腦電傳感器并不復(fù)雜，只是精度很難保證。

　　本質(zhì)上就是一個(gè)金屬電極加上一個(gè)放大器（前置保護(hù)），主要是防止傳輸過程中電壓發(fā)生改變。

　　一、介紹

　　腦電波（EEG）檢測其實(shí)和在醫(yī)院常見的心電圖（ECG）原理很類似，都是利用電極來檢測電壓的變化。

　　先來一張心電圖的圖片差分方法電路的特點(diǎn)：

　　正常心電圖

　　電極涂上導(dǎo)電的膠狀物（電解質(zhì)，含有豐富的導(dǎo)電離子）后與貼在胸部就能測量心臟搏動(dòng)引起的微弱電壓變化（毫伏級(jí)），然后就能繪制出上面的心電圖了。

　　對(duì)于腦電波（Electroencephalography）而言，大腦的神經(jīng)元活動(dòng)通過離子傳導(dǎo)到達(dá)大腦皮層，固定在頭上導(dǎo)電電極感應(yīng)到這種微弱的電壓變化，通過差分放大，濾波，數(shù)模轉(zhuǎn)換等一系列手段最終將電信號(hào)變成腦電波的原始數(shù)據(jù)。下圖是標(biāo)準(zhǔn)的10-20系統(tǒng)，不同位置表示不同的區(qū)域，比如O1，O2能夠測量視覺神經(jīng)的反應(yīng)。

　　但是腦電波相對(duì)于心電波以及肌電波來說，檢測上更加困難，原因如下：

　　1.不像心電波，腦電波引起的電壓變化是微伏數(shù)量級(jí)，如此微小的電壓變化自然更加難以檢測。

　　2.信噪比超低，干擾信號(hào)比有效數(shù)據(jù)的幅值更大，使得信號(hào)基本被噪聲湮沒，分離難度很大。這里的噪聲主要有：頭部運(yùn)動(dòng)，面部肌肉運(yùn)動(dòng)造成的干擾。接觸問題引發(fā)的干擾，信號(hào)傳送過程產(chǎn)生的噪聲，電源波動(dòng)引發(fā)的干擾等等，甚至空氣濕度都可能會(huì)造成干擾。

　　說了這么多可能還有人有疑問，這個(gè)電極是什么？讓我用人話告訴差分方法電路的特點(diǎn)你好了，電極就是金屬片！有沒有覺得很低端？幾十年了為毛還是金屬片難道沒有什么高大上的新型傳感器么？什么納米材料啊，MEMS啊都沒有么？抱歉都沒有，不像一般的傳感器，光線傳感器通過光敏電阻將光信號(hào)變成電信號(hào)，壓力傳感器通過壓敏電阻測量壓力。因?yàn)楸緛砭陀须妷鹤兓?，所以腦電波傳感器僅僅需要一個(gè)金屬片固定在差分方法電路的特點(diǎn)你的腦袋上。核心的檢測電路早在30年前就已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來，之說以最近很熱門，主要是因?yàn)橄嚓P(guān)的去噪算法越來越完善以及數(shù)據(jù)處理能力越來越強(qiáng)大。在基本硬件設(shè)計(jì)方面并沒有很大的創(chuàng)新。

　　二、電極分類

　　1.濕電極（Ag/AgCl）一般用于醫(yī)學(xué)研究，科學(xué)研究

　　一般都和上圖的類似，這個(gè)帽子按照10-20系統(tǒng)固定有若干電極（Ag/AgCl），帶上頭套之后電極就貼在頭皮上了。然后連接上一根根的導(dǎo)線，在每一個(gè)電極上灌上黏黏的導(dǎo)電膠，導(dǎo)電膠中離子與電極之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，構(gòu)成原電池，使得接觸電阻非常低通過軟件確認(rèn)每個(gè)觸點(diǎn)的是否與頭皮充分接觸后就可以開始進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)了。優(yōu)點(diǎn)是接觸電阻小，干擾小，得到數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。但是也帶來了很多麻煩，答主當(dāng)小白鼠那次戴帽子上導(dǎo)電膠用了半個(gè)小時(shí)，測試了半個(gè)小時(shí)，然后洗頭洗了2個(gè)小時(shí)，做完一次實(shí)驗(yàn)打死也不去那個(gè)實(shí)驗(yàn)室了。

　　2.干性電極：一般用于健康監(jiān)測，玩具等非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

　　像Emotiv（Emotiv | EEG System）和神念科技NeuroSky | Body and Mind. Quantified.這些商用的腦電波產(chǎn)品都是選用的干電極，原因是舒適，使用方便，做成耳機(jī)模樣，設(shè)置幾個(gè)電極，用的時(shí)候帶上就好了。

　　學(xué)校購買了神念的這款mindwave，額頭前端采用的是金屬觸點(diǎn)，左邊的夾子夾在耳朵上作為電壓的reference，實(shí)際體現(xiàn)的效果是測試精準(zhǔn)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如用濕性電極的那套儀器。當(dāng)然2者售價(jià)也相差了幾百倍。。。

　　Emotiv的產(chǎn)品沒有見到過實(shí)物，看了他們?cè)缒甑腡ED演講以及去年在kickstarter上的眾籌如果真如視頻所說那應(yīng)該是挺不錯(cuò)的產(chǎn)品。之前有一位從事植入式腦電波芯片設(shè)計(jì)的教授猜想Emotiv的傳感器是用的一種導(dǎo)電塑料取代的金屬電極，本質(zhì)上還是傳統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并沒有引入新穎的傳感器。

　　然后這是我用的電極：EEG-AE - Open Source Hardware Board

　　電路圖鏈接里面有這里就不貼了

　　3.植入式電極陣列

　　目前植入式算是比較前沿的東西，因?yàn)橹苯勇袢腩^皮中捕獲神經(jīng)元的電信號(hào)，避免了絕大多數(shù)干擾，在精確度上都優(yōu)勢明顯。電極部分都做成下圖這種恐怖的針狀整列。

　　并且一般做成專門的芯片，包含無線供電，無線通訊，數(shù)據(jù)處理等等。

　　三、電路結(jié)構(gòu)

　　腦電信號(hào)是由腦神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生并且始終存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自發(fā)性電位活動(dòng)，是一種重要的生物電信號(hào)。在進(jìn)行大腦疾病診斷的過程中需要對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行記錄，以提供臨床數(shù)據(jù)和診斷的依據(jù)。因此腦電信號(hào)采集系統(tǒng)具有非常重要的臨床意義。

　　腦電圖（EEG）是反映大腦的電活動(dòng)，它是用放在頭皮表面的電極檢測并經(jīng)方大的與大腦神經(jīng)活動(dòng)有關(guān)的生物電位。頭皮表面的EEG信號(hào)范圍為1～100μV（峰－峰），頻率范圍0.5～100HZ，頭質(zhì)電位約1mV。而在頭皮表面測量的腦干信號(hào)的峰－峰值卻不大于0.25μV，頻率在100～3000HZ之間。顯然，腦電圖的特征與大腦皮質(zhì)的活動(dòng)程度有很大的關(guān)系，如腦電在覺醒和睡眠狀態(tài)有明顯的變化差分方法電路的特點(diǎn)；通常腦電圖是不規(guī)則的，但在異常場合卻會(huì)表現(xiàn)出特殊的形式，如癲癇腦電表現(xiàn)有特異的棘波。

　　依年齡不同其基本波的頻率也不同，如3歲以下小兒以δ波為主，3-6歲以θ波為主，隨年齡增長，α波逐漸增多，到成年人時(shí)以α波為主，但年齡之間無明確的嚴(yán)格界限，如有的兒童4、5歲枕部α波已很明顯。正常成年人在清醒、安靜、閉眼時(shí)，腦波的基本節(jié)律是枕部α波為主，其他部位則是以α波間有少量慢波為主。判斷腦波是否正常，主要是根據(jù)其年齡，對(duì)腦波的頻率、波幅、兩側(cè)的對(duì)稱性以及慢波的數(shù)量、部位、出現(xiàn)方式及有無病理波等進(jìn)行分析。

　　腦電信號(hào)頻率范圍：DC～100HZ差分方法電路的特點(diǎn)；診斷得主要成分在0.5～100HZ范圍

　　正常信號(hào)范圍：15～100μV

　　因?yàn)槟X電正常信號(hào)范圍：15～100μv，要放大到v的量級(jí)上，應(yīng)放大10000～50000，取其中，放大10000倍，放大后0.45～3v。

　　分配至流程圖中：前置放大器：500倍；后置放大器：20倍。

　　（原本放大30000倍，但是信號(hào)幅度太大，示波器顯示截止，故縮小放大倍數(shù)為10000倍）。

　　輸入級(jí)特性：低輸入噪聲（≦3μvP－P）；高增益（ 104～5×104）；高共模抑制比（KCMR≧80dB）；低漂移和高輸入阻抗（≧10MΩ）；還有低頻交流耦合工作（1HZ或更低）等。

　　腦電信號(hào)檢測中噪聲及其抑制方法的探討：

　　首先是電極噪聲，由于電極極化產(chǎn)生的噪聲，對(duì)此干擾采用銀—氯化銀電極，是一種不易極化的電極，極化電壓僅數(shù)毫伏，而選用的前置儀用放大器AD620輸入失調(diào)電壓僅為50μV，再加上對(duì)共模信號(hào)有較好的抑制作用只有各輸入端的極化電壓的不對(duì)稱部分才會(huì)放大電路產(chǎn)生不利影響（使放大器進(jìn)入非線性區(qū)），所以前置放大器的增益可以做到盡量大。

　　同時(shí)我們還應(yīng)考慮到前置放大對(duì)整個(gè)放大電路的噪聲貢獻(xiàn)，放大器噪聲一般隨第一級(jí)增益的提高而明顯變差，又考慮到提高放大器的增益有利于提高共模抑制比，綜合各種有利和不利因素，最終確定前置放大器的增益為100倍。高通濾波電路的設(shè)計(jì)：由于人體存在極化電位，這些電信號(hào)是直流信號(hào)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)高通濾波器將這些直流濾除，電路采取RC有源二階。對(duì)環(huán)境中的高頻信號(hào)，主要采取低通濾波的方法，用截止頻率為60Hz的二階巴特沃茲濾波電路進(jìn)行濾波，同時(shí)還可以對(duì)心電和肌電干擾進(jìn)行有效的衰減。對(duì)50Hz電場干擾的抑制主要采取在電路中加一級(jí)50Hz陷波電路來實(shí)現(xiàn)，此外隔離放大器和高共模抑制比的前置放大電路也在一定程度上對(duì)50Hz電場和泄露電流干擾也起到了抑制作用。

　　由于在芯片的選用過程中注意到都選用低噪聲的芯片，尤其是前級(jí)放大電路，選用AD620，因此也可以最大限度地抑制電子器件的噪聲。

　　電路結(jié)構(gòu)大體設(shè)計(jì)為前置放大電路，高通濾波，隔離放大，低通濾波及陷波電路，后置放大電路。具體框圖如下：

　　前置放大器：

　　選用低噪聲的集成儀器放大器AD620作為放大器的核心元件。（MAX4194商店沒有賣）。

　　AD620，根據(jù)增益計(jì)算公式AG＝1＋50KΩ/RG可得RG＝100.2Ω，取RG＝100Ω。增益誤差為0.2％。

　　保護(hù)電路要求在輸入出現(xiàn)5000v高壓時(shí)不會(huì)損壞電路，二極管D選用低漏電的微型二極管1N4148，其最大允許通過的瞬時(shí)電流為100mA，因此，極限保護(hù)電阻R1＝R2＝50KΩ。

　　無源低通濾波器的截至頻率為100HZ，由此可以計(jì)算得到C1＝C2＝（2ΠfR）-1＝0.0318μv?？紤]到存在電極與人體接觸阻抗等信號(hào)源內(nèi)阻和電容取系列值等因素，實(shí)際取C1＝C2＝0.033μv。

　　光電隔離電路與高通濾波器：

　　提高系統(tǒng)的抗干擾性能、安全性能和可靠性，使前級(jí)放大器和后級(jí)放大器沒有電的聯(lián)系，而是通過光或磁來耦合信號(hào)。

　　其中R2＝R3＝1KΩ，C1＝0.22μF，為了減小信號(hào)漂移，在光電耦合后面，用C1組建樂一個(gè)無源高通濾波器，再接葛跟隨器。R1＝1/2ΠfC1，其中f＝0.5HZ，得R1＝910 KΩ。

　　低通濾波器：

　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)，2階低通濾波效果不理想，于是改成6階。

　　根據(jù)歸一化算其參數(shù)：截止頻率f＝100HZ，電阻都選用10 KΩ，C1＝0.15μF，C2＝0.15μF ，C3＝0.1μF，C4＝0.22μF ，C5＝0.047μF，C6＝0.56μF。

　　后置放大器：

　　為了達(dá)到10000倍放大，后面加一個(gè)增益為20的負(fù)反饋放大器，取R1＝10KΩ，R2＝200KΩ。

　　陷波器：

　　50HZ陷波器可以采用上圖所示正反饋的有源雙T帶阻濾波器，改電路的Q值隨著反饋系數(shù) 的增高而增大，式 給出了電路中Q值與 （0<β<1）的關(guān)系。但是，隨著β的增高，電路將會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定甚至自激，因此一般將Q值選在十至幾十的范圍內(nèi)。圖中Rw是10k電位器，調(diào)節(jié)Rw可以改變Q值大小。C的電容值由表選取，然后用式 計(jì)算R的阻值。

　　陷波器的中心頻率f＝50HZ，根據(jù)電容值初選參照表取C＝0.1μF，根據(jù)R＝（2ΠfC）-1得R＝30KΩ。Rw是10K的電位器。

　　交流直流轉(zhuǎn)換：

　　用變壓器先把220V轉(zhuǎn)換成12V，通過“橋式整流”（4支二極管）把交流電轉(zhuǎn)換成直流。再用4支電解電容來濾波，這樣可以消除交流噪聲 。

　　測試部分：

　　一 前置放大部分

　?。?）靜態(tài)工作點(diǎn) 將放大器兩輸入端對(duì)地短路，測量輸出電壓V=10.9mV

　　（2）輸入噪聲 按(1)測出電壓，計(jì)算輸入噪聲Vin==0.094mV

　　（3）輸入阻抗 將輸出接地，用萬用表電阻檔測量兩個(gè)輸入端Rin=22.2M

　　在輸入端串聯(lián)一個(gè)電阻，測量串聯(lián)電阻后的輸出電壓Vo1然后再測出不串聯(lián)該電阻時(shí)的輸出電壓Vo2，根據(jù)該電阻所分得的電壓，計(jì)算輸入電阻

　?。?）輸出阻抗 Rout=6.4K

　?。?）差模增益 將電壓接到一個(gè)輸入端，另一端接地，測量輸出電壓，計(jì)算差模增益

　　Vi=18.45mV,Vo=8.3V

　　Ad==450

　?。?）共模增益 將放大器輸入端共同接同一電壓，記入輸出電壓，計(jì)算共模增益

　　Vi=2V Voc=0.035V

　　Ac==0.0175

　?。?）計(jì)算共模抑制比 CMRR=20lg（Ad/Ac）＝88.2

　　由于共模抑制比不夠高，所以波形的噪聲較大，信噪比不高。

　?。?）零點(diǎn)漂移 將放大器的輸入對(duì)地短接，相隔10分鐘，用示波器兩次觀察輸出電壓的變化并計(jì)算

　　零點(diǎn)漂移＝30MV

　　二 光電耦合

　　Vi=2.38V Vo=2.15V

　　三 低通濾波器

　　理想截止頻率為100HZ

　　輸入電壓為10V，測量的電壓數(shù)據(jù)列表

　　頻率

　　70.54HZ

　　83.32HZ

　　90.04HZ

　　94.2HZ

　　96.53HZ

　　峰峰值

　　10V

　　9.8V

　　8.5V

　　7.07V（0.707）

　　6.54V

　　頻率

　　100HZ

　　109.1HZ

　　115.9HZ

　　120.4HZ

　　148.8HZ

　　峰峰值

　　4.30V

　　3.50V

　　1.20V

　　0.60V

　　0.184V

　　帶寬有些大了，所以引入了一些肌電信號(hào)，加大了干擾。

　　四 50HZ陷波

　　輸入電壓5V,測量電壓數(shù)據(jù)列表

　　頻率

　　13.75HZ

　　26.32HZ

　　30.08HZ

　　35.32HZ

　　39.96HZ

　　42.65HZ

　　峰峰值

　　5V

　　4.85V

　　4.56V

　　4.20V

　　4.02V

　　3.85V(0.707)

　　頻率

　　47HZ

　　50.12HZ

　　54.65HZ

　　57.71HZ

　　60.69HZ

　　76.65HZ

　　峰峰值

　　1.08V

　　0.520V（中心頻率）

　　1.20V

　　3.85V(0.707)

　　4.53V

　　4.86V

　　A recording. You can clearly see the (in my case very slow) alpha rythm.

　　Three eye blinks and tooth grinding.

　　神念科技，腦電模塊介紹：

　　此TGAM模塊可以處理并輸出腦波頻率譜，腦電信號(hào)質(zhì)量，原始腦電波和三個(gè)Neurosky的eSense參數(shù)：專注度，放松度和眨眼偵測。和人體的界面只需一個(gè)簡單的干接觸點(diǎn)，所以可以很容易的運(yùn)用于玩具，視頻游戲和健康設(shè)備中，又由于能耗小，適合用在以電池供電的便攜式消費(fèi)產(chǎn)品的應(yīng)用上。

　　TGAM模塊的特點(diǎn)及優(yōu)勢

　　? 能直接連接干接觸點(diǎn)，不像傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)用的濕傳感器使用時(shí)需要上導(dǎo)電膠

　　? 單EEG腦電通道有3個(gè)接觸點(diǎn)：EEG（腦電采集點(diǎn)）REF（參考點(diǎn)）GND（地線點(diǎn)）

　　? 上電后若接觸點(diǎn)連續(xù)四秒沒有采集到腦電或連續(xù)七秒收到差的腦電信號(hào)，

　　本智慧模塊會(huì)通過“信號(hào)質(zhì)量強(qiáng)度”發(fā)出信號(hào)差的警告，提醒用戶調(diào)整傳感器

　　? 先進(jìn)的噪音過濾技術(shù)，能抗拒日常生活中環(huán)境里的各種干擾

　　? 低能耗，適合便攜式消費(fèi)產(chǎn)品的電池供電的設(shè)備

　　? 3.3伏供電下最大消耗為15毫安

　　? 原始腦電數(shù)據(jù)以512 Hz輸出

　　測量

　　? 原始腦波信號(hào)

　　? 處理和輸出α,β等腦波波段數(shù)據(jù)

　　? 處理和輸出Neurosky（神念科技）獲得專利技術(shù)的eSense專注度和放松度指數(shù)以及未來開發(fā)的其他數(shù)據(jù)

　　? 嵌入式的信號(hào)質(zhì)量分析功能能警告接觸不良或是完全沒接觸的異常狀態(tài)

　　? 眨眼偵測

　　物理規(guī)格

　　? 規(guī)模尺寸（最大）2.79cm x 1.52cm x 0.25cm

　　? 重量（最大）130mg

　　規(guī)格說明

　　? 采樣率： 512Hz

　　? 頻率范圍：3Hz-100Hz

　　? 靜電保護(hù)：4kV接觸放電; 8kV隔空放電

　　? 最大消耗功率：15毫安 @ 3.3伏

　　? 運(yùn)行電壓：2.97~3.63伏

　　UART（串口）標(biāo)準(zhǔn)輸出接口

　　? 1200, 9600, 57600 輸出波特率

　　? 8 bits

　　? No parity

　　? 1 stop bit

　　AC交流噪音濾波器的配置選項(xiàng)

　　? 50Hz

　　? 60Hz