源低功耗程控接口脑电放大器的研制

新型４通道单电源低功耗程控接口

脑电放大器的研制

詹彤

张健雄

（广东技术师范学院工业中心，广东广州５１０６６５）

【文章编号］１（１０２—２３７６｛２００４）０７一０００４—０４

【中图分类号］ＴＨ７７２＋．２

【文献标识码］Ａ

［摘要］本脑电放大器针对现有同类电路缺点进行改进，采用了最新一代高性能模拟与混合信号集成电

路芯片，优化了电路结构并通过精细的电路工艺措施实现了噪声电压１．９ｍ—Ｐ、共模抑制比１００ｄＢ、输入阻

抗８０Ｍ０、基线漂移小、单电源５Ｖ供电和工作电流一Ｊ、于１０ｍＡ等电路指标，并实现了增益控制和滤波控制的数字化接口。１年的应用表明该放大器安全省电、体积小、结构简单、性能稳定，非常适合作为便携式智能型脑电图仪器的前端。

（关键词］脑电放大器；右腿驱动电路；共模抑制比；仪表放大器；开关电容滤波器

ＡＤｅｓｉｇｎｏｆ４一ｃｈａｎｎｅｌＬｏｗ—ＰｏｗｅｒＳｉｎｇｌｅ—ＳｕｐｐｌｙＥＥＧ

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ｆｉｌｔｅｒ

１概述

断改进，但脑电放大器的实现仍然是棘手的难题。

长期以来脑电图（Ｅｌｅｃｔｒｏｅｎｃｅｐｈａｌｏｇｒａｐｈ，ＥＥＧ）

首先，人体脑电信号幅值十分微小（∥），脑电信

主要应用于临床神经诊断和认知生理心理学研究。号源的输出阻抗却很高（ｋＱ），并含有接近直流的

近年随着将脑电生物反馈技术作为一种手段用来治低频成分（如图１所示）；第二，在普通生活环境疗儿童多动症、神经衰弱等疾病的研究取得显著进中测量时人体处于工频干扰、肌电干扰等强大背景展，脑电图技术开始走出医院和实验室，国外市场

噪声之中，信躁比通常低于一１０ｄＢ；第三，必须上出现了多种家庭自我保健用途的小型脑电图仪。

考虑被测者的生理自然性和保证操作安全性等。

我们从２００２年开始研制便携式脑电生物反馈仪，这些因素决定了小型脑电图仪器上的脑电放大

在工作中我们感到：作为仪器系统最前端的脑电放

器必须满足表１所列的要求。

大器从根本上左右了整个仪器系统的性能，是整个

潴鸣麴＜］

系统成败的关键。

然而，由于人体脑电信号本身，被测对象以及

测量环境等因素的特殊性，虽然经过了数十年的不

≮煨剖ｖ厶ｎ、辕阱ａ：８４－一１３Ｈｚ黼窭专０州：４小－５ｓ０叩ｔ，Ｖ

ｒ铡—Ｔ一

７Ｉ－ｋ４Ｈ：答１ｔ

收稿日期：２００４—０４—２９

图１人体自发脑电物理特性及采集方法示意图

４

Ｍｅｄｉｃａｌ

ＥｑｍｐｍｍｔＶ０１．１７，Ｎｏ．７

表１对小型脑电图仪器上的脑电放大器的要求性能指标要求

本机噪声低

意义和作用

放大ＥＥＧ的同时，保证微弱的脑电信号不被淹没于放大器内部的噪声中。

适应脑电信号源的高输出阻抗特点。

、

（３）没有程控接口。小型仪器要嵌入微处理器

（ＭＣＵ）来实现智能化和信息化，智能化的脑电图仪器需要实时动态地调整放大器的增益和频率响应，但现有的设计方案只有机械旋钮的手动调节方

式，不能实现ＭＣＵ的动态监控。

（４）滤波的选择性不好。．在脑电图仪器中滤波跟放大同等重要，现有方案的滤波器在高频端衰减

（≤３胛）、高增益

高输入阻抗

（≥５凇）

高共模抑制比（，＞８０ｄＢ）

可实时动态地调整放大器增益

选择性好、可实时动态调节频响（１．５—

抑制工频干扰、肌电干扰、温度漂移等。

适应人体的个体差异以及出汗、电极松动等条件变化。

适应脑电信号显著的频率差别，并实现信号Ａ／Ｄ变换前的抗混叠滤波。

减少电极和连线相对头皮移动时出现的伪差。

仪器小型化和安全性的要求。

太缓慢，对５０Ｈｚ干扰衰减不够大；对ＥＥＧ信号的

选择性也不好。

（５）没有采用“右腿驱动”电路。有研究表明：所有生物电检测放大器都应采用“右腿驱动”

４０№）的滤波能力

基线漂移小，饱和恢复时间短

体积小、重量轻、低功耗、电池供电

电路。

针对现在方案的缺点，我们研制了这种４通道

单电源、低功耗、带程控接口脑电放大器，并用作

我们研制的便携式脑电生物反馈仪的前端，经过将近１年多的试验，证明性能稳定，效果良好。

２电路设计原理

图２是脑电放大器结构原理框图。放大器有４

可见实现脑电放大器的主要困难在于高增益放

大的同时去除各种干扰，即保证良好的信噪比和环

境适应性。国内外许多生物医学工程工作者对脑电信号的检测进行过研究，得到了许多宝贵的经验和有益的结论。目前有很多现成的脑电检测放大器方

个差分通道，４个通道共用１个参考电极，４个通

道各有１个活动电极，活动电极在头皮上安放位置按照国际脑电图学会制订的１０～２０系统标准。“右

腿驱动”电路驱动地电极，所以总共用了６个电极。

图３的线路图只画出１个通道。

整个放大器用单＋５Ｖ电源供电，全部模拟器

案可参考，但对于便携式脑电图仪器来说，这些方

案存在以下几个方面的缺点：

（１）电源电路复杂、功耗大。仪器的模拟电路

用正负两组电源工作，＋５Ｖ电源给逻辑电路供电。

模拟电路跟逻辑电路衔接困难。

（２）电路发生饱和后恢复时间太长。由于被测

人体有活动，电极与头皮间发生移位时，放大器不可避免出现基线漂移甚至饱和的现象，其后放大器

需要数秒才能恢复原先的工作点。

圈２脑电放大器结构原理框圈

医疗装备２００４第７期

５

件都可以在５Ｖ电压下正常工作并具有“轨到轨”１／４ＭＣＰ６１９（ＩＣ８）和数字电位器ＤＳｌ８４４（ＩＣｌｌ）构

输出特性。所需要的＋２．５Ｖ基准电压由地Ⅸ７４０３内部电阻分压后经过一个跟随器（ＩＣｌ２）供给。因

此放大器的ＥＥＧ输出电压已经偏置在Ｏ０５Ｖ的范围，很方便接入ＭＣＵ内置的Ａ／Ｄ转换器处理。

成，等效电路如图４。

ＤＳｌ８４４集成了４个数字控制线性电位器，有６４级无触点滑动抽头，工作电流小于２ｍＡ，５一线串行控制格式的程控接口，在ＭＣＵ的监控下可实现大范围实时动态增益调节。例如自动增益控制功

单片仪表放大器大大简化了关键的输入级电路设计，目前已经普遍采用。本电路中的放大器输入级ＭＡＸ４１９４（ＩＣｌ）仪表放大器采用了激光晶片校

准技术，不必调整已经具备高ＣＭＲＲ、高输入阻抗

能。四运放芯片ＭＣＰ６１９静态电流１００越。

ＭＡＸ７４０３（ＩＣ９）是８阶椭圆响应开关电容滤

波器；具有非常陡峭的滚降特性（滚降速度

ｒＩＩ

特性，静态电流只有９３越，只要在１脚和８脚间

ｆ＾１＾

Ｉ．２，如图５），芯片体积小、转折频率和Ｑ值精

接上电阻Ｒｃ以设置所需的增益Ｇ，ＧＩＩ

１ＤＵ－ＩＧｌｚ＋１，

ｎｃ．

度高、漂移小、可动态调节等优点。工作电流

图３中Ｒｃ被分解成为两个电阻Ｒ１和Ｒ２串联，目

２ｍＡ。ＭＣＵ通过程控滤波接口的ＣＬＫ端可连续控

１

的是从中间取出该通道的共模电压。虽然理论上认为放大器输入级增益愈大则整体噪声性能愈好，但

ＩＣｌ增益设置愈大则它愈容易发生饱和，所以只好

制转折频率：ｆｃ＝志ｈ，若‰＝４０００Ｉ－Ｉｚ，则放大

器的高频一３ｄＢ点ｆＨ＝４０Ｈｚ，在ｆ＝５０Ｉ－ｈ处衰减６０ｄＢ，能有效抑制过大的工频干扰。

开关电容滤波器的共同缺点是有时钟穿透效应，用Ｒ１３和Ｃ４可以有效抑制。椭圆滤波器的缺

根据实际效果来调整确定。这里输入级增益设置为１７倍。

４个通道的共模电压进入Ｒ１、１ｔ２、Ｒ３、１ｔ４构

点是相位失真较大，但用在如脑电生物反馈仪这种

不关心信号相位失真的场合还是非常适合的。

成的平均器，输出为４个通道共模电压的平均值，该信号经过放大器ＩＣ６的反相驱动后回馈到人体的地电极，跟输入端的共模电压相叠加，从而减小了共模电压的输入值。该电路实际上是人体共模电压负反馈技术，这种技术有助于提高放大器的共模抑制比。因为在心电图检测中该电路接人人的右腿电

极，所以叫“右腿驱动”电路，作用是安全保护和抗干扰。虽然在电池供电的仪器中没有电击的危

３电路工艺措施

由于共模抑制比主要由电路的对称程度决定，

所以为了防止共模干扰信号向差模转化，必须尽可

能保证仪表放大器两输入端的对称性。不能接大电

阻构成偏置回路，这样会破坏输入电路的对称性。

人体皮肤电阻已经提了供输入端的直流偏置。

此外，连接放大器与电极的电缆应使用绞合的多芯线即可，不需要屏蔽，如果使用了屏蔽线，则要安装屏蔽驱动电路来驱动屏蔽层，否则会破坏输

险，但实践证明“右腿驱动”电路接法优于把放大

器的“地”直接人体的接法。“右腿驱动”电路要求ＩＣ６必须具有微电流工作的能力，ＭＡＸ４２５１是超低噪声，超低失真，大动态范围运放，输入端偏置

入电路对称性。

全部使用表面贴装工艺器件，本放大器已经在４×２ｅｍ的ＰＣＢ上装配实现。４实验结果

用本文提出的脑电放大器进行了人体自发脑电采集实验。用头套把盐水电极压在头皮上，活动电

４０２０

ｆｃ１１４０Ｉ－Ｉｚ

电流仅１ｐＡ，静态工作电流４００肚。

由于每个通道的两个电极与皮肤之间的电化学

作用，各自产生了极化电压，一般不能完全相互抵消，所以形成了无用的直流信号，必须在电压放大级之前用交流耦合将它们消除，否则电压放大器输出会饱和。图３中ＩＣ７、Ｃ１、Ｒｌｌ组成的有源积分器放在ＩＣｌ的输出端和参考端之间形成反馈环路，实现了高通滤波器的功能。它的一３ｂＢ截止频率

１

ｌｎ

ｏｕｔ０

为：￡．＝ｉ÷—了＝１．５６ｍ，这种结构的高通电路不影ｚ－７【ｎ－１１

ｕ１

响仪器的共模抑制比而且能快速从饱和中恢复过

来。

第三级的电压放大器带有程控增益接口，由

６

圈４第三级电压放大置等效电路

圈５

４０

．、『｝。

Ｉ

，ｒ

频辄

８０

１２０１６０

ＭＡＸ７４０３●频响应ｌ‘ｎ－－４０００Ｉｋ）

Ｍｅｄｉｃａｌ

Ｅｑ俩ｍｅｎｔ

Ｖ０１．１７，Ｎｏ．７

医疗设备的使用及其环境

朱则进

（杭州市萧山区第三人民医院放射科，浙江杭州３１１２５１）

医疗设备的维护保养是放射科日常工作中一个３湿度

很重要的方面，好的维护保养可以避免许多故障的

湿度对于机器使用（尤其是有片库的机器）也

发生。机器的正常使用和保养可提高机器使用率和

是非常重要的。一般机器要求环境湿度在３０％到

延长机器的使用寿命。

６５％之间。湿度过小，会产生静电；湿度过大，则１电压

会导致胶片沾粘或线路板潮湿损坏。仅靠空调的除

‘

稳定的电源是机器工作状况良好的先决条件，湿功能有时候是达不到要求的，在机房和暗室安装

一个稳定的电源是保证各种元器件工作正常的必要除湿机和湿度计非常有必要。条件。放射科机器一般都使用３８０Ｖ／５０Ｈｚ动力电

４机器清洁和机械润滑

源。电压的波动范围最好控制在±５％之内。

机器使用过程中，应该努力避免钡剂或造影剂

接地良好是对于大型医疗设备的强制要求，是

流入机器内部。注意机房的通风。灰尘大的时候，保证病人安全的必要措施。各机器的单独接地可以

应注意清理机器内部积尘。如果发现机器发出异常

保证机器免受电网或者其他设备的干扰，特别在有的机械响声，应注意观察，必要时涂抹润滑剂。如高压注射器、激光相机、后处理电脑等设备的配

５给医院工程师的一点建议

合使用时。另外，在雷电多发地区，机房的避雷也对于机器的使用情况，作为医院工程师，一份是很必要的。

长期有效的维护保养计划是必要的。对于最基本的２温度

项目应该做到定时检测记录。对于机器的各项性能机器使用时一般要求温度在＋ｌＯ℃～＋３５℃之指标和操作使用应十分了解，对于基本的故障能够间，但以保证在室温为宜。温度过高或过低，都会迅速解决。在维修中，切忌盲目改造线路，否则很影响机器元器件的老化和损坏。

可能会导致故障扩大，也不要随意改动机器内部设置，更不要改变线路板上的电位器阻值等。要遵循收稿日期：２００４—０３—１８

基本的检测程序，逐步解决问题。

极放在０２位置，参考电极放在Ｐｚ位置，放大器通

５结论

频带调在１．５６～１２№，被试者在安静、放松状态经过测试，本电路的性能指标如下：

下执行睁眼一闭眼一睁眼命令时得到如图６所示信由于具有高输人阻抗、高共模抑制比、低噪声

号。显示出正常的睁闭眼反射反应。

特性，增益和通频带可大范围调节，因此本放大器

同样可以应用在其他电类弱生理信号的采集中。［参考文献］

［１］余学飞编《医学电子仪器原理与设计》［Ｍ］．华南理

工大学出版社，２０００．

［２］深圳脑潜能实业发展有限公司．《多导生物反馈系统

治疗介绍》．

［３］陈瑞林．脑电仪器的抗干扰技术．暨南大学学报（自

然科学版），１９９６．６．【４Ｊ

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１９９４，３２（３）：３０５—３１０．

医疗装备２００４第７期

７