基于信号质量对脑电采集模拟前端电路的考虑

关于脑电信号——

脑电信号是什么？

为什么要提取脑电信号？

提取的基本标准有哪些？

对脑电采集模拟前端电路的设计有哪些启发？

01、脑电信号是一种怎样的信号呢？

脑电信号是一种极其微弱的低频信号，它的幅度一般处于微伏级别，频率在100Hz之内。不同的频段包含了不同的特征脑电信号，例如：32Hz-100Hz是gamma波，其中包含了提高感知、学习、解决问题任务和认知处理的特征信号；13Hz-32 Hz是beta波，它包含了清醒的警觉意识、 思考、兴奋的特征信号；8Hz-13Hz是alpha波，其中包含了身心放松时的特征信号；4Hz-8Hz是theta波，其中包含了创造力、洞察力、深层状态、梦想、深层冥想、降低意识的特征信号；0.5Hz-4Hz的delta波中，又包含了深度(无梦)睡眠、身体意识丧失、修复的特征信号。

基于不同的应用背景，提取到的这些频段波形中的特征信号，为算法提供了最直接的数据支持。所以脑电采集模拟前端电路所要做到的就是，从人脑里提取这些频段里的干净脑电信号。

02、为什么要提取脑电信号呢？

随着社会的发展我们发现，生物脑神经细胞会在大脑活动时产生电位的变化，我们使用电生理指标来记录下这一电位变化过程，即得到了波形脑电波（Electroencephalogram EEG）。脑电信号并非杂乱无章的波形，其中包含了许多特征信号，而这些信号可以被用来分析人类的情绪、专注度、甚至梦境等；或者可以用于意念打字领域；亦或对ADHA多动症、阿尔兹海默症等疾病进行早期筛查等等。这在医疗、教育等方面为人类提供了极大的便利。

03、提取脑电信号的基本标准有哪些？

我们先来看看成熟脑电产品里面的具体参数，如表1所示：

表1

表1展示了四种脑电产品的参数，那这些参数都是什么意思呢？

?通道数也就是采集的点位有多少，换句话说就是有多少个电极来采集我们的脑电波。

?输入阻抗指的是设备输入端的阻抗大小，总的来说，输入阻抗越大，设备提取脑电信号的能力越强，即脑电信号能被更完整的提取出来，这是为什么呢？我们在后文中会具体说明。

?噪声水平指的是脑电采集硬件设备本身的噪音大小，通常我们的脑电特征波形幅值会大于1uV，表格中的设备噪声都低于1uV，这样我们的脑电信号就不会被噪声所淹没。

?CMRR（共模抑制比）：这展现了设备抑制噪声的能力，简单的说，它是指设备输出的差模信号与共模信号的比值（共模信号一般是指噪声信号，差模信号则是我们提取的脑电信号），该比值的绝对值越大，证明设备抑制共模信号的能力越强，提取的脑电信号也越干净。

?带宽：这里是指模拟电路上的滤波范围，一般来说我们会在模拟前端电路上加零点几赫兹的高通滤波和几百赫兹的低通滤波来抑制低频和高频噪音。

?ADC的分辨率：这个参数决定了能被采集到的最小信号，也就是说ADC的分辨率越高，越小的信号能被分辨出来，后文中也有具体的说明。

04、模拟前端电路的设计标准是怎么样的？

上面我们提到了脑电采集设备的具体参数，主要包括对信号完整度，噪声，分辨率的考虑，那么下面我们来简单分析一下其中的原理吧：

1. 保证信号完整性

由于 EEG 的振幅处于微伏级别，因此必须保持所获得信号的完整性，否则，特征信号有可能丢失。

图1

我们对于信号高完整性的要求，通过对图 1的分析，可以更加清楚地了解到脑电采集时的各项指标参数，图中演示了电路的分压规则，其中 Vbrain 是需要被提取的EEG 信号，Vout 是可以流入模拟前端 (AFE) 的剩余 EEG 信号，Z 是电极前的总等效阻抗，Zin 是 AFE 电路的输入阻抗。

具体来说，Z由Zs（皮肤阻抗）、Zse（皮肤与电极间的阻抗）和Ze（电极的阻抗）组成。Zs 的值从 10 KΩ 到 1 MΩ 不等，对于非侵入式干电极，Ze 的值约为 1 MΩ。Zse 的值随着电极与皮肤贴合情况的不同而发生巨大变化。总的来说，在电极接触良好的情况下，Z 的预期值约为 1MΩ。

根据等式（1），当 Zin 显著超过 Z 时，Vin 无限接近 Vbrian。因此，增加输入阻抗是一种有效的保证信号完整性而不引入额外噪声的方法。通常我们用单位增益缓冲器来提高输入阻抗，因为理论上它的输入阻抗无限大，并且其输出阻抗无限接近于0，这保证了信号能完全的传入到后级电路。实际上， 即使输入阻抗并不能真的无限大，只要达到一定数量级，依然可以满足我们的设计需求。例如ADI公司的很多单位增益缓冲器输入阻抗可以大于10TΩ。根据等式（2），即使Z达到1MΩ，信号衰减也只有0.0001%，可以远远满足我们对于信号质量的要求。

2. 低噪音

电子元件具有不可避免的固有噪声，其中对EEG影响最大的是闪烁噪声，也称为1/f噪声或粉红噪声）,因为闪烁噪声的频带有极大与EEG特征信号频带重叠的可能性，导致该频段噪声不能被高低通滤波器或者带通滤波器消除。因此，所选择的元件应具有超低噪声的特性。实际上，许多公司（例如ADI和TI）的元器件1/f噪声峰峰值可以达到0.5uV以下，有效值则更低，可以用于脑电采集电路的设计。

另外，环境中的噪音也是无法避免的。其中，高频噪音或者低频噪音可以通过有源或者无源高低通滤波器进行滤除。除此之外，还有工频干扰，因为我国交流电频率为50Hz，这50Hz工频噪音在我们的工作场景中几乎无处不在，所以我们可以通过主动屏蔽技术或者右腿驱动电路来抑制50Hz噪音。

3. 高分辨率

系统的分辨率是指系统能捕捉到的最小的信号幅度，通常由模数转换器（ADC）的最低有效位（LSB）决定，n是ADC的位数，是ADC参考电压。通过计算可以得到一个24位参考电压为1.8V的ADC，它的最低有效位数（LSB）。即代入等式（3），可得此模数转换器的LSB为10的负七次方，

也就是说，在前端不加任何放大器的情况下，幅值在V以上的信号都可以被系统捕捉到，这可以满足对微伏级脑电信号的采集。如果在进入ADC前，电路还有放大器对脑电波进行放大的情况下，更小幅值的信号也可以被捕捉到。或者在这种情况下，可以选择较低位的ADC进行采集，如16bits。到底如何选择，是由设计者的需求，比如对面积、功耗、成本的考虑来决定的。

以上就是提取脑电信号进行电路设计时，基于信号质量方面需要进行考虑的一些方面。当然，除此之后，在设计电路时还有许多因素影响电路的设计方案，包括但不限于项目的成本，应用场景，需要的通道数量，对功耗的要求，是否可便携等。

05、一些基于不同需求设计的脑电采集模拟前端电路的例子

eg.1、对于有些应用需要的通道数不多，特征信号幅值也比较大，但要求低成本可便携。图2就展示了这样一个设计。这是一个2通道的脑电采集电路，电极采集脑电信号后直接进入ADC（其中ESD是防止静电进入ADC烧坏电路设备的元器件，是生物电采集电路的基本元器件），这样的设计虽然简单，牺牲了一些性能的优势，例如噪声相对较高。但是，由于没有滤波及放大电路，以及较少的通道数也减少了ADC的输入，所以它可以实现设备的可便携性，并且成本也相对较低。

图2

eg.2、上面提及的电路虽然可以提取脑电波，但是由于通道数，成本，信号质量满足不了科研级别设备的要求，所以需要更近一步提高设备的性能。图3展现的则是一个8通道脑电采集电路，相比于图2的电路来说，这个电路加入了阻容低通滤波，主要是为了去除高频杂波。

另外仪表放大器（INA）为电路提供了一定的增益，即对采集到的信号进行放大。使用仪表放大器的原因是，由于其本身的内部结构及生产工艺，它的噪音很小，器件本身的噪音，这也是设计微小信号采集电路所必须要考虑的。

随后进入到了8通道同步采集的ADC，这里为什么选用同步ADC的，就是说该设备可以同时将8个通道采集来的模拟信号转换为数字信号。这样做的好处就是避免了异步采集造成的时间不同步，因为时间的错位有可能造成一些特征信号的延迟或者丢失。

图3

eg.3那对于多通道，且需要的脑电特征信号幅值较小的电路该怎么设计呢？图4则是一个比较复杂的脑电采集电路，它可以做到16，32，64，甚至128个通道，由于市面上很少有超过8通道的高性能的同步采集ADC，所以在这里一般选用多个ADC进行集联。相比于其他两个电路，这个设计适用于对信号质量要求比较高，且对面积和成本相对比较宽容的应用。

为了保证信号的完整性，该设计在电极端加入了单位增益缓冲器，使得整个电路有较高的输入阻抗（一般可以大于1TΩ）。对于噪声方面，首先阻容低通滤波（截止频率大概为800Hz）过滤掉高频及超高频的噪声，其次两个有源滤波，他们分别是三阶切比雪夫高通滤波，-3dB截止频率为0.5Hz；和三阶巴特沃滋低通滤波，-3dB的截止频率为150Hz。

这使得整个电路抗噪声干扰能力变得很强。另外此处INA的作用和图4一样，为了将采集到的模拟信号进行放大。对于分辨率，选择一个24bit的ADC，信号精度一般能达到0.1微伏，在加上前面的放大电路，这样的ADC完全够用了。

图4

当然对于脑电采集模拟前端电路的设计远远不止这3种，具体的设计还是要基于不同的要求进行分析。本文只是基于对微弱信号提取的基本要素做了简单的分析，更多深层复杂的电路原理，还需读者花大量时间进行学习理解。