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1、本科课程大作业课程名称： DSP应用系统设计院（系）：信息与控制工程学院通信电子系专业班级：姓名：学号：任课教师：2015年 5 月20日基于DSP的脑电处理系统的设计摘要随着对脑电信号的研究逐渐深入，能够记录或描述脑电信号的仪器也随之研制而出。基于PC平台的脑电信号采集系统一般是通过PCI插槽与PC进行通信，其扩展性差、抗干扰性能不佳、安装不便，且对于测量环境要求较为苛刻。本文将模拟电路技术与数字电子技术结合，在高性能前置放大器的基础上，经过A/D转换，基于DSP,构建移动式数字脑电信号采集系统。关键字：dsp脑电信号 目录1 脑电及测试基础11.1脑电的性质及其分类11.2脑电产生的机理2
2、1.3脑电检测的意义32 脑电数据采集系统52.1信号输入电路62.1.1前置放放大器设计62.1.2 滤波器的设计82.2 数字电路部分113 实验结果及分析134结论14参考文献151脑电及测试基础1.1脑电的性质及其分类在人的大脑皮层中存在着频繁的电活动，而人脑正是通过这些电活动来完成各种生理机能的。人的大脑皮层的这种电活动是自发的，其电位可随时间的变化而发生变化，用电极将这些电位随时间变化的波形提取出来并加以记录就可以得到脑电图。通过检测并记录人的脑电图就可以对人的大脑及神经系统进行诊疗。 自发脑电波由于类似于正弦信号，所以可以作为一种正弦波为主波的波形来进行分析，因此脑电图波形可以用
3、周期、振幅、相位等特征来描述。现在脑电图学中根据频率与振幅的不同将脑电波分为a波、p波、e波、s波，波形大致如下图1 四种脑电波大致图形(1)波可在头颅枕部检测到，频率为8-13Hz，振幅为20-100 a V，它是脑电波中最明显的波;整个皮层均可以产生a波，呈现菱状图形。(2)波在额部和颖部最为明显频率为18-30Hz，振幅为5-20 a V,它是在大脑比较兴奋状态时所记录的波形。(3)波频率为4-7Hz，振幅为10-501 V，它是在困倦时，中枢神经系统处于抑制状态时所记录的波形。(4)波在睡眠、深度麻醉、缺氧或大脑有器质病变时出现，频率为1一3. 5Hz，振幅为20-200 uV。1.2
4、脑电产生的机理现在对于人体脑电产生的机制还不很完全了解。一般来说在人体中细胞膜两侧离子分布不均匀，细胞内外离子(K+, Na+)的浓度存在很大差异，因而在膜的两端存在很高的浓度梯度，在此浓度梯度作用下，离子将向低浓度一侧扩散，从而形成一定的电位差。安静状态下存在于细胞膜内外两侧的电位差，其数值随动物种类和细胞种类不同而异，但都是内负外正，只要细胞未受到外来刺激而保持正常的新陈代谢，静息电位就稳定在某一相对稳定的水平。但是可兴奋细胞在受到足够强的刺激时，膜在静息电位的基础之上产生一次短暂的电位波动，并沿着细胞膜向周围扩布，使整个细胞都经历一次同样的电位变化。人体中神经元的活动也一样，既包括本身固
5、有的电活动(膜电位及其波动);也包括动作电位的传导(即神经冲动的传导)及突触传递过程中产生的兴奋性或抑制性突触后电位。对于脑电波产生的原理目前较公认的论点是突触后电位学说，即认为脑电波是皮层内神经细胞群同步活动时突触后电位的总和。人类或脊椎动物在安静情况下，即使没有任何特定刺激，在大脑皮层上也能记录到持续节律性的电位变化，这种电位变化称为脑电的自发活动，被描述下来即称自发脑电图，一般叫的脑电图就是指自发脑电图。1.3脑电检测的意义脑电的研究包括正问题和逆问题两个方面。正问题是在已知脑内电活动源的情况下去分析头皮上的电位;逆问题是指用从头皮观测的电位去反演脑内电活动源的信息。尽管脑电的发生机制没
6、有完全弄清楚，但是其对于我们应用来说影响不是很大。其在医学检测上应用越来越广泛，而且凸显出越来越重要的价值，尤其是脑电逆问题的研究有很大的现实意义。医学上的临床诱发电位诊断就是基于逆问题研究这一点出发的。所谓诱发电位是指对神经系统某一特定部位(包括从感受器到大脑皮层)给予相应刺激，或使大脑对刺激(正性或负性)的信息进行加工，在该系统和脑的相应部位产生可以检出的、与刺激有相对固定时间间隔(锁时关系)和特定相的生物电反应lU。这是因为当人或动物受到外部刺激时，在脑内会产生相应的电位变化，并且电位值随着刺激的时间和刺激形式的变化而变化。因此临床诱发电位诊断实际是检测人在受到外界的刺激时所引发的脑电变
7、化情况，以此来分析人的脑部病变状况。诱发刺激主要是利用躯体感觉诱发电位(SEPs)、听觉诱发电位(AEPs)、视觉诱发电位(VEPs)和运动诱发电位(MEPs)等。2 脑电数据采集系统本研究所设计的数字化脑电采集系统总体结构框图如图2所示。首先通过电极采集得到数据信号，接着对采集到的信号进行滤波、放大等预处理，然后将经过预处理的模拟脑电信号再通过A/D芯片，就可转换成计算机能识别、处理的数字信号。数字部分由DSP和USB芯片构成。由DSP控制对经A/D转换得到的数字信号进行采集与处理，经DSP与USB芯片之间通信，将数据送往便携式计算机实时显示与储存。图2系统总体结构框图2.1信号输入电路脑电
8、信号属于低频的微弱生物电信号，其幅值仅有微伏级，常常埋没在强大的背景噪声中。这就需要前级调理电路进行适当的预处理，使其方便进行各种信号处理。前级调理电路主要包括:前置放大器、滤波器和后级放大电路。其中，前置放大电路是该系统中的关键部分，通常要求其具有高输入阻抗、高共模抑制比和低噪声。因此，设计一个性能好的脑电信号采集系统的基础就是具有一个高性能的前置放大器。2.1.1前置放放大器设计近年来，微电子技术得到了快速的发展，出现了许多高性能的集成运放器，如TI、ADI和Linear等公司生产的集成放大器。然而，由于脑电信号检测的特殊性，直接采用集成放大器作为脑电放大器，仍然存在不少问题。一般说来，高
9、性能的生物电放大器必须具有很高的输入阻抗和共模抑制比。然而，在传统的设计中都是把集成放大器作为前置放大器。但是，大多数的集成放大器的共模抑制比与增益有关：增益越高，共模抑制比就越大。因为有极化电压的存在，增益只能在几十倍以内，所以，集成放大器的共模抑制比不是很高。为了实现高性能的脑电放大器，本研究提出了如图3所示的电路结构。图3高性能生物电放大器（1）首先，选用了Texas Instrumengts公司的具有高输入阻抗和低噪声特点的运放器TLC070。前级采用2个TLC070运放器A1和A2构成并联型差分放大器。在理论上，并联型差分放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大。（2）阻电路的
10、容耦合电路放在前级和后级放大器之间，提高了后继级放大器的增益，进而提高共模抑制比。（3）后级电路采用的是TI公司的集成放大器INA118，将双端信号转换为单端信号输出。由于阻容耦合电路的作用，后级放大器可以做到很高的增益，进而可以得到很高的共模抑制比。采用图3电路给出的参数时，可以满足初级放大的要求。可以将第一级放大20倍，第二级放大80倍，共模抑制比在100dB以上。本研究所采用的模数转换器为ADS8322，其模拟量输入电压范围是04V，而经过前2级放大的信号为双极性的，这就需把信号的基准电平抬高至模数转换器区间的中间处。因此，再设计后级放大电路时，既要考虑信号电平的抬高，又要对信号进行放大
11、处理，具体电路如图4所示。图4后级放大电路由图4可算得，VOUT的值为：其中，调节滑动电阻器R2，是信号经过后级放大后的输出电压满足模数转换器需要的输入范围。2.1.2 滤波器的设计本研究所设计的滤波电路主要包括高通滤波器、50HZ陷波器和低通滤波器3部分。其中的运算放大器是由美信公司生产的MAX4020，具有低电压、低功耗、高速运算等功能。（1）低通滤波器经过2级放大后的脑电信号中含有较高频率的肌电等噪声，且需考虑到模数转换的抗混叠型，这就需要在50Hz陷波后进行低通滤波。这里采用巴特沃斯三阶低通滤波器，其截至频率为150Hz,电路如图5所示。图5低通滤波电路（2）高通滤波器电极与头皮之间产
12、生的直流偏压会影响到脑电信号采集，采用二阶高通滤波器可以消除直流和低频分量，其截至频率可设为0.5Hz,电路如图6所示。图6高通滤波电路其传递函数为：（3） 50Hz工陷频率工陷干扰也是脑电信号的主要干扰，且频率处在脑电信号的频带之内。这就要求使用陷波电路来滤除工频干扰，其电路如图7所示。图7 50Hz 工频陷波电路2.2 数字电路部分经过前置放大电路处理过的脑电信号，其最高频率为150Hz,且进入数字信号处理器之前必须将其转换为数字信号。这就需要采用模数转换器，然而，模数转换器A/D的类型很多，考虑其与实际要求尽可能接近且性价比较高的芯片，本研究选择了TI公司的模数转换器ADS8322。AD
13、S8322是16bit的高速AD转换芯片，其最高采样频率为500kHz，最小时钟周期为100ns，最大转换时间为1.6us,适合用于高速、高精度的数据采集系统中。DSP可为其提供时钟信号，通过软件可以方便地设置输入时钟的各种特征量，如时钟频率、高电平宽度等，满足AD转换的要求，本系统采用了TI公司的DSP芯片TMS320 C5416。ADS8322与TMS320C5416的连接如图8所示。使用DSP的定时器输出信号TOUT0提供精确的时钟信号给ADS8322，控制AD的采样频率；使用DX0、DX1写入ADS8322的控制信号RD、CONVST;使用DSP的地址总线的A0引脚控制ADS8322的
14、片选信号。图8ADS8322与TMS320C5416的连接图模数转换的主要步骤如下：(1) DSP选通ADS8322，根据图8的连接，将DSP的A0引脚置低，从而选通ADS8322。(2) DSP初始化ADS8322的两个控制寄存器，通过DSP的DX0、DX1引脚初始化控制寄存器。(3) DSP接收ADS8322的中断信号，进入中断服务程序。(4) DSP在中断服务程序中，读取ADS8322的采样数据并保存。(5) 重复步骤（3）和（4），读取下一个采样数据。3 实验结果及分析本研究应用设计的系统采集了听觉诱发脑电信号，并与ARMA模型预测的诱发脑电信号值进行对比，如图7所示。图9 ARMA模
15、型预测输出与脑电实测值通过图7，从时域上可以看出，模型的预测输出能够很好地拟合实际的脑电信号。该电路达到了设计要求，为便携式数字脑电及其他微弱电生理信号。该电路达到了设计要求，为便携式数字脑电及其他微弱电生理信号诊断系统的研制及其发展提供了一个新思路。4结论本研究设计了一套基于TMS320C5416 DSP的移动式脑电数据采集系统，实现了小型化、数字化、便携式低成本脑电系统的构建，为未来脑电图机家庭化做了一定工作。随着社区医疗的推进，符合经济要求、功能齐全、性能可靠的脑电采集系统的需求将进一步增大。结合USB技术，基于DSP技术，基于DSP的移动式脑电采集系统可易于实现和计算机的连接，利于功能
16、的扩展实现。参考文献1 孟淑婷，王磊. 基于DSP的家庭健康监护仪的设计J. 国际生物 医学工程杂志, 2010, 22(9): 280-282.2 Cheng Wen, Ming-Feng Yeh, Kuang-Chiung Chang, et al. Real-time ECG telemonitoring system design with mobile phone platformJ. Measurement, 2007, 41(2008): 891-8983SerafimTabakov, Ivo Iliev, VesselaKrasteva. D resource ECG Monitoring SystemsJ. Annals of Biomedical Engineering, 2008, 36(11): 1805-1815. 4孙友明、罗晓曙.新型脑电信号放大检测电路的设计J.医疗卫生设备.2007.28（1）：15-17。5王三强、何为、石坚.新型脑电信号前置级放大电路设计J.重庆大学学报.2006.29（6）:51-53。6 徐栋君、和卫星、张华.新型多通道脑电信号采集系统的设计J.医疗卫生设备.2006.27(6):7-8。
