脑电遥测监护系统的设计

　　随着生活方式和饮食习惯的改变,脑部疾病逐渐成为威胁人类健康的主要疾病之一,这导致医疗卫生系统对检测脑部疾病医疗仪器的需求日益增大。目前,检测脑部疾病有很多不同的方式,包括有核磁共振(MRI)、电脑断层图(CT)、正子断层扫描(PET)和脑电图(EEG)等。在众多的检测方式中,脑电图检测具有无创性、无辐射性和可长时间监护等优点,因此脑电图对于颅内器质性病变如癫痫、脑炎、脑血管疾病及颅内占位性病变等的临床诊断具有十分重要的意义。本课题旨在设计一种体积小、功耗低、具有移动性的便携式脑电遥测监护系统。

　　1　系统结构概述

　　该系统由脑电采集发射器和脑电接收器组成。脑电采集发射器包括16通道脑电放大电路、模拟开关、A/D转换电路、C8051F320微控制器单元[1, 2]和无线传输单元。脑电接收器包括无线传输单元、C8051F320微控制器单元(内集成USB接口)和电脑。整体系统框图如图1所示。

　　脑电采集发射器从脑电电极获得脑电信号,经导联线至16通道放大电路进行放大、滤波处理,由微控制器C8051F320控制的模拟开关进行通道切换后,把信号输入到16 bits A/D转换器,该转换器由微控制器C8051F320控制进行数字采样,并将采样结果读取到C8051F320;经转换过的数字信号通过无线传输单元进行传输,脑电采集发射器由两节Ni-MH充电电池供电,经DC-DC升压后给发射器供电。脑电接收器从无线传输单元获取数字化后的脑电信号通过USB接口传输到电脑,由电脑对脑电信号进行显示、分析和储存处理。

　　2　脑电放大采集电路的设计

　　整个脑电放大电路的设计理念是提供低失真、高信噪比的脑电信号给A/D转换器。由于脑电信号的幅值范围在0. 5~100μV,频率在0. 5~40 Hz,容易受到各种噪声的干扰,如其他电器设备和人体本身带来的50 Hz市电干扰,其幅值一般是mV级,电极和头皮之间的极化电压10~100 mV,肌电和心电的干扰,放大电路本身的噪声,因此如何有效滤除噪声干扰,提高信噪比对于脑电信号的提取至关重要[3]。脑电放大电路通过对前置差分放大电路、50 Hz工频陷波电路以及滤波器等电路的精心设计有效地滤除了噪声干扰、提取了高信噪比的脑电信号。采集电路由4部分组成,包括前置差分放大电路、50 Hz工频陷波电路、滤波器电路和放大电路、数模转换及微控制电路的设计。

　　2. 1　前置差分放大电路

　　前置放大是整个脑电放大电路的关键环节。本设计采用了AD公司新近推出来的小封装、高共模抑制比的双通道仪表放大器AD8222[4]。AD8222的差模输入阻抗达到100 GΩ、最大输入偏置电流仅有2 nA、最大输入失调电压70μV、最大输入失调漂移0. 9lV/℃、1 kHz时的输入噪声最大为8 nV/ Hz,通过外围电阻使放大器增益为25,其共模抑制比达到110 dB,可以有效地从50 Hz共模干扰中提取脑电信号,并且减少共模干扰转变为差模干扰的信号幅值。4 mm×4 mm 16引脚LFCSP封装、工作电压为±2. 3 V~±18 V,典型工作电流仅为0. 9 mA,使AD8222完全符合本系统移动性和低功耗的设计要求。在仪表放大器AD8222前还设计了RFI滤波器[5],尽可能多地从输入端滤除RF能量,保持输入端与地之间的AC信号平衡。系统采用精密放大器OP777设计了强制性输出缓冲放大器,通过电阻器求和网络建立公共检测点,用来驱动强制性输出缓冲放大器,该放大器补偿通过人体的电流,提高了系统抗共模干扰的能力[6]。前置差分放大电路如图2所示。