皮层电位采集系统研制

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在脑功能研究中,皮层脑电(ECoG)信号因其独特的优势得到广泛的应用,例如高空间分辨率、低噪声、信号幅度大等。目前在皮层电位信号采集这一领域国产的商用仪器较少,为了探究柔性阵列微电极在采集皮层电位信号时的性能特性,本文设计了一套适用于柔性阵列电极的多通道皮层电位采集系统。目前市场上用于皮层电位采集的先进仪器大多来自国外的公司,并且体积较大,价格比较昂贵。大多数小型国产脑电采集设备主要用于采集脑电图(EEG)信号,它的频段比较低,信号幅度更小,这两种信号的差异性是由于信号采集方式、采集位置的不同导致的。然而皮层电位信号相比EEG具有更高的频率,更高的空间分辨率,蕴藏更多的与疾病有关的信息。目前市面上的脑电采集设备共模抑制比约为110 dB,噪声为2μVpp左右,带宽为0.5 Hz 100 Hz。所以本文的主要工作致力于设计出适用于皮层电位采集的高性能多通道采集系统。本系统主要包括硬件电路设计和软件设计。模拟电路将淹没在共模信号中的微弱生理信号提取出来,经过后级放大、滤波处理。数字电路负责高速的处理、传输信号。电路设计的难点在于提高共模抑制比,降低噪声。软件设计包括嵌入式软件设计、上位机程序设计、数据处理程序设计。在嵌入式软件和上位机软件中添加了实时滤波算法以滤除50 Hz工频干扰。参照国家计量检定规程JJG1043-2008《脑电图机检定规程》对系统进行性能测试,共模抑制比(CMRR)达到120 d B以上,带宽约为0.5 Hz 300 Hz。系统总噪声均低于1μVpp。随后进行大鼠脑电实验,使用本系统和成熟的商用仪器同时采集了局部场电位(LFP)、稳态视觉诱发电位(SSVEP)评估系统性能。然后通过使用不同类型的柔性阵列电极采集皮层电位信号,分析数据结果,证明了柔性容性电极在皮层电位采集时的可以获取更高信噪比的信号。并且由于容性电极的绝缘特性,能够保证更高的安全性,避免了电极对大鼠大脑皮层的刺激反应。以上结果证明本文设计的皮层电位采集系统可以有效地采集到高质量的皮层电位信号,可以使用此设备进行更深入的脑科学研究应用。
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