、抗干扰能力强、可靠性强。本发明能够作为高性能的脑电信号检测电路，为脑机接口的实现奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及脑电信号检测领域，可应用于脑机接口(BCI)系统。
背景技术
脑机接口主要包括两个方面：脑电信号的检测和脑电信号的识别。其中，脑电信号的准确检测是前提和基础。脑电信号是脑神经细胞传导信息时在大脑皮层或头皮表面电活动的总体反映，属于微弱低频的生物电信号，其幅度一般只有0.5～100uv左右，频率在0.5～40Hz之间，常淹没在强大的背景噪声中，输入信噪比可达1∶105。检测电路设计的关键在于从强大的背景噪声中提取出脑电信号并进行高增益的放大。要采集到清晰准确的脑电信号，检测电路必须具有高输入阻抗，高共模抑制比，高增益，低噪声，低漂移，非线性度小，抗干扰能力强，以及合适的频带和动态范围等性能。放大后的脑电信号经A/D转换器转换后可送入计算机进行处理、分析、记录和显示。
前置放大电路是脑电信号检测电路的核心和关键环节，其设计至关重要，关系到整个系统的性能优劣。孙友明等人设计了一种新型脑电信号放大检测电路(医疗卫生装备，第28卷第1期，2007：15-17)但其前置放大电路结构复杂，增加了许多冗余环节，致使电路成本和功耗增大，不利于微型化和低功耗使用；王三强等人设计了一种新型脑电信号前置级放大电路(重庆大学学报(自然科学版)，第29卷第6期，2006：51-53)虽然结构得到简化，但将仪表放大器作为第一级放大，在第一级增益调节电阻处串联一个330uV的电容，实际中串联如此高容值的电解电容漏电太大。
总之，现有的脑电信号检测电路常存在结构复杂，性能不够理想的问题，限制了在它们在BCI系统中的应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种结构简单、性能可靠的脑机接口的高性能脑电信号检测电路，具有高输入阻抗、高共模抑制比、高增益、低噪声、低漂移、抗干扰能力强的性能特点。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种脑机接口的高性能脑电信号检测电路，包括一个前置放大电路和一个后级放大电路，其特征在于：由电极帽提取的微伏级脑电信号经屏蔽电缆输入所述前置放大电路，所述前置放大电路由一个第一级放大电路经一个高通滤波电路连接一个第二级放大电路构成。由电极帽提取的脑电信号经屏蔽电缆输入所述前置放大电路中的所述第一级放大电路进行差动放大，其输出连接所述高通滤波电路，以消除极化电压产生的干扰，所述高通滤波电路的输出连接所述第二级放大电路，在放大的同时将双端差动输出信号转换为常用的单端输出信号。整个前置放大电路的输出端与一个50Hz陷波电路的输入端连接，通过50Hz陷波电路滤除脑电信号中的工频干扰。所述50Hz陷波电路的输出端与一个低通滤波电路的输入端连接，由于脑电信号频率范围基本上在40Hz以内，通过低通滤波电路滤除脑电信号以外的高频噪声。所述低通滤波电路的输出端与所述后级放大电路的输入端连接，通过后级放大电路对脑电信号进一步放大，使其幅值满足A/D转换器的输入范围。
所述高通滤波电路由电容C1、电阻R6、电容C2、电阻R7组成。电容C1与电阻R6串联，串联后C1的另一端与一个第一运算放大器U1A的输出端连接，R6的另一端接一个第三运放U2A的输出；电容C2与电阻R7串联，串联后C2的另一端与一个第二运算放大器U1B的输出端连接，R7的另一端接一个第三运放U2A的输出。
高通滤波电路用于消除极化电压的影响，滤除脑电信号中的直流和低频成分，为第二级仪表放大器提高增益，进而为提高电路的共模抑制比创造了条件。由于脑电信号的频率下限为0.5Hz，为了不损失其低频分量，高通滤波电路的截止频率设定为0.3Hz。
所述50Hz陷波电路由电容C3、C4、C5、C6和电阻R9、R10、R11、R12、R13及第七、第八两个运算放大器U4A、U4B构成。C3与C4串联、R9与R10串联，然后二者并联构成模块一，C5与C6并联后与R11串联构成模块二，模块二的一端和模块一的C3与C4中间连接，另一端和模块一的R9与R10中间连接，模块一与模块二构成RC双T网络。双T网络的一端(C4与R10连接端)与第七运放U4A的正输入端连接，另一端(R11与C5、C6连接端)与第八运放U4B的输出端连接，第七运放U4A的输出端经串联的电阻R12、R13后接地，R12、R13的公共端与第八运放U4B的正输入端连接，第七、第八运放U4A、U4B的负输入端直接与其输出端相连，构成信号跟随器。
该电路为二阶有源双T带阻滤波器，用于滤除脑电信号中的工频干扰。在50Hz陷波中心处，陷波深度约48dB。
所述低通滤波电路由第九、第十运算放大器U5A、U5B，电阻R14、R15、R16、R17，电容C7、C8、C9、C10组成。第九、第十运放U5A、U5B的负输入端分别直接与其输出端连接，构成信号跟随器；电阻R14、R15串连后与第九运放U5A的正输入端连接，电容C7接在电阻R14、R15的公共端与第九运放U5A的输出端之间，第九运放U5A的正输入端经电容C8接地；第九运放U5A的输出端与电阻R16连接，电阻R16的另一端与R17相连后与第十运放U5B的正输入端连接，第十运放U5B的正输入端经电容C10接地，电容C9连接在电阻R16、R17公共端与第十运放U5B的输出端之间。
低通滤波电路为四阶巴特沃思压控电压源(VCVS)低通滤波器，用于消除脑电信号以外的高频噪声。由于一般人的脑电波频率在0.5Hz到35Hz之间，为了获取完整的脑电信号，其截止频率设计为40Hz。
所述第一级放大电路由第一、第二两个运算放大器U1A、U1B和电阻R1、R2、R3组成。输入信号的两端经屏蔽电缆分别连接第一、第二运放U1A、U1B的同相输入端，电阻R3连接在第一、第二运放U1A、U1B的两负输入端之间，电阻R1连接在第一运放U1A的输出端与负输入端之间，电阻R2连接在第二运放U1B的输出端与负输入端之间，第一运放U1A与第二运放U1B的输出端分别经电容C1、C2与第二级放大电路中的仪表放大器U3的输入端连接。第一、第二运放U1A、U1B的输出之间串接电阻R4与R5，R4与R5的公共端与第三运放U2A的正输入端相连接，第三运放U2A的负输入端直接与其输出端相连，构成信号跟随器，其输出端与高通滤波电路中电阻R6、R7的公共端连接。第三运放U2A的输出端与一个第四运放U2B的正输入端连接，第四运放U2B的负输入端直接与其输出端连接，构成信号跟随器，其输出端与二电缆屏蔽层连接。第二级放大电路由仪表放大器U3和电阻R8构成，电阻R8连接在仪表放大器U3的1、8引脚间。
所述后级放大电路采用反相放大器的形式，由一个第十一运算放大器U6A、电阻R18、R19、R21、电位器R20、电容C11组成。电阻R18与第十一运放U6A的负输入端连接，电阻R19、电容C11并联后一端接第十一运放U6A的正输入端，一端接地。电位器R20连接在第十一运放U6A的负输入端和输出端之间，第十一运放U6A的输出端与电阻R21的一端连接。
第一级放大电路为同相并联输入放大电路，在运算放大器为理想的情况下，同相并联输入放大电路的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大，且其共模抑制比与外围电阻的匹配程度无关。第二级放大电路将双端差动输出信号转换为单端输出信号。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
本发明提供的脑电信号检测电路具有结构简单、抗干扰能力强、增益可调节、稳定性和可靠性高的特点，且对50Hz工频干扰具有较强的抑制能力，能满足脑电信号检测要求，可用于BCI中实现对微弱低频脑电信号的提取。
附图说明
图1是本发明具体实施例的脑电信号检测电路的结构框图。
图2是本发明具体实施例的前置放大电路图。
图3是本发明具体实施例的50Hz陷波电路图。
图4是本发明具体实施例的低通滤波电路图。
图5是本发明具体实施例的后级放大电路图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：参见图1，本脑机接口的高性能脑电信号检测电路，包括前置放大电路1和后级放大电路7。前置放大电路1由第一级放大电路2经高通滤波电路3连接第二级放大电路4构成。第一级放大电路2的输出端与高通滤波电路3的输入端连接，高通滤波电路3的输出端分别与第二级放大电路4的输入端连接，前置放大电路1的输出端与50Hz陷波电路5的输入端连接，50Hz陷波电路5的输出端与低通滤波电路6的输入端连接，低通滤波电路6的输出端与后级放大电路7的输入端连接。后级放大电路7最终输出伏级符合A/D转换要求的电压信号。
参见图2，上述前置放大电路1：由电极帽提取的μV级脑电信号经屏蔽电缆连接第一、第二运放U1A、U1B的同相输入端，电阻R3连接在第一、第二运放U1A、U1B的两负输入端之间，电阻R1连接在第一运放U1A的输出端与负输入端之间，电阻R2连接在第二运放U1B的输出端与负输入端之间，第一运放U1A与第二运放U1B的输出端分别经电容C1、C2与第二级放大电路4中的仪表放大器U3的输入端连接。第一、第二运放U1A、U1B的输出之间串接电阻R4与R5，R4与R5的公共端与第三运放U2A的正输入端相连接，第三运放U2A的负输入端直接与其输出端相连，构成信号跟随器，其输出端与高通滤波电路3中电阻R6、R7的公共端连接。电容C1、电阻R6、电容C2、电阻R7组成高通滤波电路3。电容C1与电阻R6串联，串联后C1的另一端与第一运算放大器U1A的输出端连接，R6的另一端接第三运放U2A的输出；电容C2与电阻R7串联，串联后C2的另一端与第二运算放大器U1B的输出端连接，R7的另外一端接第三运放U2A的输出。第三运放U2A的输出端与第四运放U2B的正输入端连接，第四运放U2B的负输入端直接与其输出端连接，构成信号跟随器，其输出端与二电缆屏蔽层连接。第二级放大电路4由仪表放大器U3和电阻R8构成，电阻R8连接在仪表放大器U3的1、8引脚间，对整体电路的增益进行调节。
运放U1A、U1B、U2A、U2B选用TLC2252芯片，具有高输入阻抗、低噪声、低功耗，低输入偏置电流，低输入失调电压的特点，而且具有满电源电压幅度(轨对轨)输出特性，适合本电路的设计要求。仪表放大器U3选用新型的高精度仪表放大器AD620，具有低输入偏置电流、低输入失调电压以及较宽的输入电压(±2.3V-±18V)范围，共模抑制比可高达100dB，输入噪声很低，小于0.28uV(峰峰值)，带宽120KHz(G＝100)，而且功耗极低，最大电源电流仅1.3mA，电路增益可由1、8引脚间的电阻决定。
所述高通滤波电路3由电容C1、电阻R6和电容C2、电阻R7组成的两组阻容耦合电路构成，用于滤除脑电信号中的直流和低频成分，为后级仪表放大器提高增益，进而为提高电路的共模抑制比创造了条件。由于脑电信号的频率下限为0.5Hz，为了不损失其低频分量，高通滤波电路的截止频率设定为0.3Hz。
由电阻R4、R5和第三运算放大器U2A构成的共模信号取样驱动电路，使共模信号不经阻容耦合电路的分压直接加在仪表放大器的输入端，避免了由于阻容耦合电路中阻、容元件参数不对称导致的共模干扰转化为差模干扰情况的发生。共模信号取样驱动电路提取的共模电压经由第四运算放大器U2B构成的电压跟随器加到两电缆屏蔽层上，构成有源屏蔽驱动电路，使得两电缆屏蔽层由共模输入电压驱动，而不是接地，消除了屏蔽电缆分布电容的影响。第一、第二运算放大器U1A、U1B的正负电源公共端与二电缆屏蔽层连接，不接公共地端，构成浮地跟踪电路，正负电源电压随共模输入电压通过第四运放U2B而浮动，第一、第二运放U1A、U1B的偏置电压跟踪共模输入电压，使第一、第二运放U1A、U1B的输出基本上无共模电压，提高了电路的共模抑制比。整个前置放大电路通过采用阻容耦合电路、共模信号取样驱动电路、有源屏蔽驱动电路和浮地跟踪电路，并选用性能优良的元器件，提高了输入阻抗和共模抑制比，抑制了工频干扰和极化电压的影响。
参见图3，50Hz陷波电路5：其输入端与前置放大电路的输出端连接，由电容C3、C4、C5、C6和电阻R9、R10、R11、R12、R13及第七、第八运算放大器U4A、U4B构成。C3与C4串联、R9与R10串联，然后二者并联构成模块一，C5与C6并联后与R11串联构成模块二，模块二的一端和模块一的C3与C4中间连接，另外一端和模块一的R9与R10中间连接，模块一与模块二构成RC双T网络。双T网络的一端(C4与R10连接端)与第七运放U4A的正输入端连接，另一端(R11与C5、C6连接端)与第八运放U4B的输出端连接，第七运放U4A的输出端经串联的电阻R12、R13后接地，R12、R13的公共端与第八运放U4B的正输入端连接，第七、第八运放U4A、U4B的负输入端直接与其输出端相连，构成信号跟随器。
该电路为二阶有源双T带阻滤波器，用于滤除脑电信号中的工频干扰。在50Hz陷波中心处，陷波深度约48dB。
参见图4，低通滤波电路6：其输入端与50Hz陷波电路的输出端连接，由第九、第十运算放大器U5A、U5B，电阻R14、R15、R16、R17，电容C7、C8、C9、C10组成。第九、第十运放U5A、U5B的负输入端分别直接与其输出端连接，构成信号跟随器，电阻R14、R15串连后与第九运放U5A的正输入端连接，电容C7接在电阻R14、R15的公共端与第九运放U5A的输出端之间，第九运放U5A的正输入端经电容C8接地；第九运放U5A的输出端与电阻R16连接，电阻R16另一端与R17相连后与第十运放U5B的正输入端连接，第十运放U5B的正输入端经电容C10接地，电容C9连接在电阻R16、R17公共端与第十运放U5B的输出端之间。
低通滤波电路6为四阶巴特沃思压控电压源(VCVS)低通滤波器，用于消除脑电信号以外的高频噪声。由于一般人的脑电波频率在0.5Hz到35Hz之间，为了获取完整的脑电信号，其截止频率设计为40Hz。
参见图5，后级放大电路7：其输入端与低通滤波电路的输出端连接，采用反相放大器的形式，由第十一运算放大器U6A、电阻R18、R19、R21、电位器R20、电容C11组成。电阻R18与第十一运放U6A的负输入端连接，电阻R19、电容C11并联后一端接第十一运放U6A的正输入端，一端接地。电位器R20连接在第十一运放U6A的负输入端和输出端之间，第十一运放U6A的输出端与电阻R21的一端连接。本放大电路用于对脑电信号做进一步的放大，使得电路整体放大倍数为两万倍到十万倍左右，输出幅值满足A/D转换器的输入范围。
本发明提供的脑电信号检测电路，没有单独设计高通滤波器，而是采用前置放大电路中的阻容耦合电路作为无源高通滤波器来消除极化电压的影响，简化了电路的结构。通过采用共模信号取样驱动电路、有源屏蔽驱动电路和浮动电源技术，并选用性能优良的元器件，以提高输入阻抗和共模抑制比，抑制工频干扰和极化电压的影响，具有对外围无源器件参数不敏感的优点。最终，该电路具有结构简单、抗干扰能力强、增益可调节、稳定性和可靠性高的特点，且对50Hz工频干扰具有较强的抑制能力，能满足脑电信号检测要求，可用于BCI中实现对微弱低频脑电信号的提取。
使用上述电路前，检验本电路的方法：
采用可产生μV级信号的WY1606L数字合成函数信号发生器提供脑电信号检测电路的输入信号，用于模拟脑电信号的幅值和频率范围，当输入信号频率为20Hz，幅值分别为10uV、20uV、50uV、100uV时，经测试，检测电路对应的输出信号幅值分别为240mV、420mV、1.12V、2.08V。信号具体输出幅值及波动情况如表1所示。可见，在20000倍左右的放大倍数下，输出波动20-40mV，折合到输入端约1-2uV，能够满足放大微弱脑电信号的需要。
表1输入不同幅值和频率信号时的输出情况
Claims (5)
1.一种脑机接口的高性能脑电信号检测电路，包括一个前置放大电路(1)和一个后级放大电路(7)，其特征在于：由电极帽获取的微伏级脑电信号经屏蔽电缆输入所述前置放大电路(1)，所述前置放大电路(1)由一个第一级放大电路(2)经一个高通滤波电路(3)连接一个第二级放大电路(4)构成；所述前置放大电路(1)的输出端与一个50Hz陷波电路(5)的输入端连接，所述50Hz陷波电路(5)的输出端与一个低通滤波电路(6)的输入端连接，所述低通滤波电路(6)的输出端与所述后级放大电路(7)的输入端连接，所述后级放大电路(7)最终输出伏级符合A/D转换要求的电压信号。
2.根据权利要求1所述的脑机接口的高性能脑电信号检测电路，其特征在于：所述高通滤波电路(3)由电容C1、电阻R6、电容C2、电阻R7组成，电容C1与电阻R6串联，串联后电容C1的另一端与一个第一运算放大器U1A的输出端连接，电阻R6的另外一端接一个第三运放U2A的输出端；电容C2与电阻R7串联，串联后电容C2的另一端与一个第二运算放大器U1B的输出端连接，电阻R7的另外一端接一个第三运放U2A的输出端。
3.根据权利要求1所述的脑机接口的高性能脑电信号检测电路，其特征在于：所述50Hz陷波电路(5)由电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13及第七运算放大器U4A、第八运算放大器U4B构成，电容C3与电容C4串联、电阻R9与电阻R10串联，然后二者并联构成模块一，电容C5与电容C6并联后与电阻R11串联构成模块二，模块二的一端和模块一的电容C3与电容C4中间连接，另外一端和模块一的电阻R9与电阻R10中间连接，模块一与模块二构成RC双T网络；双T网络的一端，即电容C4与电阻R10连接端，与第七运放U4A的正输入端连接，另一端，即电阻R11与电容C5、电容C6连接端，与第八运放U4B的输出端连接，第七运放U4A的输出端经串联的电阻R12、电阻R13后接地，电阻R12、电阻R13的公共端与第八运放U4B的正输入端连接，第七运放U4A、第八运放U4B的负输入端直接与其输出端相连，构成信号跟随器。
4.根据权利要求1所述的脑机接口的高性能脑电信号检测电路，其特征在于：所述低通滤波电路(6)由第九运算放大器U5A、第十运算放大器U5B，电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17，电容C7、电容C8、电容C9、电容C10构成，第九运放U5A、第十运放U5B的负输入端分别直接与其输出端连接，构成信号跟随器，电阻R14、电阻R15串连后与第九运放U5A的正输入端连接，电容C7接在电阻R14、电阻R15的公共端与第九运放U5A的输出端之间，第九运放U5A的正输入端经电容C8接地；第九运放U5A的输出端与电阻R16连接，电阻R16的另一端与电阻R17相连后与第十运放U5B的正输入端连接，第十运放U5B的正输入端经电容C10接地，电容C9连接在电阻R16、电阻R17公共端与第十运放U5B的输出端之间。
5.根据权利要求1所述的脑机接口的高性能脑电信号检测电路，其特征在于：所述第一级放大电路(2)由第一运算放大器U1A、第二运算放大器U1B和电阻R1、电阻R2、电阻R3组成；输入信号的两端经屏蔽电缆分别连接第一运放U1A、第二运放U1B的同相输入端，电阻R3连接在第一运放U1A、第二运放U1B的两负输入端之间，电阻R1连接在第一运放U1A的输出端与负输入端之间，电阻R2连接在第二运放U1B的输出端与负输入端之间，第一运放U1A与第二运放U1B的输出端分别经电容C1、电容C2与第二级放大电路(4)中的仪表放大器U3的输入端连接；第一运放U1A、第二运放U1B的输出之间串接电阻R4与电阻R5，电阻R4与电阻R5的公共端与第三运放U2A的正输入端相连接，第三运放U2A的负输入端直接与其输出端相连，构成信号跟随器，其输出端与所述高通滤波电路(3)中电阻R6、电阻R7的公共端连接；第三运放U2A的输出端与一个第四运放U2B的正输入端连接，第四运放U2B的负输入端直接与其输出端连接，构成信号跟随器，其输出端与二电缆屏蔽层连接；第二级放大电路(4)由仪表放大器U3和电阻R8构成，电阻R8连接在仪表放大器U3的1、8引脚间；所述后级放大电路(7)采用反相放大器的形式，由一个第十一运算放大器U6A、电阻R18、电阻R19、电阻R21、电位器R20、电容C11组成；电阻R18与第十一运放U6A的负输入端连接，电阻R19、电容C11并联后一端接第十一运放U6A的正输入端，一端接地；一个电位器R20连接在第十一运放U6A的负输入端和输出端之间，第十一运放U6A的输出端与电阻R21的一端连接。
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