多通道脑电采集系统的研究与设计

发布时间：2020-04-14 19:53

【摘要】：脑电(EEG)作为人脑活动的外在表征,其能直观反映出大脑皮层各个区域的活动状态,不仅可用于监测人的生理和心理状态,也可为痴呆、肿瘤、癫痫等脑疾病提供可靠的诊断依据。随着医学的发展,现行的16通道脑电采集系统已经不能满足对癫痫、肿瘤等脑疾病的病灶进行精确定位的需求。另一方面,脑机接口的快速发展也需要脑电采集系统集成更多的采集通道,以便获取更紧密大脑部位的信息从而进行算法分析。针对上述情况,本文研究与设计了一款多通道的脑电采集系统。本多通道脑电采集系统总体可分为多通道模拟前端放大电路和支持多通道采集的数字电路。多通道模拟前端放大电路包含仪表放大电路、右腿驱动电路、高增益放大电路、多通道复用电路和模数转换电路。支持多通道采集的数字电路主要包含FPGA芯片、四片DDR3芯片、两片千兆以太网PHY芯片。脑电信号先经多通道模拟前端放大电路放大和模数转换,然后经由数字电路送进电脑保存和还原。本设计对常见的右腿驱动电路进行了改进。通过改变缓冲运放的放大倍数,使右腿驱动电路对工频信号的放大能力增加20dB,反相反馈回人体后更好地压制工频干扰。为缓冲电路加入超前补偿,增加了采集系统反馈环路的相位裕度。通过加入多通道复用电路,在实现多通道采集的同时,也可以使得后期在成本不显著增加的情况下,采集电路的通道数成倍数的拓展。为支持通道数的扩展以及采样率的提高,设计了一块能支持采样率为500Ksps、有效位为24位、256采集通道的数据进机的数字电路板。本系统的实现指标为:通道采样率为50Ksps、量化精度16位、通道数量64通道(可扩展)、数字电路进机速率到千兆比特每秒。本项目为前瞻性研究,实测基于现有16通道脑电帽进行。在被测试人员状态平稳时,利用示波器观察多通道模拟前端放大电路的输出信号,证明了多通道模拟前端放大电路工作正常。在数据经由数字电路板进机后,利用MATLAB软件对数据进行反演,发现信号的频率主要集中于30Hz以下,与人体安静时脑电信号的频率相符,从而验证了本采集系统的可行性。
【图文】：

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第一章绪论背景及意义号是人脑处于活动状态下时，大量神经元同步引起的突触后电位信号记录了大脑活动时的电信号变化情况，是脑神经元细胞的电大脑皮层的整体反映[1]。号在临床医学实践的应用与人类健康息息相关。目前，脑电信号面：（1）脑电检查可以协助医生对各种类型的脑科疾病评估、诊信号与人的心理特征在理论上密切相关，因此脑电可用于对特殊态进行实时检测[3]。（3）脑-机接口能为思维正常但有严重运动功外界交流和控制的方式，如图 1-1 所示的残疾人机械手臂[4,5,6]。（手控制的方式，提供更好的侵入式体验，如 VR 游戏[7,8]。

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本章阐述系统的总体设计方案。根据信号的处理链路将系统划分为了两个主要的部分：多通道模拟前端放大电路和支持多通道采集的数字电路模块。多通道模拟前端放大电路完成对脑电信号的放大及模数转换，并且通过加入多通道复用电路在实现了多通道采集的同时也为后期的通道扩展留下了接口。支持多通道采集的数字电路模块的设计目标是要满足单通道采样率为 500Ksps、有效位为 24 位、256 通道采集时数据的进机。2.1 系统架构本文提出的多通道脑电采集系统的系统框图如图 2-1 所示。该系统分为多通道模拟前端放大和数字电路两个部分。将脑电极采集到的信号送入多通道模拟前端电路放大，前端模拟放大电路通过右腿驱动电路将共模信号反馈回人体，同时多通道模拟前端放大负责将脑电信号放大后进行模数转换。数字电路将数字信号缓存和转换后，，通过千兆以太网接口将数据送进电脑储存和还原。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH77

【参考文献】