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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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极低频脑电波电磁生物传感器

Rajendra Aparnathi1，维维维迪博士2
  1. 印度古吉拉特邦瓦德焕市C U Shah大学技术与工程学院研究学者
  2. 印度古吉拉特邦瓦德焕市C U Shah大学副校长
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

摘要

该研究项目研究大脑产生四种主要类型的脑电波，脑电图读数显示。每种脑电波都会以特定的频率产生列出的效果。尽管大脑总是在每个不同的波段发射脑电波，但在特定时间支配一个人的意识状态的脑电波是主要的。通过使用技术来引导脑电波在某个波段占据主导地位，我们可以因此给个人一个强大的推动，使其进入理想的意识状态。通过这样做，我们可以诱导个体的许多精神和情感状态，如冥想、兴奋、动机、焦虑、刺激、性兴奋、放松、唯灵论等等。我们想设计一种加入脑电图元件的电磁极低频传感器，以控制一个额外的参数来感知极低频波。我们计划通过硬件处理这个额外的参数，通过DSP基础前置放大器和放大器来找到这个频率。ELF传感器已经有很多变体，但我们正在设计利用EEG来控制仪器的电磁ELF传感器，我们希望我们的想法能够很好地工作，并在人类神经网络系统中使用EEG ELF传感器来代替传感器技术的新奇之处

关键字
脑电图，极低频传感器，电磁

介绍
神经系统是我们身体的决策和交流中心。中枢神经系统由大脑和脊髓组成，周围神经系统由神经组成。它们共同控制着我们日常生活的方方面面，从呼吸、眨眼到帮助你在考试中记忆知识点。感觉神经从环境中收集信息;将信息发送到脊髓，然后脊髓将信息加速传输到大脑。尽管大脑总是在每个不同的波段发射脑电波，但在特定时间支配一个人的意识状态的脑电波是主要的。通过使用技术来引导脑电波在某个波段占据主导地位，我们可以因此给个人一个强大的推动，使其进入理想的意识状态。通过这样做，我们可以诱导个体的许多精神和情感状态，如冥想、兴奋、动机、焦虑、刺激、性兴奋、放松、唯灵论等等。大脑产生的电流在神经通路中流动。脑电波的类型是由它的脉冲频率来定义的。 The particular rate of pulsation determines your state of mind. There are often several patterns interacting at one time [01].The brain is an electrochemical organ; and speculations are that a fully functioning brain can generate as much as 10 watts of electrical power. More conservative investigators calculated that if all 10 billion interconnected nerve cells discharged at one time that a single electrode placed on the human scalp would record 5 millionths to 50 millionths of a volt. Electrical activity emanating from the brain is displayed in brainwaves.When the brain is aroused and actively engaged in mental activities, it generates beta waves. These beta waves are of relatively low amplitude, and are the fastest of the four different brainwaves. Beta waves are characteristics of a strongly engaged mind or active conversation.Where beta represented arousal, alpha represents non-arousal. Alpha brainwaves are slower and higher in amplitude. A person who sits down to rest, reflect or meditate is often in an alpha state.Theta brainwaves are even greater amplitude and slower frequency. A person who begins to daydream, who is driving on a freeway, and discovers that they can't recall the last five miles, is often in a theta state.Delta brainwaves are of the greatest amplitude and slowest frequency. Deep dreamless sleep is the lowest frequency. Humans dream in 90 minute cycles. When the delta brainwave frequencies increase into the frequency of theta brainwaves, active dreaming takes place. Rapid eye movement (REM) is characteristic of active dreaming.Although one brainwave state may predominate at any given time, depending on activity level, the remaining three brain states are present in the mix of brainwaves at all times. Knowledge of brainwave states enhances ability to make use of specialized characteristics of those states. (being intensely focused, relaxed, creative and in restful sleep.)Doctors doing electroencephalograph (EEG) work on clients with ADD find that the person has a predominant theta brainwave pattern. People without ADD are normally in the beta range.In seen Fig.1 bellow types of brainwave even though this electrical power is very limited, it does occur in very specific ways that are characteristic of the human brain [01].EEG activity can be broken down into 4 distinct frequency bands: Beta activity > 13 Hz , Alpha activity 8 Hz-13 Hz, Theta activity 4 Hz-7 Hz, Delta activity < 4 Hz
图像
脑电波有四种状态，从高振幅、低频δ到低振幅、高频β。这些脑电波的状态范围从深度无梦睡眠到高度觉醒。这四种脑电波状态是人类共有的。所有年龄段的男人、女人和孩子都有相同的脑电波特征。它们在不同文化和国家之间是一致的。研究表明，尽管一种脑电波状态可能在任何特定时间占主导地位，这取决于个人的活动水平，但其余3种脑电波状态始终存在于脑电波的混合中。换句话说，当某人处于兴奋状态并表现出β脑波模式时，这个人的大脑中有α， θ和δ的组成部分，尽管这些可能只存在于微量水平。我个人的经验是，对脑电波状态的了解可以提高一个人利用这些状态的专门特征的能力。这些包括在广泛的活动中保持精神上的生产力，比如高度集中注意力、放松、有创造力和安静的睡眠。

系统模型
磁传感器已经使用了200多年。早期的应用是用于测向或导航。今天，磁传感器仍然是一种主要的导航手段，但已经有了更多的用途。我们设计了一种电磁极低频传感器，在此基础上增加脑电图元件，控制一个额外的参数来感知极低频波。我们计划通过硬件处理这个额外的参数，通过DSP基础前置放大器和放大器来找到这个频率。ELF传感器已经有很多变体，但我们正在设计利用EEG来控制仪器的电磁ELF传感器，我们希望我们的想法能够很好地工作，并在人类神经网络系统中使用EEG ELF传感器来代替传感器技术的新奇之处。ELF电磁传感器有很多变化，但我们不知道有任何结合脑电图来控制仪器，我们希望我们的想法能很好地工作，而不是一个新奇的想法。这种生物传感器用于医学脑治疗中植入或修改脑电波。该生物传感器用于ECG, MRI和[01]，[02]不同区域的极低频感知。[03]。
本课题分为两个部分，一是极低频传感器的设计与开发，二是医用脑电图基放大器的研制。在设计中，传感器采用电磁环天线和前置放大器，低通滤波器和低通频率混频器和控制器来感知这种低频信号，用于大厦放大器如图2所示
图像

电磁传感器
当带电流的导体被置于磁场中时，导体内的电压分布就会改变。这些变化取决于电流的相对方向、磁场和测量的变化。这些影响被分为三组:
霍尔效应:施加的磁场沿z轴垂直于电流沿x轴，霍尔电压沿y轴垂直于电流和磁场测量。
纵向磁阻效应:磁场沿x轴施加，与沿x轴施加的电流平行。电压变化沿x轴测量。这实际上是常规电阻的一个小变化。
横向磁阻效应:磁场沿沿x轴横向施加于电流流动的y轴，并沿x轴测量电压变化。同样，这对应于传统电阻的变化，但由于导体的厚度或横截面的影响。空气电磁传感器线圈非常稳定和线性，但灵敏度有限。具有铁磁核心的线圈具有较高的灵敏度，但不太稳定和明显的非线性。为了达到低退磁，它们应该长而薄。在设计高频感应线圈时，应考虑线圈的自电容。感应式传感器是无源的，应与电感式传感器区别开来。感应传感器的基本应用是在地球物理学中，测量地球磁场的微脉动(1 MHz-1 Hz频率范围)，在音频应用中，以及在磁记录技术中。二次磁场的测量是由地球电流在频率高达音频范围的人工激励后引起的，称为大地电磁勘探[02]，[03]。地球物理勘探也可以使用1赫兹到20千赫波段的自然电磁场变化。感应线圈还用于等离子体实验、空间研究、潜艇和火车; magnetic antennae are used for navigation and communication. Sensors, which are based on the change of the sensor inductance and which need excitation in mansion bellow Fig.3 [03]
图像
在我们深入探讨电磁学之前，我们先回顾一下用于电子电路的电感器的特性。电感是一种抵抗电流变化的无源电路元件。由方程(1)决定
它的行为是:图像(1）
从这个方程中我们可以看到，当电流变化时，电感器上就有电压。负号表示电压(V)反对电流(I)的变化，也就是说，每当外部电路试图引起更多的电流流动时，它必须提供一个电压，以克服电感中产生的电压。通过这个类比，我们可以很容易地看到如何构建一个大的电感测量电路阵列，它完全像电阻测量电路(分压器和电桥)。事实上，电感测量最常用的方法是电桥。一个典型的电感有多大?a的电感
线圈由式(2)给出:图像（2）
假设我们有一个直径为1厘米，长度为1厘米的线圈，在公式(3)中有1000圈电线。如果我们想测量该设备的有效电阻，我们将需要施加一个频率为[04]的振荡电压。
图像（3）
接口或信号调理电路有一个特定的目的:将来自传感器的信号提升到与负载设备兼容的格式。图4显示了作用在传感器上的刺激，传感器通过接口电路连接到负载。为了有效地完成它的工作，接口电路必须是两个主人的忠实奴隶:传感器和加载设备。它的输入特性必须与传感器的输出特性匹配，其输出必须能够与负载[04]接口。
图像
然而，本文的重点是传感器，因此，下面我们将只讨论接口电路的前级。此外，我们还将讨论有源传感器所需的一些典型激励电路，即需要电信号产生电输出的传感器。接口电路的输入部分可以通过几个标准编号来指定。这些数字可用于计算式(05)中的可见值，准确地表明电路可以处理传感器的输出信号。图5为电压产生传感器的等效电路。该电路由传感器输出阻抗Zout和电路输入阻抗Zin组成。图像（4）
传感器的输出信号由电压源表示，电压源与输出阻抗串联。代替电压源，对于某些传感器来说，将输出信号表示为来自电流源的输出更方便，电流源将与传感器输出阻抗并联。这两种表示方式彼此等效，因此我们将使用电压。考虑到这两个阻抗，电路输入电压Vin表示为:在任何特定情况下，都应定义传感器的等效电路。这有助于分析传感器接口组合的频率响应和相位滞后。例如，电容式检测器可以被建模为与输入阻抗[04]并联的纯电容。
图像
为了说明输入阻抗特性的重要性，让我们考虑如图5所示连接到输入阻抗的纯电阻式传感器。电路的输入电压作为频率f的函数，可以用公式表示图像为拐角频率(即幅值下降3db的频率)。如果我们假设振幅检测需要1%的精度，那么我们可以计算出电路可以处理的最大刺激频率:图像输入偏置电流io也是由电路内部产生的。对于许多双极晶体管来说，它的值相当高，对于JFET来说要小得多，对于CMOS电路来说甚至更低。当电路或传感器使用高阻抗元件时，这种电流可能会带来严重的问题。偏置电流通过电路的输入阻抗和传感器的输出阻抗，导致杂散电压降。这个电压可能有很大的幅度。例如，如果一个电磁传感器连接到一个电阻为1 GO(109O)，输入偏置电流为1 nA (10-9A)的电路上，输入电压降就等于1 GO·1 nA¼1 V，这确实是一个非常高的值。与偏置电压相反，由偏置电流引起的误差与传感器的输出阻抗成正比。这种“电池”可能需要很长时间才能失去电量:从几秒钟到几个小时。由“电池”产生的电压被添加到传感器的信号中，并可能导致显著的错误。如果必须在输入阶段使用电感，则应使用薄膜电容器而不是陶瓷电容器。

PRI-AMPLIFIER
大多数无源传感器产生微弱的输出信号。这些信号的大小可能在微伏(mV)或皮安(pA)的数量级上。另一方面，标准的电子数据处理器，如A/D转换器、频率调制器、数据记录器等，需要相当大的电压(V)和毫安(mA)量级的输入信号。因此，传感器输出信号的放大必须以高达10,000的电压增益和高达100万的电流增益。放大是信号调理的一部分。有几种标准配置的放大器可能用于放大来自各种传感器的信号。这些放大器可以由分立元件构成，如半导体、电阻、电容器和电感。或者，放大器通常由标准构件组成，如运算放大器和各种分立组件。应该清楚地认识到，放大器的用途远不只是增加信号的幅度。放大器还可以是阻抗匹配装置、信噪比增强器、滤波器和输入输出之间的隔离器。
运算放大器:运算放大器的主要组成部分之一就是所谓的运算放大器(OPAM)，它要么是集成电路(单片电路)，要么是混合电路(单片电路和分立电路的组合)。一个集成的OPAM可能包含数百个晶体管，以及电阻和电容器。模拟电路设计者通过在OPAM分立元件(电阻、电容器、电感等)周围布置，可以创造出无数有用的电路，不仅是放大器，还有许多其他电路。运算放大器也被用作模拟或混合技术类型的定制集成电路中的单元。这些电路被称为专用集成电路，简称asic。下面，我们将介绍一些典型的OPAM电路，它们经常与各种传感器一起使用。作为一个基本构件，一个好的运放具有以下特性(OPAM原理图如图6所示):
•两种输入:一种是反转，另一种是非反转;
·高输入电阻(几百个MΩor甚至GΩ的数量级);
•低输出电阻(Ω的一小部分);
•驱动电容性负载的能力;
●低输入偏置电压mV(少mV甚至mV);
●低输入偏置电流(很少pA甚至更少);
非常高的开环增益AOL(至少104，最好超过106)也就是说，OPAM必须能够将其两个输入之间的电压差Vin放大(放大)一个AOL的因素;
•高共模抑制比(CMRR)。也就是说，放大器抑制应用于其两个输入的同相等幅输入信号(共模信号)VCM;
·低固有噪声;
·宽广的工作频率范围;
对电源电压变化的敏感度较低;
●具有自身环境稳定性高的特点。
有关详细信息和应用指南，用户应参考各自制造商发布的数据表和目录。这样的目录通常包含OPAM每个重要特性的选择指南。例如，opam按低偏置电压、低偏置电流、低噪声、带宽等标准分组。图7。描述了一个没有任何反馈元件的运算放大器。因此，它在所谓的开环条件下工作。第一级心电电路包括仪表放大器，它是电路中最重要的部分，它应提供高增益来放大弱小的心电或脑电图信号，并能抗干扰噪声(共模信号)和电磁频谱中的其他信号。
图像
噪音:来自环境的噪音很容易淹没来自心脏的微小脉冲信号。连接电极和放大器的引线就像天线一样，会在不经意间接收到不需要的辐射信号。这样的信号，例如来自电源线的50Hz，来自荧光灯的emf会增加一个微小的正弦波，通常很难过滤掉，但在我们的项目中，我们不关心这种类型的噪声(50Hz)，因为我们的信号范围是0.5- 5hz。在这种类型的系统中获得的噪声和干扰信号是由电气安装引起的。心脏发出的信号太小，需要放大信号并降低系统上的共模电压。产生噪音的其他方面包括肌肉收缩、呼吸和电子元件的电磁发射。
增强功能:为了解决上述问题，将采取以下措施:(a)将使用具有高共模抑制比的高增益仪表放大器来接收所需的信号。(b)会安装带通滤波器以消除噪音。因为大多数讨论的噪声类型是高频的，而所需的信号是相对较低的。(c)峰值检测电路，检测电极连接故障。(d)振荡器，产生频率约为50hz的信号，当损耗连接发生时通过仪表放大器。(e)模拟转数字电路，利用计算机技术处理信号。
脑电图放大器:信号采集是实现人力资源管理时首先要考虑的问题。但是这个信号太小了，而且包含了很多附加的噪声。如上所述，从心脏提取的信号的振幅约为0.5mV。因此，需要对信号进行放大，对噪声进行滤波，然后提取QRS复合体。仪表放大器通常是仪表系统的第一级。这是因为通常从探针接收到的非常小的电压需要显著放大才能进行[09]级。让我们回顾一下仪表放大器:
图像
这个恐吓电路是由一个缓冲差分放大级和三个新的电阻连接两个缓冲电路。考虑所有电阻器的值相等，除了Rgain。左上方运放的负反馈导致点1 (Rgain顶部)的电压等于V1。同样，点2 (Rgain的底部)的电压保持在等于V2的值。这在Rgain上建立了一个电压降，等于V1和V2之间的电压差。该电压降导致电流通过Rgain，由于两个输入运算放大器的反馈回路不产生电流，通过Rgain的相同数量的电流必须通过其上下两个“R”电阻。这会产生点3和点4之间的电压降等于[07]:
图像
然后，电路右边的常规差分放大器取点3和点4之间的电压降，并将其放大1个增益(再次假设所有的“R”电阻值相等)。虽然这看起来是一种构建差分放大器的笨拙方法，但它具有独特的优势，即在V1和V2输入端具有极高的输入阻抗(因为它们直接连接到各自运放的非反相输入端)，并且可以通过单个电阻设置可调增益。对上面的公式稍加处理，我们就得到了仪表放大器[09]中总电压增益的一般表达式:
图像
获得选择:INA128和INA129是低功率的通用仪表放大器，提供卓越的精度。其多功能3运放设计和小尺寸使其成为广泛应用的理想选择。电流反馈输入电路提供宽带宽，即使在高增益(200khz在G = 100)。一个单独的外部电阻设置增益从1到10,000。INA128提供了一个行业标准gainEquation;INA129的增益方程与AD620兼容。INA128/INA129采用激光修整，可实现极低偏置电压(50μV)、漂移(0.5μV/0C)和高共模抑制(在G >=100时为120dB)。它的工作电源低至>2.25V，静态电流只有700A的电池供电系统的理想选择。内部输入保护可以承受<40V而不损坏。INA128/INA129采用8针塑料DIP和SO-8表面贴装封装，适用于-400C至+850C的温度范围。 The INA128 is also available in dual configuration, the INA2128 [10].

特点:
(a).低偏置电压:50V max， (b).低漂移:0.5Vμ/0C max
(c).低输入偏置电流:最大5nA， (d).高CMR: 120dB min
(e).输入保护到>40V， (f).宽供电范围:>2.25至<18V
(g).低静态电流:700μA， (h). 8针塑料DIP, SO-8
图像
从我们的设计中，我们选择RG= 1kΩ，因为增益我们得到51 v/v，实际上增益不是很大，因为虽然仪表放大器有很高的共模抑制比，但噪声仍然影响到电路的输出，根据这个方程:噪声信号=伏特/赫兹1/2，所以这个信号取决于通过运算放大器的频率[09][10]。
图像
过滤阶段:对于正常心脏人类来说，ECG或EEG信号所需的带宽(0.5 hz- 30 hz)，所以我们选择了接近这个范围的电路带宽，现在如果我们选择设计中所需的带宽(0.5- 120hz)缺口滤波器，以去除电源线电网[10]，[11]，[12]中的50hz噪声

结果与讨论
在更快的刺激呈现或大约70-100 Hz的刺激调制速率下，可以产生稳态响应。快速率稳态诱发电位(SSEP)最初被认为是由听觉脑干反应(ERS的低频成分)的慢波叠加造成的，对于音调刺激，其峰值潜伏期约为10-12毫秒。最近的证据表明，中脑和皮层听觉通路也有助于MATLAB工具箱上的高频率EEG ECG软件。在MALTAB中使用的EEG LAB工具箱在频域被测量为与刺激的调制速率和/或响应的非随机相位行为(如相位相干性)相对应的头皮记录的电活动振幅谱中的峰值。听觉诱发电位的另一种类型是听觉稳态反应(ASSR)，这是一种对刺激的反应，大脑对一种刺激的反应与对其他刺激的反应重叠。对较慢的调制速率(<20 Hz)的反应似乎主要起源于皮层结构;对更快的频率(70赫兹或更高)的反应似乎反映了脑干过程。assr至> - 70-Hz对快速评估听力婴儿有很大的希望。多重听觉稳态诱发反应(MASTER)技术提供了一个快速和客观的听力评估。该技术是基于对同时呈现的多个听觉音调所诱发的电生理反应的统计评估。这些听觉稳态反应可以从人的头皮记录下来，与脑电图(EEG)中的其他活动混合在一起。EEG LAB Toolbox generated by amplitude-modulated sinusoids can used to measure unaided and aided hearing thresholds in hearing impaired children with reasonable accuracy result seen in Fig.8 and Fig 9 and Fig.10
图像
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结论
本论文的研究领域是在极低频电磁传感器中寻找不同波形的信号。该信号在脑电波研究中起着重要作用。大脑是一个复杂而复杂的器官，为身体的其他部分服务，同时又领导着身体的其他部分。绘制大脑区域图是了解人类如何思考和互动的第一步。使用传感器作为非侵入性放大技术是进入大脑的第一步。哪里有伟大的成就，哪里就有伟大的责任。

参考文献












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