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定和通讯中心。中枢神经系统是由脑和脊髓和周围神经系统的神经。他们一起控制每一个我们日常生活的一部分,从呼吸和闪烁测试帮助你记住事实。感觉神经从环境中收集信息;发送信息到脊髓,然后速度信息到大脑。虽然大脑总是发出脑电波在每个不同的乐队在特定时间占主导地位的脑波,决定一个人的意识状态。利用技术使脑电波在一定的乐队我们占主导地位从而能给一个人一个强大的推进所需的意识状态。通过这样做,我们可以产生许多心理和情绪状态等个人的冥想,激励、动机、焦虑、愤怒,性兴奋、放松、灵性和更多。大脑产生一波又一波的电流流在其神经通路。定义的类型的脑电波频率的脉冲。 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 |
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| 有4个脑电波状态,从高烈度,低频三角洲低振幅,高频率测试。这些脑电波状态范围从高唤醒深无梦的睡眠。相同的4脑电波状态是常见的人类物种。所有年龄段的男人、女人和儿童的经验相同的脑电波特征。他们是一致的跨文化和国家边界。研究表明,尽管一种脑电波状态可能占主导地位在任何给定的时间取决于个人的活动水平,其余3大脑状态存在于混合脑波。换句话说,有人是一个唤起状态表现出来的β脑电波模式,人的大脑的一个组成部分α、θ,和δ即使这些可能出现只在跟踪级别。我个人经验,知识的脑波状态增强一个人的能力利用这些州的专业特点。这些包括精神生产大范围的活动,如强烈的专注,放松,创意,在宁静的睡眠[01]。 |
系统模型 |
| 磁传感器已经应用了200多年。早期应用对测向,或导航。今天,磁导航传感器仍然是一个主要手段,但更多的使用已经进化。我们设计一个极低频电磁传感器与脑电图的添加元素控制一个额外的参数意义极低频波。我们计划在处理这些额外的参数通过硬件和DSP基础前置放大器和放大器找到这个频率。有许多变体精灵传感器但我们设计的电磁精灵传感器使用脑电图控制仪器,我们希望我们的想法能工作好,是有用的,而不是新奇与脑电图精灵传感器传感器技术在人类神经网络系统。有许多变体精灵电磁传感器,但我们不知道任何结合脑电图控制仪器的使用,我们希望我们的想法能工作好,是有用的,而不是新奇。这种生物传感器在医学治疗大脑植入或修改使用脑波。这种生物传感器使用心电图、MRI和极低的频率在不同地区[01],[02]。[03]。 |
| 这个研究项目分为两部分,首先是设计和开发极低频传感器和第二开发医用脑电图基本放大器。在设计传感器使用电磁回路天线和前置放大器和低通滤波器和低通混频器和控制器这低频信号放大器的豪宅波形图2 |
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电磁传感器 |
| 当导体携带电流放置在一个磁场,电压分布在导体内修改。的变化取决于当前的相对取向,磁场测量的变化这些影响已经分为三组(02): |
| 霍尔效应:应用磁场沿沿x轴和z轴垂直于电流霍尔电压测量沿轴垂直于电流和磁场。 |
| 纵向磁电阻效应:应用磁场沿着x轴,当前也沿着x轴平行于应用。沿着x轴测量电压的变化。这实际上是一个小的改变传统的阻力。 |
| 横向磁电阻效应:应用磁场沿轴横向沿轴电流和电压变化是沿着x轴测量。同样,这对应于一个传统的电阻变化量,但由于存在厚度有影响或导体的横截面。空气电磁传感器线圈都是非常稳定的,线性的,但有限的敏感性。线圈与铁磁核心有较高的灵敏度,但不太稳定,明显的非线性。为了达到低退磁,他们应该细长。在设计高频感应线圈的线圈应考虑自电容。感应传感器是被动的,他们应该区别于电感。感应传感器的基本应用地球物理,地球磁场的测量微脉动(1 MHz-1赫兹频率范围),在音频应用中,磁记录技术。二次磁场的测量,由于地球的电流后人工励磁频率的音频范围,称为磁碲勘探[02],[03]。地球物理勘查也可以使用天然电磁场变化1赫兹到20 kHz乐队。感应线圈还用于等离子体实验中,在空间的研究中,在潜艇和火车; 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] |
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| 在我们深入电磁之前,我们首先回顾一个电感的特性用于电子电路。电感器是一个无源电路元件抗电流的变化。方程(1)管理 |
它的行为是: (1) |
| 在Lis的电感单位亨利从这个方程,我们可以看到有一个电压时电感电流的变化。负号表示电压(V)反对改变电流(I)也就是说,每当外部电路试图引起更多的电流,它必须提供一个电压为了克服电感产生的电压。使用这种类比,我们可以很容易地看到如何构建一个大阵的电感测量电路,这是完全像电阻测量电路(两脚规和桥梁)。事实上,最常见的电感测量方法是一座桥。一个典型的电感有多大?的电感 |
线圈是由方程(2): (2) |
| 假设我们有一个线圈和一个1厘米直径1厘米的长度,与1000年循环线的方程(3)中找到价值。如果我们想要测量的有效电阻设备,我们将需要应用一个振荡电压在某一频率(04)。 |
 (3) |
| 一个接口或asignal调节电路都有一个特定的目的:将信号从传感器到兼容的格式加载装置。视图显示了一个刺激,作用于一个传感器,这是通过一个接口电路连接到负载。有效地履行职责,一个接口电路必须两个主人的忠诚的奴隶:传感器和负载设备。其输入特征必须匹配的传感器的输出特性及其输出必须与负载接口能力[04]。 |
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然而,本文关注的是传感器,因此,下面我们将只讨论前面阶段的接口电路。此外,我们将讨论一些典型传感器励磁电路所需的活跃,也就是说,传感器需要电信号产生的电力输出。指定的输入接口电路的一部分可能会通过一些标准的数字。这些数据是很有用的计算值在方程(5)显示电路准确canprocess传感器的输出信号。图5显示了一个电压生成传感器的等效电路。传感器输出的电路组成,Zout,电路的输入,寻,阻抗。 (4) |
| 传感器的输出信号由电压源表示,与输出阻抗连接在系列。而不是电压源,对于一些传感器更方便代表输出信号为输出电流源,将并行连接的传感器输出阻抗。都表示是等价的,所以我们将使用电压。会计对阻抗,电路的输入电压,Vin表示正如任何特定的情况下,应该定义一个传感器的等效电路。这有助于分析频率响应和相位滞后的传感器接口的组合。例如,可以建模为一个纯电容探测器电容并联连接的输入阻抗(04)。 |
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为了说明输入阻抗特性的重要性,让我们考虑一个纯电阻传感器连接到输入阻抗,如图5所示。电路的输入电压频率的函数,f,可以由一个公式来表达 拐角频率,(即。,the frequency where the amplitude drops by 3 dB). If we assume that1% accuracy in the amplitude detection is required, then we can calculate the maximum stimulus frequency that can be processed by the circuit: inputbias当前信息系统也产生的内部电路。其价值相当高了许多双极晶体管,JFET年代小得多,甚至更低的CMOS电路。当前可能存在一个严重的问题,当一个传感器采用高阻抗电路或组件。偏置电流通过电路的输入阻抗和输出阻抗传感器,导致一个假的电压降。这个电压可能是重要的大小。例如,如果一个电磁传感器连接到一个电路有一个inputresistance 1(109度)和1的输入偏置电流nA (10-9A),输入的电压降就等于1·1 nA¼1 V,确实一个非常高的价值。与补偿电压,误差产生的偏置电流成正比的输出阻抗传感器。“电池”可能需要很长时间才能失去电荷:从数秒到数小时。产生的电压,“电池”添加到传感器的信号,可能导致重大错误。如果一个电感器必须在输入阶段,应该用来代替陶瓷薄膜电容器。 |
PRI-AMPLIFIER |
| 大部分被动传感器产生弱输出信号。这些信号的大小可能是微伏的顺序(mV)或微微安培(pA)。另一方面,标准电子数据处理器,如A / D转换器、频率调节器,数据记录仪等需要相当大的输入信号大小的电压(V)和毫安级(mA)。因此,传感器输出信号的放大,电压增益10000和电流增益高达100万。放大的信号调节。有几个标准配置可能有用的放大器放大信号从不同的传感器。这些放大器可能建立离散的组件,如半导体、电阻、电容和电感。另外,放大器通常是由标准的构建块,如运算放大器和各种离散组件。它应该清楚地明白一个放大器的目的是更广泛的比仅仅增加了信号幅度。一个放大器可能也是一个impedancematching装置,一个信噪比增强器,滤波器,输入和输出之间的隔离器。 |
| 运算放大器:放大器的原理构建块之一是所谓的运算放大器(OPAM),这是一个集成(单片)或混合(单片和离散部分)电路。集成OPAM可能包含成百上千的晶体管、电阻器和电容器。模拟电路设计师,由安排OPAM离散组件(电阻,电容,电感器等),可以创建无限数量的有用的电路,不仅放大器,但许多其他电路。运算放大器也用作细胞定制的集成电路模拟或混合技术的类型。这些电路称为专用集成电路简称asic。下面,我们将介绍一些典型电路OPAM,通常与各种传感器一起使用。作为构建块,一个好的运算放大器具有以下属性(OPAM图7所示的示意图表示): |
| Two inputs: 反 相 , 另 一 个 是 non-inverting; |
| A 高 输入 电阻 (on 数百 甚至 MΩor GΩ); 的 顺序 |
| A Ω); 输出 电阻 (a 分数 低 |
| 驱动 电容 loads; An 能力 |
| A 低 输入 偏 置 电压 mV (few mV 甚至 mV); |
| A 低 输入 偏 置 电流 (few pA 甚至 less); |
| A 很高 的 开 环 增益 AOL(at 至少 104 , 最好 超过 106 That is, OPAM 必须 能够 放大 (amplify) 之间 的 两 个 输入 电压 差 Vin, ofAOL; 的 一 个 因素 |
| A (CMRR). 高 共 模 抑制 比即同相放大器抑制等于输入信号大小(共模信号)VCM应用于它的输入; |
| 低 内在 noise; |
| A range; 广泛 的 操作 频率 |
| A 电源 voltage; 低 敏感性 的 变化 |
| A 的 characteristics. 高 环境 稳定 |
| 详细的信息和应用程序指导用户应该参考数据表和目录发表了各自的制造商。这样的目录通常包含选择指南每OPAM的重要特征。例如,OPAMs分组等标准低偏置电压,低偏置电流、噪音低、带宽等。图7。描绘一个运算放大器组件没有任何反馈。因此,所谓的开环条件下运行。心电图电路的第一阶段包括仪表放大器电路中最重要的部分是它应该提供高增益放大了心电图和脑电图的弱信号,可以免疫的噪音(共模信号)和其他电磁波谱信号。 |
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| 噪声:噪声从环境中很容易沼泽的微小的脉冲信号的心。导致连接电极放大器将像天线将无意中收到不必要的辐射信号。这些信号例如50 Hz的电线和emf的荧光灯将添加一个微小的正弦波通常很难过滤掉,但是在我们的项目,我们不会担心这种类型的噪声(50赫兹)因为我们的信号范围从0.5 5赫兹。噪音和干扰信号在这种类型的系统是由电气装置。从心脏的信号太小,需要放大信号,减少系统上的共模电压。其他方面产生噪声的肌肉收缩,呼吸,从电子元件和电磁排放。 |
| 增强功能:为了解决上述问题,将采取以下措施:(a)高的增益仪表放大器具有高共模抑制Ratiowill被用来接收所需的信号。(b)将实现带通滤波器消除噪声。因为大多数高频的噪声类型讨论当期望信号相对较低。(c)峰值检测电路检测电极连接失败。(d)振荡器产生信号的频率大约50 hz,通过测量放大器连接损失发生时。(e)模拟到数字电路使用计算机技术来处理信号。 |
| 脑电图放大器:信号采集时首先要考虑的是实现人力资源管理。但信号太小,含有大量噪声。正如我们上面所说的信号从心脏中提取振幅约0.5 mv。以后,有必要放大信号和过滤噪音,然后提取QRS波群。一个仪表放大器通常是第一阶段的仪器系统。这是因为很小的电压通常收到的探针需要放大显著[09]进行的阶段。让我们带一些评论关于仪表放大器: |
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| 这吓人的微分放大器电路是由一个缓冲阶段有三个新的电阻连接这两个缓冲电路。考虑所有除了Rgain电阻相等的价值。左上角的负反馈放大器引起的电压点1 Rgain(顶部)等于V1。同样,电压点2(底部Rgain)举行一个值等于V2。这建立一个电压降穿过Rgain等于V1和V2之间的电压差。通过Rgain,电压降使电流,因为两个输入运算放大器的反馈循环画没有电流,通过Rgain相同数量的电流必须经历的两个“R”电阻上方和下方。这产生一个点之间的电压降3和4等于[07]: |
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| 常规的差分放大器电路的右边然后点3和4之间的电压降,并放大的增益1(假设,所有“R”电阻相等的值)。虽然这看起来像一个笨重的方式建立一个差分放大器,它的明显优势是拥有极高的输入阻抗在V1和V2输入(因为它们直接连接到各自的非反相输入放大器),和可调增益,可以设置由一个电阻。操作上面的公式,我们有一个通式为整体电压增益仪表放大器(09): |
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| 获得选择:INA128和INA129低功率、通用仪表放大器提供优秀的准确性。多功能3-op放大器设计和小尺寸使他们适合广泛应用。Currentfeedback输入电路提供宽bandwidthEven高收益(200千赫G = 100)。一个外部电阻设置任何获得从1到000。INA128提供一个行业标准gainEquation;INA129 AD620增益方程兼容。INA128 / INA129激光削减补偿电压非常低(50μv),漂移(0.5μv / 0 c)和高共-模式抑制(120 db在G > = 100)。其运作与电源低> 2.25 v,和quiescentCurrent只有700适合电池供电的系统。内部输入保护可以承受< 40 v无破损。INA128 / INA129有产品有塑料泡,,所以8表面装配计划,指定为-400 c + 850 c温度范围。 The INA128 is also available in dual configuration, the INA2128 [10]. |
特点: |
| (一个)。低偏移电压:50 v max, (b),低漂移:0.5 vμ/ 0 c max |
| (c),低输入偏置电流:5 na马克斯,(d)。高CMR: 120分贝分钟 |
| (e),输入保护> 40 v, (f)。供应范围宽:2.25 > < 18 v |
| (g),低静态电流:700μa (h)。产品有塑料底,所以8 |
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从我们的设计我们选择RG = 1 kΩ以来获得我们不实际上得到51 v / v获得非常大的原因,虽然仪表放大器的共模抑制比高,但仍然噪声影响的输出电路根据这个方程:噪声信号= 伏特/赫兹1/2,这信号的频率取决于通过测量运算放大器[09],[10]。 |
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| 过滤阶段:心电图和脑电图信号所需的带宽(0.5 hz - 30 hz)人类正常的心所以我们选择电路的带宽接近这个范围,现在如果我们选择所需的带宽(0.5 -120 hz)开槽过滤器在设计从电源线网格删除50 hz噪声[10],[11],[12] |
结果和讨论 |
| 可以生成一个稳态响应速度刺激的演示或刺激调制率约70 - 100赫兹。快速稳态诱发电位(SSEP)最初被认为源于慢波的叠加听觉脑干反应(人)的低频分量,而峰值延迟约10 - 12 msfor色调刺激。最近的证据表明,中脑皮层听觉通路也有助于高速率脑电图心电图软件MATLAB工具箱。工具箱使用脑电图实验室MALTAB在频域测量振幅谱的峰值电活动记录头皮调制率对应的刺激和/或某种程度的随机相位相干性等阶段的行为反应。非常不同类型的听觉诱发电位是听觉稳态响应(ASSR),这是对刺激的反应提出了利率,这样大脑反应一个刺激是重叠与其他刺激反应。反应慢调制率(< 20 Hz)似乎很大程度上来自大脑皮层结构;反应更快的利率(70赫兹和更高版本)似乎反映脑干流程。ASSRs率> 70 hz显示巨大的希望听到婴儿的快速评估。多个听觉稳态诱发反应(主)技术提供了一个快速和客观的评估听力。这项技术是基于统计学评价由多个听觉电生理反应诱发的音调同时呈现。这些听觉稳态响应可以从人类头皮记录混杂脑电图(EEG)和其他活动。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 |
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结论 |
| 本研究论文研究领域的极低频电磁传感器找到不同的电波信号。这个信号对脑波研究非常重要的作用。大脑是一个复杂的和复杂的机关服务领先的身体的其他部位。映射的大脑区域的第一步是理解人类如何思考和交流。使用传感器作为非侵入式放大器技术正在那些第一步进入大脑。哪里有伟大的成就也有很大的责任。 |
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引用 |
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拐角频率,(即。,the frequency where the amplitude drops by 3 dB). If we assume that1% accuracy in the amplitude detection is required, then we can calculate the maximum stimulus frequency that can be processed by the circuit:
inputbias当前信息系统也产生的内部电路。其价值相当高了许多双极晶体管,JFET年代小得多,甚至更低的CMOS电路。当前可能存在一个严重的问题,当一个传感器采用高阻抗电路或组件。偏置电流通过电路的输入阻抗和输出阻抗传感器,导致一个假的电压降。这个电压可能是重要的大小。例如,如果一个电磁传感器连接到一个电路有一个inputresistance 1(109度)和1的输入偏置电流nA (10-9A),输入的电压降就等于1·1 nA¼1 V,确实一个非常高的价值。与补偿电压,误差产生的偏置电流成正比的输出阻抗传感器。“电池”可能需要很长时间才能失去电荷:从数秒到数小时。产生的电压,“电池”添加到传感器的信号,可能导致重大错误。如果一个电感器必须在输入阶段,应该用来代替陶瓷薄膜电容器。
伏特/赫兹1/2,这信号的频率取决于通过测量运算放大器[09],[10]。
