数字脑电图机检测技术探讨

侯晓旭，李佳戈，任海萍

中国食品药品检定研究院医疗器械检定所，北京 100050

数字脑电图机检测技术探讨

侯晓旭，李佳戈，任海萍

中国食品药品检定研究院医疗器械检定所，北京 100050

数字脑电图机是放大并记录脑电信号的仪器，共模抑制比、耐极化电压、噪声、幅频特性、功率谱幅度及功率谱频率是其检测的关键指标，但是目前针对上述指标的检测方法的研究尚少。本文主要针对数字脑电图机关键指标的检测技术进行探讨，供相关人员参考。

数字脑电图机；共模抑制比；耐极化电压；噪声；幅频特性；功率谱

0 前言

脑电信号是一种重要的生理信号，蕴含着丰富的生理、心理及病理信息，幅度、频率、相位是其重要特征[1]。脑电信号的幅度值比较微小，变化范围为10～100 μV，频率变化范围为0.5～35 Hz。在检测时，脑电信号一般分为6个频段，分别是：δ波、θ波、α1波、α2波、β1波和β2波。δ波的频率范围为0.5～3.5 Hz，振幅范围为20～200 μV，在人深睡时出现。θ波的频率范围为3.5～7.5 Hz，振幅范围为10～50 μV，在成年人情感压抑期可检测到。α1波的频率范围为7.5～9.5 Hz，振幅范围为20～100 μV；α2波的频率范围为9.5～12.5 Hz，振幅范围为20～100 μV，α1波和α2波在人清醒并闭目时出现。β1波的频率范围为12.5～20 Hz，振幅范围为10～50 μV；β2波的频率范围为20～35 Hz，振幅范围为10～50 μV，β1波和β2波出现在人兴奋时[2-3]。

数字脑电图机是放大并记录脑电信号的仪器，共模抑制比（CMRR）、耐极化电压、噪声、幅频特性、功率谱幅度及功率谱频率是其检测的关键指标[4]。目前关于数字脑电图机检测技术的研究相对较少，而脑电图机关键指标的检测，对于保证脑电图机的质量至关重要。本研究旨在针对数字脑电图机关键技术指标的检测方法进行讨论，为提高脑电信号检测水平提供指导。

1 数字脑电图机关键指标

数字脑电图机在模拟机放大器的基础上，增加了数据采集器及模数转换器，电极检测到的模拟电信号经放大器后，再经模数转换器转为数字量进行存储，存储的数据经脑电信号的频域分析功能进行分析，其结果以功率谱地形图的形式显示。脑电功率地形图显示的是脑电各个频段的功率沿头皮表面的空间分布[3]。

数字脑电图机的核心部件是放大器。而前置放大电路又是放大器中最重要的部分，直接决定了脑电图机性能的好坏。设计前置放大电路的核心指标是较高的共模抑制比和较高的输入阻抗。

由于脑电信号是一种比较微弱的信号，而外界干扰又比较大，如果电路设计不好，有用信号往往会被淹没。干扰源一般包括：高频电磁干扰、50 Hz工频干扰、极化电压以及其他生物电信号等[5-6]。由于50 Hz工频干扰以共模形式存在，前置放大电路需要对其有一定的抑制能力，后续的陷波电路能够进一步抑制残余的工频干扰。同时，脑电信号较为微弱，前置放大电路还需要有足够的输入阻抗来尽可能多地分得微弱的脑电信号。在工程上一般是牺牲放大倍率以提高电路的输入阻抗与共模抑制比，多采用差分放大器的形式。

数字脑电图机及脑电地形图仪性能的检测所依据的技术文件是JJG954-2000《数字脑电图仪及脑电地形图仪检定规程》（以下简称《规程》）[7]。《规程》对被检设备的电压测量、时间间隔、时间常数、幅频特性、功率谱频率、功率谱幅度、噪声、共模抑制比、耐极化电压等参数提出了具体的要求。其中，共模抑制比、耐极化电压、噪声、幅频特性、功率谱幅度及频率等指标的检测具有一定难度，而目前对于上述指标的检测方法的研究相对匮乏。笔者主要针对这些指标的检测原理及方法展开研究。

2 数字脑电图机检测技术

数字脑电图机检测时的具体连接示意图，见图1。其中，检定仪相当于一个标准的信号源，向被检设备输入特定波形、特定频率、特定幅值的信号。被检设备设置为单极导联，所有的活动电极通过脑电的分线盒并联，即检定仪输出的电压型号可以同步输入到所有的脑电电极中。两耳电极并联后为参考电极。由于脑电信号比较微弱，数量级远远小于检定仪的输出信号，因此使用衰减器将检定仪输出的信号衰减1000倍后，再传送给各脑电极。

图1 脑电图机检测连接示意图

下面就数字脑电图机重要指标参数的检测原理及方法进行讨论。

2.1 共模抑制比

大脑表面的共模信号（对地而言）幅度可达10 mV，主要来源于工频干扰（50 Hz）[8]以及其他生理参数。因此，相对于脑电信号来说，干扰是巨大的。如果放大器的前级稍不匹配，就会把共模信号转化成差模信号，影响测量结果。因此共模抑制比是脑电图机设计的重要指标之一。《规程》要求脑电图机的共模抑制比应≥80 dB，这说明1 mV的共模干扰和0.1 μV的差模信号具有相同的输出。检测时，首先应合理设置被检设备的时间常数和高频滤波器，以能通过所需带宽为依据（如时间常数设置为1 s，高通截止频率应设置为30 Hz）。

向被检设备输入频率为10 Hz、峰-峰值为100 μV的差模信号，记录各通道中差模输出信号幅值Ud，然后向被检设备输入频率为10 Hz、峰-峰值为K*100 μV的共模信号，记录各道共模信号幅值Uc，按照如下公式计算共模抑制比，其中最小值不小于80 dB。

2.2 耐极化电压

极化电压在生物体中广泛存在，寄生于皮肤与接触电极之间构成了化学电池，进而产生直流电压。耐极化电压幅值较高，为几个毫伏到几百个毫伏之间的直流信号。如果放大器的前级不对此进行处理，毫伏级的电压经过放大之后，会造成信号的饱和（信号电压达到放电器的供电电压）而导致脑电图机无法正常工作。有的脑电放大器前端会通过加入高通RC电路的方式滤掉极化电压。

针对这种情况，《规程》规定检测时向被检设备输入峰-峰值为100 μV、周期为1 s的方波信号，记录其幅值。之后分别加入+300 mV和-300 mV的直流极化电压，分别记录幅值。加入极化电压之前和之后的幅值变化不应超过5％，较好的设备可承受±500 mV的极化电压。

2.3 噪声

噪声主要来自于脑电图机本身，很大程度上是由前级的信噪比决定的，如果前级不能很好地抑制噪声，噪声将经过后级放大。检测时，应将仪器的各通道对地短接，记录10 s的连续波形，记录最大的峰-峰值An即为噪声，An不能大于5μV。

2.4 幅频特性

此参数主要考察数字脑电图机硬件部分与软件部分的滤波功能，根本要求是硬件和软件的滤波功能不能较大程度地改变有用信号的幅度。这项指标的检测实质是检测硬件滤波器与软件滤波器的截止频率。一般脑电有用信号的最高频率为30 Hz，因此在检测时，可以向被检设备输入峰-峰值为100 μV，频率分别为1、5、10、20、30 Hz的标准正弦波信号，记录幅值。其他频率的幅度值与10 Hz信号的幅度值偏差应在-30％～5％之间。

2.5 功率谱幅度和功率谱频率

这两个参数分析的是后续数字信号处理（FFT）的效果。检测时，把整个频段分为α波、β波、θ波、δ波等几段。在每一段任取频率点，向被检设备输入峰-峰值为100 μV的正弦波信号，各脑区的频谱的幅度值与平均幅度值的偏差不能超过±10％，各脑区频谱的频率与标准正弦波的频率的偏差不能超过±5％。

3 实际测试结果与讨论

本研究针对某数字脑电图机进行了上述指标的检测。图2为该数字脑电图机在K取值为10000时的共模抑制比检测波形。当差模输入幅值为0.05 mV时，差模输出幅值为0.05 V，即放大倍数为1000倍；而当共模输入幅值为0.5 V时，共模输出幅值为0.03 V。根据式（1）计算可知：CMRR=20lg10000+20lg（0.05/0.03）=84.4 dB，符合标准要求。

图3为加上+300 mV极化电压时的检测波形。在加入极化电压前，输入信号峰-峰值为0.1 mV，输出信号峰-峰值为0.1 V；当加入+300 mV的极化电压后，输入信号基线漂移到了300 mV，而输出信号基线仍在0 V左右，可见该脑电图机对极化电压具有抑制作用。

图4为噪声检测波形，由图可见，噪声的峰-峰值均小于5 μV，说明该脑电图机满足标准要求。

图4 噪声检测波形

图5显示了频率分别为1、5、10、20、30 Hz，峰-峰值为100 μV的标准正弦输入下，输出波形幅值的微小偏差。当输入信号频率为10 Hz时，输出信号的峰-峰值为0.1038 V，放大倍数为1038倍；当输入信号频率为5 Hz时，放大倍数比10 Hz时的放大倍数增大了0.77％，符合标准要求；其他输入频率下的放大倍数均小于10 Hz时的放大倍数，其中30 Hz时的放大倍数最小，比10 Hz时减小了6.84％，也符合标准要求。

图5 不同频率输入下的输出波形

图6显示了输入峰-峰值为100 μV、频率为10 Hz的正弦信号时，两个脑区输出的幅频特性图，两个脑区显示频率和信号幅值都略有差异，但仍在标准要求范围内。

图6 10 Hz输入频率下两个脑区输出的幅频特性图

对于共模抑制比、耐极化电压等关键指标的检测可以表征电极、放大器、滤波电路、数字信号处理等数字脑电图机核心模块的性能，对于保证脑电图机的质量具有重要意义。由上述检测结果可见，该数字脑电机的上述检测指标均符合标准要求，说明其电极、放大器、滤波电路等部分的性能较好。

4 结语

本研究对脑电图机的检测技术展开讨论，详细论述了共模抑制比、耐极化电压等关键指标的检测技术及方法。这些指标关系到脑电图机电极、放大器、滤波电路等的整体性能，针对这些指标的研究可为脑电图机的检测提供指导。

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[2]郭勇．医学计量[M]．北京：中国计量出版社,2001．

[3]杨杨．脑电信号采集与分析系统的设计与研究[D]．合肥：合肥工业大学,2009．

[4]郑永波．EEG-7314F脑电图机故障维修2例[J]．中国医疗设备, 2014,29（9）：134-135．

[5]黄刚,王兆源．一种智能化脑电监护仪的研制[J]．中国医学物理学杂志,2001,18（1）：54-55．

[6]GB9706．1-2007,医用电气设备 第1部分：安全通用要求[S]．

[7] JJG 954-2000,数字脑电图仪及脑电地形图仪检定规程[S]．

[8]闫俊涛,高立,任旭鹏．脑电控制及检测设备的研究与实现[J]．数字技术与应用,2013,（3）：30-32．

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

作者邮箱：renhaiping@nifdc．org．cn