CN106725459A - 脑电信号采集*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脑电信号采集***。其包括脑电信号采集电极、脑电信号处理电路、无线信号传输模块及脑电信号接收模块。本发明利用脑电信号处理电路对脑电信号进行放大、抑制噪声信号及直流偏移量和模数转换，具有功耗低、性能高、共模抑制比高、输入阻抗高的优点，能够利用干电极采集脑电信号，在脑机接口、家庭监护等领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于生物信息技术领域，尤其涉及一种脑电信号采集***。
背景技术
脑电信号是人脑神经认知过程的一种实时反映，而且获取EEG信号时对人体没有任何创伤性损害，因此脑电信号是研究大脑各种功能活动的最常用信号。其中将脑电信号应用到脑机接口实现对外部设备的控制，解决残障人士无法正常活动等问题，是当前应用研究的一个热点。但由于电极、信号采集设备体积、功耗的限制，导致该方面的研究大多停留在实验室内。
脑电信号幅度非常微弱，而且容易受到外界干扰，因此对信号采集电路的性能要求很高。目前，市场上有很多脑电信号采集设备能够有效的采集脑电信号。但这些设备为了有效的抑制信号中包含的噪声，获得高信噪比的脑电信号，通常需要复杂的硬件电路对信号进行滤波等处理，导致这些设备通常体积较大，只能应用到科学研究或者临床诊断等不需要随身携带设备的领域。虽然市场上也一些可穿戴脑电信号采集设备，但此类设备是通过降低电路性能，换取设备体积的减小，所以将采集的低信噪比信号应用到脑机接口中。此外，由于当前主流的信号采集电极为湿电极(如Ag/AgCl电极)，该类电极需要配合使用电极膏，以便降低电极与人脑头皮接触阻抗，这就限制了脑机接口技术在实际生活中的应用。虽然干电极无需使用电极膏，能够即带即用，但干电极本身噪声较大，且电极与人脑头皮接触阻抗较大，因此采用当前的采集设备无法采集高信噪比的脑电信号。
发明内容
本发明的发明目的是：为了解决现有技术中在信号采集过程中干电极噪声较大、电极与人脑头皮接触阻抗过高，无法在实际应用中使用的问题，本发明提出了一种具有高共模抑制比的脑电信号采集***。
本发明的技术方案是：一种脑电信号采集***，包括：
脑电信号采集电极，用于采集人体的脑电信号，并将采集得到的脑电信号传输至脑电信号处理电路；
脑电信号处理电路，用于接收所述脑电信号采集电极采集的脑电信号并进行处理，将处理后的脑电信号传输至无线信号传输模块；所述脑电信号处理电路包括模拟电路和数字电路；所述模拟电路用于放大脑电信号并抑制脑电信号中的噪声信号及直流偏移量；所述数字电路用于将脑电信号由模拟信号转换为数字信号；
无线信号传输模块，用于接收所述脑电信号处理电路处理后的脑电信号，并将处理后的脑电信号无线传输至脑电信号接收模块；
脑电信号接收模块，用于接收所述无线信号传输模块无线传输的脑电信号，将脑电信号进行存储和显示。
进一步地，所述脑电信号采集电极包括主动电极和参考电极；所述主动电极设置于大脑头皮，所述参考电极设置于耳部。
进一步地，所述脑电信号处理电路的模拟电路包括射随器、仪用运算放大器、抗混叠滤波器、直流偏移量抑制单元；所述射随器的输入端与脑电信号采集电极连接，输出端与仪用运算放大器的输入端连接；所述抗混叠滤波器的输入端与所述仪用运算放大器的输出端连接，输出端与所述无线信号传输模块连接；所述直流偏移量抑制单元的输入端与所述仪用运算放大器的输出端连接，输出端与所述仪用运算放大器的参考端连接。
进一步地，所述脑电信号采集电极还包括右腿驱动电极，所述右腿驱动电极设置于前额。
进一步地，所述脑电信号处理电路的模拟电路还包括右腿驱动单元；所述右腿驱动单元的输入端与所述仪用运算放大器的共模信号端连接，输出端与所述右腿驱动电极连接。
本发明的有益效果是：本发明的脑电信号采集***采用脑电信号采集电极采集脑电信号，利用脑电信号处理电路对脑电信号进行放大、抑制噪声信号及直流偏移量和模数转换，再利用无线信号传输模块进行无线传输，由脑电信号接收模块进行存储和显示，完成脑电信号采集，具有功耗低、性能高、共模抑制比高、输入阻抗高的优点，能够利用干电极采集脑电信号，在脑机接口、家庭监护等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的脑电信号采集***结构示意图。
图2是本发明的脑电信号处理电路的模拟电路结构示意图。
图3是本发明中前置放大电路输入等效示意图。
图4是本发明中前置放大电路输入等效简化示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明的脑电信号采集***结构示意图。一种脑电信号采集***，包括：
脑电信号采集电极，用于采集人体的脑电信号，并将采集得到的脑电信号传输至脑电信号处理电路；
脑电信号处理电路，用于接收所述脑电信号采集电极采集的脑电信号并进行处理，将处理后的脑电信号传输至无线信号传输模块；所述脑电信号处理电路包括模拟电路和数字电路；所述模拟电路用于放大脑电信号并抑制脑电信号中的噪声信号及直流偏移量；所述数字电路用于将脑电信号由模拟信号转换为数字信号；
无线信号传输模块，用于接收所述脑电信号处理电路处理后的脑电信号，并将处理后的脑电信号无线传输至脑电信号接收模块；
脑电信号接收模块，用于接收所述无线信号传输模块无线传输的脑电信号，将脑电信号进行存储和显示。
本发明的脑电信号采集电极包括主动电极和参考电极；所述主动电极设置于人脑的大脑头皮，其决定了脑电信号采集电路的导联数，根据国际通用标准“10-20导***”的安置方法进行设置。所述参考电极设置于人脑的耳部，即左耳或者右耳。特别的，本发明的脑电信号采集电极还包括右腿驱动电极，所述右腿驱动电极设置于人脑的前额。本发明的脑电信号采集电极可以采用湿电极和干电极两种方式，根据不同的实际的需求可以选择不同的脑电信号采集电极，例如进行脑科学研究时，可以选择湿电极，以便获得质量更高的脑电信号，在实际应用中，为了实现即带即用，则需要选择干电极。脑电信号采集电极采集人体的脑电信号后将采集得到的脑电信号传输至脑电信号处理电路的输入端。
本发明的脑电信号处理电路包括模拟电路和数字电路；所述模拟电路用于放大脑电信号并抑制脑电信号中的噪声信号及直流偏移量，这里抑制脑电信号中的噪声信号包括抑制共模噪声和高频噪声；所述数字电路用于利用微控制器控制模数转换器将脑电信号由模拟信号转换为数字信号。如图2所示，为本发明的脑电信号处理电路的模拟电路结构示意图。脑电信号处理电路的模拟电路包括射随器、仪用运算放大器、抗混叠滤波器、直流偏移量抑制单元；所述射随器用于接收所述脑电信号采集电极采集的脑电信号，对脑电信号进行缓冲后传输至仪用运算放大器，该功能可以采用高输入阻抗、低噪声的基本运算放大器构成，具体例如AD8639运算放大器；所述仪用运算放大器用于对脑电信号进行放大和共模噪声的抑制，并将脑电信号传输至抗混叠滤波器；所述抗混叠滤波器用于对脑电信号进行滤波，抑制脑电信号中的高频噪声，输出处理后的脑电信号至无线信号传输模块；所述直流偏移量抑制单元用于获取仪用运算放大器输出端的信号，提取信号中的直流成份，然后反馈至仪用运算放大器的参考端，该功能的实现可采用常用的积分器电路。特别的，本发明的脑电信号处理电路的模拟电路还包括右腿驱动单元，所述右腿驱动单元用于从仪用运算放大器的共模信号端口提取共模噪声，经过放大后通过脑电信号采集电路的右腿驱动电极反相叠加至人体，实现对共模噪声的进一步抑制。
本发明的脑电信号处理电路的连接方式具体为所述射随器的输入端与脑电信号采集电极连接，输出端与仪用运算放大器的输入端连接；所述抗混叠滤波器的输入端与所述仪用运算放大器的输出端连接，输出端与所述无线信号传输模块连接；所述直流偏移量抑制单元的输入端与所述仪用运算放大器的输出端连接，输出端与所述仪用运算放大器的参考端连接；所述右腿驱动单元的输入端与所述仪用运算放大器的共模信号端连接，输出端与所述右腿驱动电极连接。
本发明的无线信号传输模块用于接收所述脑电信号处理电路处理后的脑电信号，并将处理后的脑电信号无线传输至脑电信号接收模块，该功能的实现可以采用蓝牙模块或者wifi模块。
本发明的脑电信号接收模块用于接收所述无线信号传输模块无线传输的脑电信号，将脑电信号进行存储和显示，该功能的实现可以采用PC机，或者手机、平板等手持设备。
为了进一步对本发明的脑电信号采集***的有益效果进行说明，下面针对高输入阻抗减少干电极与头皮接触阻抗进行分析。
在脑电信号采集过程中，采用湿电极的方法，在接触良好的情况下可以使得电极与头皮的接触阻抗在1KΩ以下。在传统电路中，信号采集电路输入阻抗为兆欧母级的，因此该阻抗值对脑电信号的信噪比影响较小。当使用干电极时，电极与头皮的接触阻抗将达到几十KΩ，甚至为兆欧母级，因此传统信号采集电路无法有效采集脑电信号。因此，需要高输入阻抗的信号采集电路，才具备使用干电极的条件。
如图3所示，为本发明中前置放大电路输入等效示意图。假设脑电信号源内阻、电极和头皮之间的阻抗以及前置放大电路输入阻抗的关系如图3所示，其中US为脑电信号；R1、R4为人体内电阻；R2、R5为电极与头皮接触电阻，电极与头皮接触状态决定了阻值的大小，该值一般在数百欧姆至数百千欧姆之间；C1、C2为电极与头皮之间的分布电容，其值一般在数皮法至数十皮法之间；R3、R6为信号线和放大器输入保护电阻，通常小于30KΩ；C3、C4为信号线对地电容，长1m的电缆线对地电容约为几十皮法；Zi为前置放大电路输入阻抗。
为了更直观的分析前置放大电路输入阻抗和外部阻抗的关系，可以进一步将图3简化，如图4所示，为本发明中前置放大电路输入等效示意图。
根据图3和图4，设定如下关系式：
其中，Z1、Z2分别为简化后的输入阻抗，ω为角速度。
设前置放大电路的差分增益为Ad，根据图4可得：
其中，UOUT为输出信号，Ucm为共模信号，CMRR为共模抑制比。
根据公式(1)、公式(2)、公式(3)可知，当前置放大电路的输入阻抗远大于外部阻抗时，就可以减小外部阻抗对信号信噪比的影响。因此，本发明通过采用射随器能够获得TΩ级的输入阻抗。该输入阻抗值远远大于传统电路输入阻抗(通常为几百兆欧母)，则可以忽略干电极与头皮接触阻抗对脑电信号的影响。
为了进一步对本发明的脑电信号采集***的有益效果进行说明，下面针对直流偏移对电路性能的影响进行分析。
在采集脑电信号的过程中，电极将会引入毫伏级的直流偏移电压，因此传统的电路中，仪用运算放大器的放大倍数Ad通常为k(十几倍)，以避免仪用运算放大器的饱和，这就造成了信号采集电路整体共模抑制比较低，从而无法有效抑制噪声，使得信号信噪比较大。本项目采用直流偏移量抑制单元能够实时抑制仪用运算放大器输入端的直流偏移电压，因此，可以设置仪用运算放大器的放大倍数为Ad＝100k。根据共模抑制比的计算公式(4)可知，当Ad的倍数增加时，可以提高共模抑制比，因此本发明的脑电信号采集***共模抑制比可以比传统电路提高20dB以上。
其中，Uic为共模信号输入，Uoc为共模信号输出。
本发明的脑电信号采集***采用脑电信号采集电极采集脑电信号，利用脑电信号处理电路对脑电信号进行放大、抑制噪声信号及直流偏移量和模数转换，再利用无线信号传输模块进行无线传输，由脑电信号接收模块进行存储和显示，完成脑电信号采集，具有功耗低、性能高、共模抑制比高、输入阻抗高的优点，能够利用干电极采集脑电信号，在脑机接口、家庭监护等领域具有广泛的应用前景。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种脑电信号采集***，其特征在于，包括：
脑电信号采集电极，用于采集人体的脑电信号，并将采集得到的脑电信号传输至脑电信号处理电路；
脑电信号处理电路，用于接收所述脑电信号采集电极采集的脑电信号并进行处理，将处理后的脑电信号传输至无线信号传输模块；所述脑电信号处理电路包括模拟电路和数字电路；所述模拟电路用于放大脑电信号并抑制脑电信号中的噪声信号及直流偏移量；所述数字电路用于将脑电信号由模拟信号转换为数字信号；
无线信号传输模块，用于接收所述脑电信号处理电路处理后的脑电信号，并将处理后的脑电信号无线传输至脑电信号接收模块；
脑电信号接收模块，用于接收所述无线信号传输模块无线传输的脑电信号，将脑电信号进行存储和显示。
2.如权利要求1所述的脑电信号采集***，其特征在于，所述脑电信号采集电极包括主动电极和参考电极；所述主动电极设置于大脑头皮，所述参考电极设置于耳部。
3.如权利要求2所述的脑电信号采集***，其特征在于，所述脑电信号处理电路的模拟电路包括射随器、仪用运算放大器、抗混叠滤波器、直流偏移量抑制单元；所述射随器的输入端与脑电信号采集电极连接，输出端与仪用运算放大器的输入端连接；所述抗混叠滤波器的输入端与所述仪用运算放大器的输出端连接，输出端与所述无线信号传输模块连接；所述直流偏移量抑制单元的输入端与所述仪用运算放大器的输出端连接，输出端与所述仪用运算放大器的参考端连接。
4.如权利要求3所述的脑电信号采集***，其特征在于，所述脑电信号采集电极还包括右腿驱动电极，所述右腿驱动电极设置于前额。
5.如权利要求4所述的脑电信号采集***，其特征在于，所述脑电信号处理电路的模拟电路还包括右腿驱动单元；所述右腿驱动单元的输入端与所述仪用运算放大器的共模信号端连接，输出端与所述右腿驱动电极连接。
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