提高脑电图信号采集:电子方面的前端的艺术状态

文摘

本研究的目的是提出一些实用的考虑在获得满意的脑电图仪的信号采集的信号。这些因素对用户和系统设计师很重要。尤其是选择正确的电极和电子线路设计策略的初始前端起着重要的作用在提高测量系统的性能。考虑生物电势测量系统的设计缺陷和录音条件创造了更好的精度。在脑电图(EEG)记录电极,电子系统包括滤波、放大、信号转换、数据存储和环境条件影响录音性能。本文脑电图电极电子降噪方法的原则和要点脑电图信号采集前端进行了讨论,并提出了一些建议提高信号采集。

1。介绍

虽然基本的脑电图(EEG)测量人的相同的自1929年以来,这是第一次由汉斯•伯杰科技发展给机会建立更复杂的收购系统关于临床需求和科学研究。人类的大脑产生的电信号称为脑电图信号是与身体功能有关,和这篇文章是关于他们的收购。这些信号是大约不到100V和100赫兹和可以测量电极放在头皮,无创。因为他们的低振幅由于头骨的组成、脑电图的测量是更加困难比其他非侵入性biosignal测量心电图、肌电图、眼电图等等。有昂贵的生物信号记录系统不能保证获得适当的信号。在这个意义上,一些因素获得好的脑电图信号应考虑在新的设计和录音。这些主要因素进行了讨论,提出了一些建议。

在生物信号的录音,电极初始元素用于将由于生物电势源生物电势信号转化为电信号。图1显示了简化生物电势测量。脑电图电极通常由金属和产生的杯状容器,圆盘,针、微电极测量intra-cortex潜力。氯化银(AgCl)是常见的神经生理学应用程序首选1]。因为Ag)是微溶盐,AgCl迅速浸透和平衡。因此,公司是一个很好的金属对金属皮肤表面电极(2]。选择正确的皮肤电极以及准备之前记录会影响测量的准确性。

另一个主要因素是电子噪声,对生物信号测量是相当重要的。电子噪声可能是由于内部和外部的噪声源。内部噪声源热(由于电阻组件),(由于半导体孔和扩散),闪烁(由于接触针),破裂(或爆米花,由于杂质半导体)噪声(3]。最重要的外部噪声是由电源引起的干扰。显然在光谱分析在50 Hz(或60 Hz)。电线和主题之间有功放(寄生和隔离)。从电子噪声中提取生物正是需要有效的降噪的方法(3,4]。需要有效的模拟和/或数字滤波这一目的。

在下面几节中,脑电图电极以及脑电图记录和设计注意事项。

2。材料和方法

2.1。脑电图电极

电极极化(不可逆的)或无极性(可逆)。极化是避免由于氯离子是常见的电极和电解液。其他金属如金或铂电极可用于制造但昂贵。电极极化倾向于作出重大电容,这可能会干扰的传播基础里面。这些电极表现得像一个低频滤波器(低通滤波器)。无极电极,如AgCl,首选为常见的神经生理学应用程序(1,2]。正常Ag / AgCl电极需要氯化时间;然而,烧结(使电极粉,通过加热材料烧结炉低于熔点)Ag / AgCl电极不需要氯化。

EEG电极可分为一次性可重用的盘和杯子形状(脑电图帽),皮下的针(放置在皮肤下的一次性针头),和植入电极(精确定位癫痫活动)的起源。针可附带永久引线,全会被丢弃,或套接字连接到导线与匹配的插头。他们是由不锈钢或白金。一些脑电图电极可用于特殊应用。例如,植入脑电图电极也可以用来刺激大脑和地图皮层和皮层下神经功能,如电机或语言功能,为癫痫手术做准备。感染必须考虑的一个主要风险植入脑电图电极。

在非侵入性脑电信号测量,电极和皮肤之间的一个接口材料。这种材料是一种电解质,可以在脑电图凝胶或粘贴的形式。电生理活动引起的生物电势源是一个电流源,导致细胞外液和其他导电电流路径通过组织。

的杯状容器电极提供了足够的体积含有电解质,包括氯离子。在这些电极,皮肤不会直接接触电极材料。electrode-tissue界面阻抗取决于几个因素。其中一些因素是接口层(如皮肤准备、脂肪量、头发,等等),电极表面和电解液的温度。electrode-tissue接触可以建模为在图2。从图看,electrode-tissue界面不仅是电阻,由电容性元素。这是重要的频率依赖性electrode-skin接触。

由于金属电极和电解质之间的交互,离子积累为平行板。离子电子交换发生在电极和电解液。这种交换导致电压和叫做半电池的潜力。由于这种可能,在某些情况下,生物电势放大器必须容忍300 mV。这个值取决于电极和电解质材料。这可以解释为能斯特方程,简单, 在这里,我们有ε:半电池电位(V),:运输电子(摩尔数):内外离子的速度:。

在临床脑电图记录,10/20电极放置系统是一个标准,一般来说,它已经被用于许多临床或研究应用5]。虽然有75个地点在此系统中,8 - 32电极可以满足临床应用。8通道也可以满足一些大脑计算机接口(BCI)应用程序;另一方面,电源成像(ESI)超过100个频道是必需的。电极放置在额叶、颞叶、顶叶、枕叶,奇数和偶数指左右半球,分别。由于需求,另一个位置系统是5%确定电极位置和345个地点(6),但它不是一个共同的标准。

2.2。脑电图记录

脑电图描记器系统,作为一个非侵入性的应用程序中,电极放在头皮,足够数量的电极可能是1到256(或者更在不久的将来)放置在脑电图帽,便于应用。提供离子电流,降低电极表面之间的接触阻抗和头皮脑电图凝胶或粘贴必须一起使用适当的皮肤准备。在生物电势测量,最重要的一点是保持biosignal的创意。1 k之间的接触阻抗应该10 k记录一个精确的信号。小于1 k电极之间的接触阻抗表示一个可能的捷径;另一方面,阻抗大于10 k会导致扭曲构件。

干凝胶或粘贴,以及主体的汗水和运动(眼睛眨眼,肌肉运动,心脏跳动时,等等),可以很容易地影响测量性能造成负面影响。因为这些原因,记录时间通常是有限的几个小时。长时间或动态脑电图记录,额外的需求是必要的让病人更舒适,并允许为一致的系统性能。高分辨率应用,如应急服务国际公司或无线数据传输还需要一种不同的方法设计的新型电极。减少皮肤准备时间和更准确地测量里面,几个电极制造的方法是尝试。例如,multiarray薄膜电极发展尤其是对不同深度在运行应用程序10];nitride-covered钢铁作为一个电极和没有必要脑电图粘贴导致成功的记录(11]。在过去的几年里,活跃的电极(小或单位增益放大器接近电极)的研究越来越受欢迎。与这些类型的电极,不使用电极凝胶和更多的皮肤准备,噪音降低报告(9,12- - - - - -14]。

在商业应用中,除了古典杯或圆盘状电极和活跃的电极,另一种方法是用来减少准备时间(EGI HydroCel测地线的传感器网络)。在这种方法中,头皮不需要准备和磨损。因为商会的软基座设计创建了一个密封的环境中,水合物的皮肤和皮肤和电极之间创建一个接口。应用程序* sponge-based HydroCel测地线传感器网络之间5分钟32通道为256个频道报道(15分钟8]。在实际的考虑,至少需要45分钟电极15分钟是合理的在皮肤准备256 -通道的杯状容器电极帽。图3显示了一些商用的脑电图电极和帽子。在这个图几个例子作为非侵入性电极脑电图帽以及一个皮层电极阵列。

捏造脑电图电极的另一个方法是干电极(图4)。这种类型的电极不需要一个广泛的安装时间,方便长期记录。这些属性是BCI和neurofeedback应用的优势。作为一个例子,为了设计干电极,1.5毫米厚的硅胶导电rubber-shaped 8毫米直径的光盘。积极的一面通过一层绝缘电极电容和耦合硅橡胶与金属屏蔽连接到活动护罩。意识到电极的阻抗在100 Hz大于20米与寄生电容小于2 pF [15]。

皮层下应用intra-cortical电极使用。这些类型的电极之一(犹他州Intra-cortical电极阵列)是一个数组100穿透硅微电极设计为电刺激或记录神经元居住在一层1.5毫米表面下的大脑皮层(16]。intra-cortical数组的每个电极电极长1.5毫米,0.08毫米宽,0.001毫米的小费。

应该使用每种类型的电极和一个成功的电子电路。在图5脑电图电极和初始信号采集的例子所示。记录环境条件、接触阻抗值及其稳定性,放大方法(交流或直流),必须考虑和记录时间。简要解释说,在接下来的分段设计考虑。

2.3。设计注意事项

在脑电图记录,其他的生物信号测量,主要问题之一是50或60 Hz噪声由于电线。电线和主题之间有功放(寄生和隔离)。电磁干扰(EMI)方法如图6。环境因素影响主体和测量系统。例如,日光灯1 - 2米的距离测量系统干扰测量信号为几千赫的山峰。干扰信号可能是一半的电力线路噪音。同样的,其他电气或电子设备可能会干扰生物信号测量。

共模信号的直流分量约几千伏特和交流分量可能约1 V。这个值可以在mV规模的身体与地球地面接地时,可能高达20 V电力线路(举行17]。静电放电(ESD)和去纤颤器电子设计中应考虑。保护这些必须为病人提供/主题以及初始活性成分。减少共模信号的影响,仪表放大器具有高共模抑制比(CMRR必须使用(18,19]。生物电势设计相关的一些研究报告,80 - 136分贝CMRRs得到[20.- - - - - -23]。减少隔离电容效应,电池供电的操作是有效的9]。

为了保证科目/病人安全,泄漏电流应小于水平由IEC 601 - 1。根据这一规定,泄漏电流必须小于10在正常情况下,对于连接到主电源,50一个是允许的。

生物电势放大器可以是直流耦合或ac耦合。在设计策略中,直流或交流耦合和过滤(硬件或软件)决策的初始步骤生物电势测量系统设计师。交流放大超过10位数字分辨率可能就足够了。然而,对于直流放大,因为有效的比特数减少,超过20位是必要的模拟数字转换器(ADC)。高数字分辨率ADC法技术是一个良好的解决方案(22,23]。

输入放大器电路呈现在图7。它可以用来连接电极(传统方法)或接近电极(有源电极方法)。测试后,发现电路可用于脑电图,小城镇或EMG信号测量。这个放大器的增益是16,不会引起生物电势放大器饱和,及其CMRR 102分贝在任何条件或EMI屏蔽保护。

3所示。讨论

获取正常脑电图信号主要是安全、生物信号测量与高信号噪声比(信噪比),没有数据丢失。作者简要的要点提出了整个录音过程如下。

(我)主题/病人安全。因为系统泄漏电流的电子和除颤器(如果使用),应提供科目/病人安全。主题/病人和前端电路和地球的理由应该分开(即。模拟和数字的理由)。增加隔离放大器的模抑制比减少隔离模式电压的影响。

(2)电磁干扰保护。操作电气或电子设备,特别是录音设置禁止附近的荧光灯。否则收购脑电图信号失真和噪声信号损坏。使用仪表放大器可以帮助摆脱这个问题。

(3)无标题/病人肌肉运动。(即肌肉运动。,EMG-related contamination) such as eye blinks, clenching teeth, movement of shoulders or legs, and so forth affect EEG signal acquisition, badly. These cases may cause wrong comments on the signals and signal processing error.

(iv)防静电保护。有源电子元件必须大于2000 V ESD保护。ESD保护不得造成损害的活跃的电子元件和主题/病人可能会导致严重的问题。

(v)有效的接地。金属的情况下必须连接到金属板/杆埋在地下。因此适当的接地技术有助于减少噪声提高信噪比。

(vi)电极。选择正确的电极和蒙太奇应该决定关于临床或研究应用的目的。除了标准可用性的商业或活动类型,电极可以如电容耦合或干电极。电极的数量和他们的应用程序的位置也很重要。

(七)电极接触阻抗。接触阻抗值必须在1 k之间和10 k古典电极。小于1 k电极之间的接触阻抗表示可能的捷径。大于10 k接触阻抗阻止收购脑电图信号。在测量之前,应该测量接触阻抗,和脑电图跟踪记录时应观察。用今天的技术,高输入阻抗(1克)放大器芯片和活跃的电极接触阻抗的方法减少依赖。获得适当的信号,电极不应该感动。否则会引起脑电图信号的波动,和峰值。

(八)噪声免疫力。必须考虑降噪技术在电子线路和印刷电路板的设计。电子贺卡和连接电缆应放置在一个金属盒尽可能减少电子噪声。使用扭曲、混合和驱动信号电缆给好的结果。因为脑电图信号低振幅对,他们对电子噪声非常敏感。电子噪声应小于2V(峰)。

(第九)环境条件。如果EEG系统结合磁共振成像,它必须兼容的操作在一个高磁场。同样,如果使用脑电图系统在一个手术室手术时,它不应该影响高电子噪声条件下如electro-cautery。记录必须保持稳定和环境温度不应影响系统性能。系统性能应独立于合理的温度波动。

(x)减少对共模信号。减少共模信号,需要使用仪表放大器有大于80分贝CMRR。这是重要的高信噪比的信号采集。

(十一)记录模式。设计师或用户应该决定录音模式对于他们的应用程序。脑电图记录可以双相(分化两个电极信号),单极(区分常见的引用),或者使用平均参考。临床或研究应用程序需要不同的记录方式。

(十二)参考和地面电极位置。特别是参比电极位置对于某些应用程序是很重要的。一般参考电极放置在顶点;地面电极放置在左或右耳朵(或在一起)。

(十三)保护Biosignal创意。必须提供线性和无失真放大。否则信号处理(检测、模式识别、特征提取、分类和平均,等等)性能可能会降低。

(十四)避免放大器饱和。如果放大器电路饱和,模拟信号的损失是不可避免的。放大器饱和引起的高输入信号,主要是由于电极运动。在交流放大,放大器使用高通滤波之前必须固定最佳增益,以避免饱和水平。如果首选直流放大,没有放大器饱和风险;另一方面,数量的有效分辨率降低。

(十五)相互排斥。对于多通道系统,必须足够高的相互排斥。否则,渠道可以从其他渠道的影响;因此,工件存在。

(十六)输入阻抗。电路的输入阻抗必须足够高。直流信号大于1 G输入阻抗值给好的结果。低输入阻抗引起的生物信号来源,它会导致破坏性的信号。

(十七)输入偏置电流。输入偏置电流的输入放大器必须尽可能低(pA)。如果装载生物信号来源输入放大器,它还会导致失真。

(十八)频带。选择合适的滤波器频带(至少频带宽度必须0.5 Hz - 70 Hz)获得的信号是很重要的。这也是重要的数字化和数据存储。足够的(优化)采样率(应提供140 Hz)和传输速率。直流水平应该有效的信号调节/删除处理的硬件或软件。

(十九)数字化。足够的(优化)数字分辨率(10位交流放大,20位用于直流放大)必须提供用于模拟到数字转换器(ADC)。如果使用低分辨率数字,量化误差也在不断增加。

(xx)同一采样瞬间。如果多通道系统设计(或使用),必须没有渠道之间的时间延迟。对于一个模拟乘法器,这可能是一个问题,然而,并不是数字乘法器。样本同时瞬间,样品应该使用并保持电路。如果每个模拟通道都有自己的ADC,这可以由ADC控制信号时机。

(第二十一章)记录时间。足够的(优化)记录时间是必要的。长期记录(2小时以上)会导致工件由于干燥凝胶,汗水和创建主题/病人的焦虑。另一方面,记录时间不足引起足够的数据采集。

(二十二)用户友好的。必须集成和系统硬件和软件必须具有用户友好界面。

(二十三)低功耗。这是很重要的,尤其是电池驱动系统。

(二十四)低成本。系统应符合成本效益,组件必须是可用的。

4所示。结论

有要点应考虑提高测量的性能在生物信号测量系统的设计或录音。具体选择正确的电极,皮肤准备,减少电力线路噪声是脑电图记录的重要问题。减少电磁干扰,电子电路的金属盒,一个屏蔽(法拉第笼原则)记录的房间,并保卫(驱动)减少共模信号是一种有效的方法。生物信号测量系统的性能取决于电极,电子电路,和记录的条件。选择正确的电极和成功的电子设计策略是必不可少的收购EEG信号,正常。

引用

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