[发明专利]一种基于INA128的脑电采集前端设计

说明书

技术领域

本发明涉及生物医学与计算机科学的交叉领域，具体而言，涉及一种对脑电信号进行采集的设计。

背景技术

由于脑电信号的一些特点，脑电信号采集系统需满足以下几个要求:

(1)高增益：脑电信号微弱，头皮接触式电极采集的脑电信号正常幅度在0.5μV到100μV左右，所以系统对脑电信号放大增益通常要求在5000倍以上；

(2)滤除高频干扰：脑电信号频率通常在0.1Hz到100Hz，需滤除高频干扰；

(3)放大器需有高共模抑制比：脑电信号提取过程中，毫伏级的共模干扰普遍存在，如工频干扰等，所以要求系统有较高的共模抑制比；

(4)前置部分需有高输入阻抗：头皮与颅骨间电阻高达几千欧，为提高信号获取能力，输入阻抗应大于10MΩ；

(5)需考虑极化电压及生理干扰：人体自身生理活动会对脑电信号的有用频带有所覆盖，且波幅较大，如心电、眼电和肌电等，使得纯净脑电信号获取较难，此外，电极极化电压的存在使设计中前置放大器增益不能过大；

(6)生物电极应安全无害，结构稳定，工作可靠。

传统脑电采集系统通过复杂的放大滤波电路设计，以满足脑电信号采集的要求，但是这样会导致电路板体积过大、功耗高、不利于设计采集系统的便携化。为了实现脑电采集系统的小型化，人们常采用针对特殊应用和特殊设计来简化脑电信号调理电路。

发明内容

该发明是一款便携式脑电采集前端，采用INA128内部集成的放大器实现微弱信号的放大，同时为了消除干扰，使用限幅滤波预处理电路。在前端设计的模拟侧只保留了抗混滤波电路，而基线漂移、陷波等处理根据应用需要在数字侧实现。本项目设计的脑电采集前端系统不仅能较好的把微弱的脑电信号提取出来，并且具有较好的抗干扰能力和实用价值。

穿戴式脑电采集前端的总体结构：由干电极、滤波模块、一级放大、和二级放大模块组成。

1.滤波模块

针对脑电信号十分微弱的特点，传统采集前端通常由模拟混抗滤波器、多级放大电路和陷波电路等来提高信号的信噪比，这也是导致其体积大不利于实现可穿戴的主要原因。INA128为差分输入，其共模抑制比高达120dB，且其直流输入阻抗高达1000M?，能够很好地保证系统的抗干扰要求。

由于脑电信号频率只有0.5~100Hz，实验分析的有效范围一般在0.5~30Hz，在模数转换前必须经过低通抗混滤波的预处理。该电路由二阶无源RC低通滤波和限幅电路组成。该二阶无源RC低通滤波器具有较好抗频率混叠效果，通过过采样技术可以使该滤波器满足性能要求。限幅电路则是由两个二极管组成，其单向导通特性可以将电压幅值钳制在预定范围内。

2.一级放大模块

该系统中模拟前端放大模块是保障系统整体性能的关键，其中采用TI公司的INA128为核心器件，主要考虑其有如下特性：

(1)高共模抑制比，可高达120dB；

(2)高输入阻抗，可达1010Ω；

(3)较小温漂，0.5μV/℃；

(4)较小偏置电流，不超过5nA；

(5)较小失调电压，不超过50μV；

这些特性保证了加入很少的器件即可搭建脑电信号模拟前端。

INA128是低功耗高精度的通用仪表放大器。它们通用的3运放（3-opamp）设计和体积小巧使其应用范围广泛反馈电流Current-feedback输入电路即使在高增益条件下(G=100时200kHz)也可提供较宽的带宽。单个外部电阻可实现从1至10000的任一增益选择INA128提供工业标准的增益等式。INA128用激光进行修正微调具有非常低的偏置电压(50mV)温度漂移0.5μV/°C和高共模抑制在G=100时120dB其电源电压低至±2.25V且静态电流只有700uA是电池供电系统的理想选择内部输入保护能经受±40V电压而无损坏。

3.二级放大模块

应用AD620进行二级放大。AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至1000。此外，AD620采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸小于分立式设计，并且功耗较低(最大电源电流仅1.3mA)，因此非常适合电池供电的便携式(或远程)应用。