侯曉旭，李佳戈，任海萍

中國食品藥品檢定研究院醫(yī)療器械檢定所，北京 100050

數(shù)字腦電圖機檢測技術(shù)探討

侯曉旭，李佳戈，任海萍

中國食品藥品檢定研究院醫(yī)療器械檢定所，北京 100050

數(shù)字腦電圖機是放大并記錄腦電信號的儀器，共模抑制比、耐極化電壓、噪聲、幅頻特性、功率譜幅度及功率譜頻率是其檢測的關(guān)鍵指標，但是目前針對上述指標的檢測方法的研究尚少。本文主要針對數(shù)字腦電圖機關(guān)鍵指標的檢測技術(shù)進行探討，供相關(guān)人員參考。

數(shù)字腦電圖機；共模抑制比；耐極化電壓；噪聲；幅頻特性；功率譜

0 前言

腦電信號是一種重要的生理信號，蘊含著豐富的生理、心理及病理信息，幅度、頻率、相位是其重要特征[1]。腦電信號的幅度值比較微小，變化范圍為10～100 μV，頻率變化范圍為0.5～35 Hz。在檢測時，腦電信號一般分為6個頻段，分別是：δ波、θ波、α1波、α2波、β1波和β2波。δ波的頻率范圍為0.5～3.5 Hz，振幅范圍為20～200 μV，在人深睡時出現(xiàn)。θ波的頻率范圍為3.5～7.5 Hz，振幅范圍為10～50 μV，在成年人情感壓抑期可檢測到。α1波的頻率范圍為7.5～9.5 Hz，振幅范圍為20～100 μV；α2波的頻率范圍為9.5～12.5 Hz，振幅范圍為20～100 μV，α1波和α2波在人清醒并閉目時出現(xiàn)。β1波的頻率范圍為12.5～20 Hz，振幅范圍為10～50 μV；β2波的頻率范圍為20～35 Hz，振幅范圍為10～50 μV，β1波和β2波出現(xiàn)在人興奮時[2-3]。

數(shù)字腦電圖機是放大并記錄腦電信號的儀器，共模抑制比（CMRR）、耐極化電壓、噪聲、幅頻特性、功率譜幅度及功率譜頻率是其檢測的關(guān)鍵指標[4]。目前關(guān)于數(shù)字腦電圖機檢測技術(shù)的研究相對較少，而腦電圖機關(guān)鍵指標的檢測，對于保證腦電圖機的質(zhì)量至關(guān)重要。本研究旨在針對數(shù)字腦電圖機關(guān)鍵技術(shù)指標的檢測方法進行討論，為提高腦電信號檢測水平提供指導(dǎo)。

1 數(shù)字腦電圖機關(guān)鍵指標

數(shù)字腦電圖機在模擬機放大器的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)據(jù)采集器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器，電極檢測到的模擬電信號經(jīng)放大器后，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字量進行存儲，存儲的數(shù)據(jù)經(jīng)腦電信號的頻域分析功能進行分析，其結(jié)果以功率譜地形圖的形式顯示。腦電功率地形圖顯示的是腦電各個頻段的功率沿頭皮表面的空間分布[3]。

數(shù)字腦電圖機的核心部件是放大器。而前置放大電路又是放大器中最重要的部分，直接決定了腦電圖機性能的好壞。設(shè)計前置放大電路的核心指標是較高的共模抑制比和較高的輸入阻抗。

由于腦電信號是一種比較微弱的信號，而外界干擾又比較大，如果電路設(shè)計不好，有用信號往往會被淹沒。干擾源一般包括：高頻電磁干擾、50 Hz工頻干擾、極化電壓以及其他生物電信號等[5-6]。由于50 Hz工頻干擾以共模形式存在，前置放大電路需要對其有一定的抑制能力，后續(xù)的陷波電路能夠進一步抑制殘余的工頻干擾。同時，腦電信號較為微弱，前置放大電路還需要有足夠的輸入阻抗來盡可能多地分得微弱的腦電信號。在工程上一般是犧牲放大倍率以提高電路的輸入阻抗與共模抑制比，多采用差分放大器的形式。

數(shù)字腦電圖機及腦電地形圖儀性能的檢測所依據(jù)的技術(shù)文件是JJG954-2000《數(shù)字腦電圖儀及腦電地形圖儀檢定規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）[7]?！兑?guī)程》對被檢設(shè)備的電壓測量、時間間隔、時間常數(shù)、幅頻特性、功率譜頻率、功率譜幅度、噪聲、共模抑制比、耐極化電壓等參數(shù)提出了具體的要求。其中，共模抑制比、耐極化電壓、噪聲、幅頻特性、功率譜幅度及頻率等指標的檢測具有一定難度，而目前對于上述指標的檢測方法的研究相對匱乏。筆者主要針對這些指標的檢測原理及方法展開研究。

2 數(shù)字腦電圖機檢測技術(shù)

數(shù)字腦電圖機檢測時的具體連接示意圖，見圖1。其中，檢定儀相當(dāng)于一個標準的信號源，向被檢設(shè)備輸入特定波形、特定頻率、特定幅值的信號。被檢設(shè)備設(shè)置為單極導(dǎo)聯(lián)，所有的活動電極通過腦電的分線盒并聯(lián)，即檢定儀輸出的電壓型號可以同步輸入到所有的腦電電極中。兩耳電極并聯(lián)后為參考電極。由于腦電信號比較微弱，數(shù)量級遠遠小于檢定儀的輸出信號，因此使用衰減器將檢定儀輸出的信號衰減1000倍后，再傳送給各腦電極。

圖1 腦電圖機檢測連接示意圖

下面就數(shù)字腦電圖機重要指標參數(shù)的檢測原理及方法進行討論。

2.1 共模抑制比

大腦表面的共模信號（對地而言）幅度可達10 mV，主要來源于工頻干擾（50 Hz）[8]以及其他生理參數(shù)。因此，相對于腦電信號來說，干擾是巨大的。如果放大器的前級稍不匹配，就會把共模信號轉(zhuǎn)化成差模信號，影響測量結(jié)果。因此共模抑制比是腦電圖機設(shè)計的重要指標之一?！兑?guī)程》要求腦電圖機的共模抑制比應(yīng)≥80 dB，這說明1 mV的共模干擾和0.1 μV的差模信號具有相同的輸出。檢測時，首先應(yīng)合理設(shè)置被檢設(shè)備的時間常數(shù)和高頻濾波器，以能通過所需帶寬為依據(jù)（如時間常數(shù)設(shè)置為1 s，高通截止頻率應(yīng)設(shè)置為30 Hz）。

向被檢設(shè)備輸入頻率為10 Hz、峰-峰值為100 μV的差模信號，記錄各通道中差模輸出信號幅值Ud，然后向被檢設(shè)備輸入頻率為10 Hz、峰-峰值為K*100 μV的共模信號，記錄各道共模信號幅值Uc，按照如下公式計算共模抑制比，其中最小值不小于80 dB。

2.2 耐極化電壓

極化電壓在生物體中廣泛存在，寄生于皮膚與接觸電極之間構(gòu)成了化學(xué)電池，進而產(chǎn)生直流電壓。耐極化電壓幅值較高，為幾個毫伏到幾百個毫伏之間的直流信號。如果放大器的前級不對此進行處理，毫伏級的電壓經(jīng)過放大之后，會造成信號的飽和（信號電壓達到放電器的供電電壓）而導(dǎo)致腦電圖機無法正常工作。有的腦電放大器前端會通過加入高通RC電路的方式濾掉極化電壓。

針對這種情況，《規(guī)程》規(guī)定檢測時向被檢設(shè)備輸入峰-峰值為100 μV、周期為1 s的方波信號，記錄其幅值。之后分別加入+300 mV和-300 mV的直流極化電壓，分別記錄幅值。加入極化電壓之前和之后的幅值變化不應(yīng)超過5％，較好的設(shè)備可承受±500 mV的極化電壓。

2.3 噪聲

噪聲主要來自于腦電圖機本身，很大程度上是由前級的信噪比決定的，如果前級不能很好地抑制噪聲，噪聲將經(jīng)過后級放大。檢測時，應(yīng)將儀器的各通道對地短接，記錄10 s的連續(xù)波形，記錄最大的峰-峰值A(chǔ)n即為噪聲，An不能大于5μV。

2.4 幅頻特性

此參數(shù)主要考察數(shù)字腦電圖機硬件部分與軟件部分的濾波功能，根本要求是硬件和軟件的濾波功能不能較大程度地改變有用信號的幅度。這項指標的檢測實質(zhì)是檢測硬件濾波器與軟件濾波器的截止頻率。一般腦電有用信號的最高頻率為30 Hz，因此在檢測時，可以向被檢設(shè)備輸入峰-峰值為100 μV，頻率分別為1、5、10、20、30 Hz的標準正弦波信號，記錄幅值。其他頻率的幅度值與10 Hz信號的幅度值偏差應(yīng)在-30％～5％之間。

2.5 功率譜幅度和功率譜頻率

這兩個參數(shù)分析的是后續(xù)數(shù)字信號處理（FFT）的效果。檢測時，把整個頻段分為α波、β波、θ波、δ波等幾段。在每一段任取頻率點，向被檢設(shè)備輸入峰-峰值為100 μV的正弦波信號，各腦區(qū)的頻譜的幅度值與平均幅度值的偏差不能超過±10％，各腦區(qū)頻譜的頻率與標準正弦波的頻率的偏差不能超過±5％。

3 實際測試結(jié)果與討論

本研究針對某數(shù)字腦電圖機進行了上述指標的檢測。圖2為該數(shù)字腦電圖機在K取值為10000時的共模抑制比檢測波形。當(dāng)差模輸入幅值為0.05 mV時，差模輸出幅值為0.05 V，即放大倍數(shù)為1000倍；而當(dāng)共模輸入幅值為0.5 V時，共模輸出幅值為0.03 V。根據(jù)式（1）計算可知：CMRR=20lg10000+20lg（0.05/0.03）=84.4 dB，符合標準要求。

圖3為加上+300 mV極化電壓時的檢測波形。在加入極化電壓前，輸入信號峰-峰值為0.1 mV，輸出信號峰-峰值為0.1 V；當(dāng)加入+300 mV的極化電壓后，輸入信號基線漂移到了300 mV，而輸出信號基線仍在0 V左右，可見該腦電圖機對極化電壓具有抑制作用。

圖4為噪聲檢測波形，由圖可見，噪聲的峰-峰值均小于5 μV，說明該腦電圖機滿足標準要求。

圖4 噪聲檢測波形

圖5顯示了頻率分別為1、5、10、20、30 Hz，峰-峰值為100 μV的標準正弦輸入下，輸出波形幅值的微小偏差。當(dāng)輸入信號頻率為10 Hz時，輸出信號的峰-峰值為0.1038 V，放大倍數(shù)為1038倍；當(dāng)輸入信號頻率為5 Hz時，放大倍數(shù)比10 Hz時的放大倍數(shù)增大了0.77％，符合標準要求；其他輸入頻率下的放大倍數(shù)均小于10 Hz時的放大倍數(shù)，其中30 Hz時的放大倍數(shù)最小，比10 Hz時減小了6.84％，也符合標準要求。

圖5 不同頻率輸入下的輸出波形

圖6顯示了輸入峰-峰值為100 μV、頻率為10 Hz的正弦信號時，兩個腦區(qū)輸出的幅頻特性圖，兩個腦區(qū)顯示頻率和信號幅值都略有差異，但仍在標準要求范圍內(nèi)。

圖6 10 Hz輸入頻率下兩個腦區(qū)輸出的幅頻特性圖

對于共模抑制比、耐極化電壓等關(guān)鍵指標的檢測可以表征電極、放大器、濾波電路、數(shù)字信號處理等數(shù)字腦電圖機核心模塊的性能，對于保證腦電圖機的質(zhì)量具有重要意義。由上述檢測結(jié)果可見，該數(shù)字腦電機的上述檢測指標均符合標準要求，說明其電極、放大器、濾波電路等部分的性能較好。

4 結(jié)語

本研究對腦電圖機的檢測技術(shù)展開討論，詳細論述了共模抑制比、耐極化電壓等關(guān)鍵指標的檢測技術(shù)及方法。這些指標關(guān)系到腦電圖機電極、放大器、濾波電路等的整體性能，針對這些指標的研究可為腦電圖機的檢測提供指導(dǎo)。

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Study on the Design Princip le and M easurement Technology of Digital Electroencephalograph

HOU Xiao-xu, LI Jia-ge, REN Hai-ping
Institute for Medical Devices Control, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China

Digital electroencephalograph is a machine for amplifying and recording electroencephalogram, of which, common mode rejection ratio, polarization resistance voltage, noise, amplitude-frequency characteristic, power spectrum amplification and frequency are the critical indicators for its measurement. However, the study on the measurement of these indicators is relatively lacking. This paper discussed the principle and these critical indicators of electroencephalograph, which might provide guidance for related personnel.

digital electroencephalograph；common mode rejection ratio；polarization resistance voltage；noise；amplitude-frequency characteristics；power spectrum

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.11.010

1674-1633（2015）11-0032-03

2015-05-07

2015-06-14

作者郵箱：renhaiping@nifdc．org．cn