TWM574899U - Brain wave signal amplifier circuit - Google Patents

Abstract

本創作提供一種腦波訊號放大器電路，其特徵在於實現具有多通道的低功耗的腦波偵測電路。腦波訊號放大器電路包括預處理模組、A/D處理模組、訊號控制模組與通訊模組。預處理模組接收一組生理訊號，同時搭配右腳驅動電路，將共模訊號導回人體，藉此降低干擾。該生理訊號為類比訊號，而該預處理模組接收該類比訊號並處理後再將該類比訊號傳輸至A/D處理模組。A/D處理模組根據類比訊號產生數位訊號至訊號控制模組。訊號控制模組接收這些數位訊號並轉換為傳輸訊號，訊號控制模組發送傳輸訊號至主機端。本創作具有可重複使用性、攜帶方便、低功耗且高電路集成度的特點，可對應不同環境下使用，能夠解決的傳統醫療用腦波放大器體積龐大、功率消耗較高、擴充性能少且價格昂貴之問題。

Description

腦波訊號放大器電路

本創作係關於一種訊號偵測系統，特別有關於一種腦波訊號放大器電路。

腦波(Electroencephalography, EEG)是指大腦在活動時，神經細胞產生的電位變化，近年來腦波被廣泛的應用於輔助醫療診斷(如癲癇、失智症)及腦機介面(Brain-computer interface, BCI)之研究領域。

習知技術在採集腦波訊號時，由於受試者的頭皮阻抗高且容易受環境影響，因此微弱的腦波必須經過前端濾波與放大類比電路，並利用高輸入阻抗及高共模具斥比(Common-Mode Rejection Ratio, CMRR)作為前級放大，才能順利的擷取腦波訊號。

在擷取腦波訊號的過程中，訊號的傳輸速率與類比解析精度也決定了腦波訊號擷取系統的性能。特別對於多通道腦波訊號的擷取，由於前述環境的高變化加上訊號數據量更加龐大，所以習知的傳輸方式以外設組件互連標準(Peripheral Component Interconnect，PCI)或通用序列匯流排(Universal Serial Bus，USB)為主。習知醫療用腦波放大器雖然訊號精度較高，但是傳統腦波訊號擷取電路之設備體積與消耗功率相對大上許多，且數據傳輸大多採用有線傳輸的方式，不便用於採集條件和環境經常變化之場合。另外，具有娛樂及教育性質方面之腦波放大器，只針對部分腦波頻帶作為使用，雖然方便配戴使用，但使用訊號品質較差的乾式電極，而且通常具有只有單通到或雙通道通等通道數少的缺點。

有鑒於此，本創作人本於多年從事相關產品之製造開發與設計經驗，針對以上所述的腦波偵測系統之問題進行檢討與研究，並審慎評估各種能夠改善方案，進而完成本創作。

換言之，本創作提供一種腦波訊號放大器電路，其特徵在於實現具有多通道的低功耗的腦波偵測電路。

本創作的腦波訊號放大器電路包括預處理模組、A/D處理模組與訊號控制模組。預處理模組具有訊號放大單元、右腳驅動單元與訊號濾波單元。預處理模組接收一組生理訊號，預處理模組具有訊號放大單元、右腳驅動單元與訊號濾波單元，訊號放大單元具有第一傳輸端、第二傳輸端、第三傳輸端、第四傳輸端與第五傳輸端，右腳驅動單元具有第一放大器與第二放大器，訊號濾波單元具有第三放大器，第一傳輸端與第二傳輸端接收生理訊號，第三傳輸端耦接於第四傳輸端並傳輸放大增益至右腳驅動單元，第一放大器串接於第二放大器，第一放大器接收放大增益，由第二放大器產生反向共模訊號至使用者，第五傳輸端耦接至第三放大器，訊號放大電路傳輸輸出電壓至第三放大器並產生類比訊號；A/D處理模組耦接於些預處理模組並接收些類比訊號，A/D處理模組具有複數組輸入端與複數組輸出端，每一輸入端耦接相應的預處理模組的類比訊號，A/D處理模組根據類比訊號產生數位訊號；訊號控制模組耦接於A/D處理模組，訊號控制模組接收這些數位訊號並轉換為傳輸訊號，訊號控制模組發送傳輸訊號至主機端。

本創作的腦波訊號放大器電路除了提供高精度的腦波訊號擷取，更實現多通道的訊號傳輸。特別是本新型更可透過低功耗的相關電路構成，進一步實現可攜帶的訊號量測系統。

有關本創作的特徵與實作，茲配合圖式作最佳實施例詳細說明如下。

在以下，針對本創作構成及技術內容等，列舉各種適用的實例並配合參照隨文所附圖式而加以詳細地説明；然而，本創作當然不是限定於所列舉之該等的實施例、圖式或詳細說明內容而已。

再者，熟悉此項技術之業者亦當明瞭：所列舉之實施例與所附之圖式僅提供參考與說明之用，並非用來對本創作加以限制者；能夠基於該等記載而容易實施之修飾或變更而完成之創作，亦皆視為不脫離本創作之精神與意旨的範圍內，當然該等創作亦均包括在本創作之申請專利範圍內。

請參考圖1所示，其係為本新型的系統架構示意圖。本新型的腦波訊號放大器電路100包括：至少一預處理模組110、A/D處理模組120、及訊號控制模組130。預處理模組110耦接於A/D處理模組120(Analog to Digital，簡稱A/D)、訊號控制模組130與無線通訊模組140。預處理模組110的設置數量係根據A/D處理模組120的處理能力。在本新型中係以八組預處理模組110作為示意說明。

請參閱圖2所示之預處理模組的架構示意圖，預處理模組110包括訊號放大單元111、右腳驅動單元112(driven-right-leg circuit)與訊號濾波單元113，並且訊號放大單元111耦接於右腳驅動單元112與訊號濾波單元113。在本實施例中，訊號放大單元111係為INA188放大器，INA188晶片為儀表放大器，INA188晶片的特性為具有高輸入阻抗、內建濾除射頻干擾(RFI)電路、零漂移架構、在0.1 Hz至10 Hz的頻率範圍內只產生250 nVPP的雜訊。

訊號放大單元111具有第一傳輸端11、第二傳輸端12、第三傳輸端13、第四傳輸端14與第五傳輸端15。第一傳輸端11係為INA188放大器的第2腳位、第二傳輸端12係為第3腳位、第三傳輸端13係為第一腳位、第四傳輸端14係為第8腳位、第五傳輸端15係為第6腳位。第一傳輸端11與第二傳輸端12用於接收使用者的生理訊號。生理訊號分別為參考電極與目標電極的輸入電壓。第三傳輸端13耦接於第四傳輸端14並傳輸放大增益至右腳驅動單元112。其中，第三傳輸端13與第四傳輸端14串接第一電阻R1，並傳輸放大增益至右腳驅動單元112。第一電阻R1之目的為將目標電極之電壓減去參考電極之電壓後乘上一放大倍率(1+50KΩ⁄R)，以達到較佳之類比電壓數值。

右腳驅動單元112具有第一放大器OP1、第二放大器OP2、第二電阻R2、第三電阻R3與第一電容C1。第一放大器OP1的正向輸入端接收放大增益。第一放大器OP1的反向輸入端與輸出端連接第二電阻R2。第一放大器OP1與第二放大器OP2間串接第二電阻R2，且第三電阻R3並聯於第一電容C1。第一放大器OP1係為電壓隨耦器，用於提升電流推動力。第二放大器OP2的反向輸入端與輸出端連接該第三電阻R3與第一電容C1。第二放大器OP2的正向輸入端則接地。第二放大器OP2的作用為濾波使用，並輸出反向共模訊號導回人體，藉以降低共模干擾(common-mode interference) 。

在本實施例中訊號濾波單元113為一高通濾波電路，其具有第三放大器OP3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第二電容C2與第三電容C3。訊號放大單元111的第五傳輸端15連接至第三放大器OP3的反向輸入端，並將第五傳輸端15的輸出電壓傳輸至第三放大器OP3。其中，第五傳輸端15與第三放大器OP3之間串接第二電容C2、第三電容C3與第四電阻R4。第三放大器OP3的反向輸入端與第三電容C3另設置第四電阻R4並接地。第二電容C2與第三電容C3之間另設置第六電阻R6，且第六電阻R6串接第五電阻R5至第三放大器OP3的正向輸入端與輸出端。第三放大器OP3的出線端AIN/P(N)輸出類比訊號。利用高通濾波電路能夠消除訊號中直流成分之低頻干擾，原始腦波訊號從儀表放大器輸出夾帶著許多直流成分的訊號，導致A/D處理模組無法直接解析，但經由高通濾波電路後，能夠有效降低直流干擾，使後端A/D處理模組解析出乾淨的腦波訊號。

根據本創作的技術思想，上述之第一放大器OP1、 第二放大器OP2與第三放大器OP3係為TL074放大器。

接著，請參閱圖3所示之腦波訊號放大器電路的訊號傳遞示意圖。該A/D處理模組120具有複數組輸入端與複數組輸出端，每一輸入端耦接對應的預處理模組110的出線端AIN/P(N)，並接收預處理模組110的類比訊號。A/D處理模組120根據類比訊號產生數位訊號。本創作的A/D處理模組120可採用ADS系列晶片，在本實施例中係以ADS1298晶片為說明。ADS1298晶片具有8個24bits高解析度類比數位轉換器(A/D)、8個低噪聲可編程增益放大器(PGA)、內部震盪器，其中24位元A/D具有極高的辨識度，能將類比訊號解析至0.1μV/bit。利用opcode設定ADS1298晶片每秒取樣頻率為500Hz。

生理訊號經過預處理模組110後透過出線端AIN/P(N)(N = 1~8)輸入至ADS1298晶片的正向輸入端(分別為第2、4、6、8、10、12、14、16腳位)，而反向輸入端(第一、3、5、7、9、11、13、15腳位)則接地，用以將類比訊號轉換為數位訊號。ADS1298晶片擁有解析腦波訊號之所需特性，具有以下主要特性為：一、8個24bits高解析度類比數位轉換器(ADC)，取樣頻率範圍由250sps至32Ksps之間；二、低功耗，0.75mW/channel；三、可编程增益：1、2、3、4、6、8 或 12倍；四、共模抑制比(CMRR)：–115dB。

訊號控制模組130耦接於A/D處理模組120，訊號控制模組130接收數位訊號並轉換為傳輸訊號，訊號控制模組130發送傳輸訊號至主機端150。訊號控制模組130可以選用PIC18f4520晶片作為核心晶片。PIC18f4520晶片具有高性能、低功耗和多元擴充模組的特點，PIC18f4520晶片採用串列周邊介面(Serial Peripheral Interface, SPI)進行通信。

在本實施例中將訊號控制模組130設定為主端(Master)利用控制碼(Opcode)控制從端(Salve)的A/D處理模組120。將ADS1298晶片的DIN、CS、SCLK、DOUT、DRDY腳位分別與PIC18f4520晶片的SDO、SS、SCK、SDI、RC2腳位相接，用於確保主端與從端之間的資料傳輸。接著，致能ADS1298晶片中的RDATAC(Read Data Continuous)模式，以使訊號控制模組130從ADS1298晶片讀取ADC將訊號轉換後的結果。訊號控制模組130將生成的傳輸訊號透過有線傳輸的方式發送至控制端。

另外，請再參閱圖1及圖3。除了前述的有線傳輸外，在本創作的另一實施中還可以選擇裝設無線通訊模組140。無線通訊模組140耦接訊號控制模組130。無線通訊模組140將該傳輸訊號無線傳輸至主機端150。本新型的無線通訊模組140可以選用Arduino HC-05串口藍牙機晶片。

HC-05晶片之TX與RX腳位與訊號處理與訊號控制模組130的TX與RX腳位互相連接，其餘腳位則接地(GND、STATE、KEY)。訊號控制模組130透過通用非同步收發傳輸(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, UART)將傳輸訊號發送至HC-05晶片。HC-05晶片支援8位元資料位元、1位元停止位元，HC-05晶片可設置同位的通信格式，同時也是最常用的通信格式，標準串列傳輸速率設定為230400bps。

本創作之腦波訊號放大器電路的共模拒斥比CMRR為104dB以上，而傳統醫療用腦波放大器的共模拒斥比CMRR為90dB及90dB以下；在精度方面，傳統醫療用腦波放大器的類比數位轉換的解析度為22 bit，而本創作之腦波訊號放大器電路的解析度為24 bit，在訊號的解析度上相較於傳統腦波放大器更精準。

另外，使用本創作之腦波訊號放大器電路進行功耗測試，當供應電壓為5V時，經三用電表量測電流為0.17A，依據功率公式P=I(電流)*V(電壓)，得知本創作的腦波訊號放大器電路的功耗為0.85W，而一般傳統醫療用腦波放大器為2.5W，能夠有效降低功耗。

綜上所述，本創作的腦波訊號放大器電路100除了提供高精度的腦波訊號擷取，更實現多通道的訊號傳輸。特別是本創作更可透過低功耗的相關電路構成，進一步實現可攜帶的訊號量測系統。

雖然本新型以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本新型，任何熟習相像技藝者，在不脫離本新型之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本新型之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧腦波訊號放大器電路

110‧‧‧預處理模組

111‧‧‧訊號放大單元

11‧‧‧第一傳輸端

12‧‧‧第二傳輸端

13‧‧‧第三傳輸端

14‧‧‧第四傳輸端

15‧‧‧第五傳輸端

112‧‧‧右腳驅動單元

113‧‧‧訊號濾波單元

120‧‧‧A/D處理模組

130‧‧‧訊號控制模組

140‧‧‧無線通訊模組

R1‧‧‧第一電阻

R2‧‧‧第二電阻

R3‧‧‧第三電阻

R4‧‧‧第四電阻

R5‧‧‧第五電阻

R6‧‧‧第六電阻

OP1‧‧‧第一放大器

OP2‧‧‧第二放大器

OP3‧‧‧第三放大器

C1‧‧‧第一電容

C2‧‧‧第二電容

C3‧‧‧第三電容

圖1係為顯示本創作之腦波訊號放大器電路的架構示意圖。 圖2係為顯示本創作的預處理模組架構示意圖。 圖3係為顯示本創作之腦波訊號放大器電路的訊號傳遞示意圖。

Claims (10)

1. 一種腦波訊號放大器電路，其特徵在於實現具有多通道的低功耗的腦波偵測電路，該腦波訊號放大器電路包括： 至少一預處理模組，其係接收一組生理訊號，該預處理模組具有一訊號放大單元、一右腳驅動單元與一訊號濾波單元，該訊號放大單元具有一第一傳輸端、一第二傳輸端、一第三傳輸端、一第四傳輸端與一第五傳輸端，該右腳驅動單元具有一第一放大器與一第二放大器，該訊號濾波單元具有一第三放大器，該第一傳輸端與該第二傳輸端接收該生理訊號，該第三傳輸端耦接於該第四傳輸端並傳輸一放大增益至該右腳驅動單元，該第一放大器串接於該第二放大器，該第一放大器接收該放大增益，由該第二放大器產生一反向共模訊號至使用者，該第五傳輸端耦接至該第三放大器，該訊號放大電路傳輸一輸出電壓至該第三放大器並產生一類比訊號； 一A/D處理模組，耦接於該些預處理模組並接收該些類比訊號，該A/D處理模組具有複數組輸入端與複數組輸出端，每一該輸入端耦接相應的該預處理模組與該類比訊號，該A/D處理模組根據該類比訊號產生一數位訊號；以及 一訊號控制模組，耦接於該A/D處理模組，該訊號控制模組接收該些數位訊號並轉換為一傳輸訊號，該訊號控制模組發送該傳輸訊號至一主機端。
2. 如請求項1所述之腦波訊號放大器電路，其中該第三傳輸端與該第四傳輸端串接一第一電阻，並傳輸該放大增益至該右腳驅動單元。
3. 如請求項1所述之腦波訊號放大器電路，其中該右腳驅動單元更具有一第二電阻、一第三電阻與一第一電容，該第一放大器的正向輸入端接收該放大增益，該第一放大器的反向輸入端與輸出端連接該第二電阻，該第一放大器與該第二放大器間串接該第二電阻， 該第三電阻並聯於該第一電容，該第二放大器的反向輸入端與輸出端連接該第三電阻與該第一電容。
4. 如請求項1所述之腦波訊號放大器電路，其中該訊號濾波單元具有一第四電阻、一第五電阻、一第六電阻、一第二電容與一第三電容，該第五傳輸端連接至該第三放大器的反向輸入端，該第五傳輸端與該第三放大器之間串接該第二電容、該第三電容與第四電阻，該第三放大器的反向輸入端與該第三電容另設置該第四電阻並接地，該第二電容與該第三電容之間另設置該第六電阻，且該第六電阻串接該第五電阻至該第三放大器的正向輸入端與輸出端。
5. 如請求項1所述之腦波訊號放大器電路，其中該訊號放大單元係為INA188放大器。
6. 如請求項1所述之腦波訊號放大器電路，其中該第一放大器、該第二放大器與該第三放大器係為TL074放大器。
7. 如請求項1所述之腦波訊號放大器電路，其中該A/D處理模組係為ADS1298晶片。
8. 如請求項1所述之腦波訊號放大器電路，其中該訊號控制模組係為PIC18f4520晶片。
9. 如請求項1所述之腦波訊號放大器電路， 其中更包括一無線通訊模組，其係耦接該訊號控制模組，該無線通訊模組將該傳輸訊號無線傳輸至該主機端。
10. 如請求項9所述之腦波訊號放大器電路，其中該通訊模組係為Arduino HC-05晶片。