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多通道基于PC的数据采集系统的高分辨率脑电图
W. J.罗斯·邓西思 和 爱德华·凯利
摘要--本文介绍了一种高分辨率脑电信号完整、高性能的数据采集系统。该系统包括前置放大的脑电电极，坚硬的头盔，鉴别仪器和软件可控增益放大器，数字化控制电路和光学耦合到一个486的PC。微型前置放大器安装在单个电极降低外界电磁耦合和减少通过增加和/或不平衡的电极阻抗引起的信号失真。电极被迅速的应用并且以最小的皮肤准备，然而，高的堆积密度和定位一致的约1-3毫米重复应用。在现实条件下进行了广泛的测试表明，与目前可用的商业系统相比，该系统提供了卓越的电气性能。
I介绍
最近出现的高分辨率脑电图作为人类一种重要的功能性成像技术，使得在数据采集硬件各方面迫切需要进一步改进再次，特别是对主体的重要接口。
在我们的实验室，这一般需要一个特别尖锐的形式，因为我们的长期目标是将无创可视化，和在尽可能多的空间细节我们可以实现人类的初级躯体感觉皮层（SI）响应于长时间的振动触觉刺激的不断的模式的变化。这一理论驱动的脑电图研究计划的主要神经生理背景和研究策略是在别处的细节中描述的；其核心技术的挑战，在脑电数据采集方面，是提供快速、可重复使用高达128的紧密间隔的头皮电极阵列的方法，并在诱发活动的空间结构中准确的测量小的振幅和相位梯度的装置。
我们已经通过将对于我们每一个受试者定制的刚性电极头盔和包括直接安装在电极上的微型高电阻前置放大器的定制的基于PC的数据采集系统结合起来来解决这些需求。这个刚性头盔已经提供了用于记录位置的快速并可重复的定位，并提供一个稳定的框架用于固定电极组件。放大电极可用于弹性帽或测网，并赋予各种更基本的优点：首先，减少通常连接到电极导线的来自环境电噪声源（如电源线）的干扰。其次，他们利用屏蔽电缆排除所遇到的引线弯曲工件和消除引线长度的限制。最重要的是，皮肤接触阻抗可以增加远高于常规5-10 kOmega;而不引起显著的信号失真或共模电压干扰。这反过来又允许使用基本上没有应用皮肤的准备和在高包装密度的较小的电极。随着消除引线长度的要求，个别电极导线可以调整大小以允许轻松地捆绑大量的引线在一起，以抑制来自电源或线圈驱动的刺激的磁感应干扰。
所描述的系统采用这些方法结合现代集成电路技术，以提供一个小型，灵活和低成本的数据采集系统，其性能大大超过现有的大型和昂贵的商业系统。该系统具有低噪声、高共模抑制比（CMR），隔离病人，高增益，在所有通道采样保持电路，和适当的带宽（1-1000赫兹）和采样率（每通道2千赫）。最可调功能是软件控制，自动校准装置是内置的。虽然大多数的通道是一个单一的共同的参考铅最初引用的，该系统还提供了一个选择单独的参考几个通道（例如，为周边录音）。由于潜在的电路不稳定所产生的多个引用的身体上的距离，和非常高的收益，100分贝或以上的外围渠道经常与圣标准的EEG头皮渠道收益，该系统不采用类似于遥远的右腿电路（如[ 7 ]描述）的驱动的接地电极，以抑制外部干扰。相反，我们用将电极的前置放大器，低阻抗接地电极和高度的系统隔离相结合以达到一种相当的抗外部电磁噪声源。
II方法
A.电极
通过将非常小的前置放大器和压模银-氯化银混入一个密封的装置，我们已经有效地解决了大型阵列电极应用问题。利用表面贴装元件和双面电路板，,电极的前置放大器的相关电子电路的尺寸减少到约115times;10times;15毫米。如图1所示，作为一个电极座（3），内径3mm,长度15mm的一个金属管（2）安装在电路板的一端（1）并且连接到前置放大器的输入端。电极是直径1.5mm，长度3mm用银导线（4）嵌入在一端的压缩银-氯化银（Ag-AgCl）的圆柱（体内的度量，E201M颗粒）。电极的安装是用环氧树脂胶将颗粒，使银-氯化银表面与金属管接触来实现。管和电路板用环氧树脂和热收缩管密封，以防止接触金属表面的生理盐水，从而防止极化噪声电位的产生。在顶端，银-氯化银颗粒突出约2毫米的电极表面形成。一个微型的4线屏蔽电缆电子（5）安装在前置放大器的相对端，完成电极/前置放大器的建设。对于前置放大器电路和结构的进一步细节见图3和随附文本。
B头盔和电极应用程序
刚性和贴身合适的亚克力头盔构建了三个科目，使用程序由Aray等人改编。我们成立了一个实体模型的对象的头部，首先应用快速设置牙科石膏一层浸湿的纱布和藻酸盐印模材料涂覆到紧身的塑料帽，然后填充造成模具石膏。头盔通过用凡士林油石模型和流动的快凝（SUR托盘）的丙烯酸树脂直到所需厚度（约3-4毫米）覆盖在上面了来制成。在头盔所需的电极位置上下钻了孔，并用一个用于摩擦配合的15毫米的长度的塑料管插入以支持电极组件。塑料管的外径为8毫米，从而限制中心到中心电极间距为约10毫米的最小值。虽然这在原则上可以减少大约一半在电极结构的改进，但是现有资料表明，在10毫米中心间距约5 mm电极应在不受空间混叠效应失真感的情况下提供最大可能的空间分辨率接近最佳。在一个单独的过程中，相对于脑电记录位置的阵列在硅的附近，使用磁共振成像技术，对于每个主体通过头盔皮质结构的布局也明确可视化。
为了我们的目的，头盔结构的初始成本是多偏移量的易用性和准确度的电极放置，它能为后续的主题研究。因为房头常规孤独的偏离理想化的对称性假定的标准（10-20）电极位置系统，贴身合适的头盔可以提供一个令人惊讶的高记录位置的跨届重复性。
对于每一个我们的研究对象而言，例如，随着重复不同的时间间隔的阵列的位置，通过在对广泛的间隔阵列位置对应的头皮位置标记不同颜色，从而进行简单的评估。由于位置之间，误差是必然相关的，每个重复测量得出的一个数字就是作为一个结果对于该位置的平均误差。对于这三个主体而言，这些错误的平均值只有约2plusmn;1毫米。此外，我们最近采用了一种新的方法，使用热塑性塑料铸造胶带（以下14），保留了我们原来的方法的优点，同时大大降低了它的难度和成本。
我们通常使用对于地来说的一个心电图垫电极在前额上，和一个耳朵上的夹子电极，作为最初的共同参考。地电极被应用在常规的磨损，以减少皮肤接触阻抗低于5 KOmega;。为了适用于头皮电极，我们首先使用一个不锋利的针在每个塑料管底部的头发上。一个小（5.5毫米）手术棉球（里士满牙科有限公司），以前浸泡在生理盐水中，然后用钳子插入到管和电极尖端随后立即插入。以这种方式，平均使用电极的时间不到二十秒。在10 Hz的情况下用7-mu;A阻抗仪（RMS）测试电流通常可以观察到阻抗被测量为20-40 KOmega;，同时最大值有100 KOmega;。密集的棉花球不容易受到过多的电极之间的水分或吸到头发之间，任何多余的水分不会在由于头皮的热量而在棉花球下相当迅速的趋向干出。大部分的水分在塑料管内存在，水分是压贴紧头皮的。阻抗测试是在这样的安排下（使用过度饱和的棉花球模拟最坏情况下的“马虎”应用）执行，它表明两相邻信号电极之间的阻抗基本上等于每个信号电极和遥远的低阻抗地电极（1kOmega;）之间的阻抗的总和。因此，没有发生紧密间隔的信号电极与生理盐水的桥接。信号采集通常发生在30秒的电极的应用，并且我们没有观察到信号恶化，是由于干燥的电极在实验的持续时间长达三小时（见图2）。
C.电路描述
如图32通道模块（图3）的一个通道的方框图，该系统的模拟部分分为三个部分。在个别电极位点、低噪声前置放大器（增益= 10）像上述的那样被包含在各电极的结构中。在第二个部分中，每个电极的信号被连接到一个仪表放大器（增益= 10），放大器在主体旁边的一个屏蔽外壳中。第三部分由主放大器、滤波器、采样/保持放大器和信号多路复用器组成，位于远离主体约2米的地方。电极放大器使用的是在放大器组合中实现的德克萨斯仪器TCL220 1ACD运算放大器。用TCL2201ACD的100 pA的最大输入偏置电流，前置放大器落下H系列UL544限制为14 mu;A的直流泄漏电流的几个数量级，同时隔离病人连接。一个1kOmega;的电阻接在同相输入前置放大器系列上，并结合连接在反相和同相输入保护的tcl2201ACD的CMOS输入端的并联反向二极管，由于外部来源，如服装上的静电积累，破坏了电压。该保护电路的前置放大器的输入阻抗约为1000MOmega;。与此相反，标准保护电路使用连接在放大器输入端与接地之间的二极管在脑电图频率和振幅中降低了的输入阻抗直至1 MOmega;，这是由于在二极管泄漏电流。这反过来，如果要避免信号失真，就严重地限制了可允许电极阻抗的范围。以1000MOmega;的输入阻抗，但是，在没有显著地信号失真的情况下，电极阻抗能够高达1MOmega;。
电极的前置放大器的增益保持在较低水平，是为了防止直流电极和皮肤电位的饱和，并在整个数组内保持0.1%公差为了信号和参考前置放大器之间保持紧密的配合。这是实现高共模抑制比的关键。作为一个结果，所有前置放大器的增益电阻必须精心挑选的。
小型多芯电缆（长12 m）连接电极放大器到在主体旁边的房屋内的一套多达128个仪表放大器（(Burr Brown INA101U）。在每一个输入信号中，一个可变电压分压器被用于削减共模抑制比。对于日常维护我们已经为该系统编写的程序来说，该调整是简单和快速的，并已证明至少一年的时间是稳定的。仪表放大器的增益保持在较低水平，是为了防止来自直流电位的放大器达到饱和，但来自前置放大器和仪表放大器的合并增益足以驱动信号通过一个3米或更长的电缆。校准由电压控制的正弦波振荡器构成的电路与仪表放大器位于同一电路板上。振荡器是数字控制（虽然减少噪音没有数字线路进入该板）是为了从5-1000 Hz以频率梯阶来扫描从而校准。为了直接耦合到电极，分压器将校准信号降低到了70uV 的共模抑制比，并且分别编号，并存放在机箱前面的一个有机玻璃支架上。位于支架下方的2个单独的导电泡沫垫提供电气触点，一个用于信号电极，另一个用于参考电极。为了稳定银-氯化银电极端，孤立的地电位在泡沫垫和实验之间保持，并且校准信号在每个实验之前应用于信号垫。定位单个通道和执行自动校准由于这一安排被简化了。在模拟子系统的第三部分中，每个电路板的32个通道的一组位于计算机旁边的一个机架安装盒中。每个通道都包含一个1赫兹单极点高通滤波器，高增益放大器（增益= 200），4极低通滤波器（巴特沃斯、1kHz截止），软件可编程增益放大器（模拟设备AD526J），和采样保持放大器。此外，路由采样信号的数字化多路复用器位于电路板，为了完成了128通道系统将它们堆叠起来。为了减少元件数量和简化数据采集硬件，我们选择安装单宽的带宽。当较小针对于生理现象的信号带宽被保证了，数字滤波和在软件上的采样抽取的实现是用于减少数据。数字控制下可获得五个增益范围：160、80、40、20和10mu;V的 最大峰值幅度。异常高的收益被选为微伏振动驱动响应的精确测量提供适当的数值范围，并且记录在头皮和如手腕的外周部位。
该系统的数字部分是在一个与模拟箱相邻的单独的屏蔽外壳，目的是以最大限度地提高模拟和数字电路的分离。在本部分，所有的数字控制，定时，多路复用，模拟-数字转换和数字数据传输功能被纳入一个单一的电路板。对于32通道数字转换模拟系统由模拟设备AD578芯片来完成，在3微秒执行12位转换。增加分辨率是没有用的因为在高增益应用甚至获得当前固态电子技术的最低噪声放大器也将淹没在额外的噪声比特中。数字化数据传输通过约3米的光学隔离线到一个接口在计算机的并行端口。对于32个通道来说，一个CyberResearch CYDIO 24H的数字I/O卡，在中断的数据采集系统的驱动下，以高达每通道2千赫的采样率来收集数据是足够快的。对于较大的数字渠道、有DMA功能的数字I/O板可用于处理高速数据传输到计算机。对于采样和数字化电路的所有定时都是由晶体振荡器控制，这是由于用户选择采样率为每秒每通道可用的128，256，512，1024，和2048个样本。虽然它可能似乎硬件滤波器的固定宽带能够阻止调整采样率的需要，与个别相比的普通脑电图的内在的限制设计一个简单的和经济的减少数据的方法。值得注意的是，对于所有通道的采样和保持，通道之间的仪器原点的相位差异是能够有效地消除（提供的系统响应信道的功能是相同的）。
该系统的电源是由位于数字机箱可充电的铅酸电池提供的。我们最初使用的隔离开关电源来供给，但发现1）系统分离是至少100 pF的退化，和2）在建筑内高水平的射频干扰经过交流电源线进入到系统内。此外，大型哈希扼流圈和电容器在直流电源线来过滤暂态过电压。射频干扰提出了最严重的问题，但是，导致在电源和接地轨的同步噪声（混合20兆赫和未知起源的100兆赫的载波）造成A/D转换器，目的是产生丢失的代码[ 19 ]。消除交流电源线和最大限度地隔离关于交流电源和接地的系统，加上额外的去耦的一个A/D转换器，并且消除丢失的A/D代码。只有通过位于数字线路的光电隔离器将系统连接到接地装置，无论模拟通道的数量，一个高的隔离度以最低的成本和功耗被保持。一个32通道系统可以连续运行八小时，是用测量只有15times;30times;18厘米的一个单一的电池包。
III结果
在一个非屏蔽环境中的一个32通道实现的系统测试显示出良好的性能。对所有通道（1kHz带宽），系统电气噪声，包括电极/生理盐水接口（电极放在生理盐水中的提示），平均为0.57plusmn;0.04uv RMS（简称输入）。高高共模抑制比在60赫兹时测试为85-90分贝，而且通道之间的串扰抑制大于80 dB。增益特性匹配到2.5%内在软件校正前，- 3分贝点在0.9赫兹和1千赫之间，平坦的通带（lt; 0.5分贝）在3到400赫兹之间，渠道之间的相位差是不可测量的。
数据转换软件产生的同步数字噪声（和其他来源的同步干扰，如上文所述的环境射频载波）先前已被证明是主要是一个A/D转换系统性能下降所产生的。通过使用该描述的方法，因此，我们研究了在响应于三角波的幅度稍微超过输入范围时的转换器产生的A/D二维码的分布。频率在码数的角度分布呈基本持平（除了预期的统计波动），其频谱显示没有周期性。为了量化系统的噪声免疫力现实的实验条件下，我们构建了一个
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