CN102512159A - 一种便携式无线脑电采集装置 - Google Patents
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Abstract
一种便携式无线脑电采集装置，包括与脑电采集模块输入端相连的多个用于脑电信号采集的头皮电极，头皮电极输出端与脑电信号提取模块相连，经脑电信号提取模块处理后的脑电信号输入脑电信号处理模块通过无线方式发送到脑电信号接收端。本发明大幅缩小了传统脑电采集系统前端电路的体积，因而具有良好的便携性。采用无线传输方式解除了有线脑电采集系统对受测对象空间位置上的限制。将传统脑电采集系统中的模拟信号处理转变为数字信号处理，使用数字信号处理方法，可以灵活地调整采集系统的参数，实现对系统的优化，降低了系统的成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种脑电采集装置，具体涉及一种便携式无线脑电采集装置。
背景技术
脑电图一直是临床神经疾病诊断和认知生理和心理学研究的一种重要手段。脑电信号采集装置的性能会直接影响到系统的可靠性以及治疗的有效性，现有的脑电采集和处理系统大都通过线缆将信号传输至上位机。
脑电电极是高阻抗的信号源，前置放大器使用了具有高输入阻抗(超过10兆欧)的，高共模抑制比的仪表放大器。在脑电信号进入ADC之前，必须进行放大，这样可以充分利用ADC的输出动态范围。典型的ADC的量程范围是2.5V，这就要求脑电采集系统的增益要达到几万倍。通过分级放大，将整体增益分配到多个放大器。前置放大的增益不会很大，这样对于前置放大的仪表放大器，就不会因为电极的直流偏移量而达到饱和，因而也不会导致有用的脑电信号被淹没。仪表放大器的实际增益常常取决于它的供电电压。目前的5V供电的仪表放大器的增益范围是5到10倍。在前置放大之后，必须将信号中的直流成分去除掉，需要一个截止频率为0.1Hz的高通滤波器。一旦直流成分被滤除后，信号重新被放大。二级放大器的固有噪声必需很小，从而这些噪声不会在后级放大时对系统产生过大的干扰。另外，这些放大器的功耗必须很小，必须在使用电池供电的情况下维持较长时间的工作。但是，低噪声低功耗的放大器，价格昂贵。在二级放大之后需要一个低通反混叠滤波器。在低通滤波过后，还需要一个第三级放大器。为了提高系统的安全性，同时也为了降低数字电路对模拟电路的干扰，还需使用模数隔离器件(在上图所示的系统中使用了光电隔离器)将信号送入ADC。
虽然这样的方式有较好的可靠性和准确度，但体积十分庞大，便携性不足，这在很大程度上限制了其使用范围。另外，在反馈治疗及家庭保健中，采用有线的方式采集自由活动的受试者脑电活动信号是很不方便的。这种方式不仅限制受试者的自由活动，无法反映受试者在正常情况下的脑电活动，而且可能会给受试者带来心理负担，影响测量结果。因此，针对脑电采集装置移动性应用的要求，脑电采集装置正向无线传输便携式发展。
目前，国外在脑电采集装置的便携化方面已经有了丰硕的成果。比如美国NeuroSky公司基于其自主研发的ThinkGear技术所制造的“意念耳机”。此耳机可以对脑电波数据进行实时采集和分析，并将当前的注意力水平、放松度水平等思维活动参数以量化数值的形式无线发送到电脑、手机等智能设备上，从而可以方便地解读当前的精神状态，也使得意念控制成为可能。2008年，欧洲微电子研究中心基于一款低功耗8通道脑电采集ASIC(application-specific integrated circuits，专一用途集成电路)芯片研发出可佩戴式脑电采集装置。该装置芯片内部集成了普通脑电采集装置所需的放大器和滤波器，脑电信号经过模拟域的信号处理后，传送至微控制器。上述两种采集装置的核心都是ASIC芯片，尽管这种设计方案可以大幅缩减采集装置的体积，但是要研发这样的集成芯片会耗费大量的人力、物力和财力，以目前国内的微电子研发制造水平，制造这样的芯片很困难的。
而国内的脑电采集装置还停留在使用大量的运算放大器，仪表放大器和AD转换器来搭建电路的水平。这样的采集装置很难做到小型化，尤其是当采集通道的数量增加时，装置的体积会大幅增加。这种设计方法很难实现系统的小型化和便携化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体积小，便携式无线脑电采集装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括多个用于脑电信号采集的头皮电极、脑电信号提取模块、脑电信号处理模块、无线传输模块、后端显示模块及用于对脑电信号提取模块和脑电信号处理模块供电的电源模块，脑电信号经头皮电极采集后送入脑电信号提取模块进行脑电信号的提取之后进入脑电信号处理模块，对采集到的脑电信号进行实时处理，并通过无线方式发送到脑电信号接收端，无线脑电接收端通过USB方式将脑电信号传输到计算机中进行显示。
设置采样频率为128Hz或256Hz，采用所述的头皮电极对脑电信号进行采集并送入脑电信号提取模块。
所述的脑电信号提取模块包括依次相连的用于脑电信号的提取和放大的前置放大电路，用于滤波和选频的RC高低通滤波电路和ADC高精度模数转换模块，其中前置放大电路与头皮电极相连，ADC高精度模数转换模块与脑电信号处理模块相连。
所述的脑电信号处理模块用于对ADC高精度模数转换模块转换的数字信号进行预处理，采用梳状陷波器滤除50赫兹工频干扰，采用小波包分解、小波阈值的方法进一步消除干扰和生理伪差，并利用神经网络、频谱分析以及数据融合算法对信号进行实时的特征信息提取，并将处理后的脑电数据以及实时特征信息包通过无线方式发送到脑电信号接收端。
本发明采用便携式无线脑电采集，大幅缩小了传统脑电采集系统前端电路的体积，因而具有良好的便携性。采用无线传输方式，将采集对象的脑电数据发送至上位机处理，因而在一定程度上解除了有线脑电采集系统对受测对象空间位置上的限制。该脑电采集装置将传统脑电采集系统中的模拟信号处理转变为数字信号处理，使用数字信号处理方法，可以灵活地调整采集系统的参数，实现对系统的优化，降低了系统的成本。此外本发明作为脑电监测分析仪器的基础，可广泛应用于家庭保健、睡眠质量监测、脑电反馈治疗仪以及心理研究治疗中，具有比较广泛的应用领域，适应性和扩展性强。
附图说明
图1是本发明的整体结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括与脑电采集模块输入端相连的多个用于脑电信号采集的头皮电极，头皮电极的输出端与脑电信号提取模块相连，经脑电信号提取模块处理后的脑电信号输入脑电信号处理模块，经脑电信号处理模块处理后的脑电数据以及实时特征信息包通过无线方式发送到脑电信号接收端；它还包括用于对脑电信号提取模块和脑电信号处理模块供电的电源模块；
所述的脑电信号接收端用于接收脑电信号处理模块发送来的信号，通过USB传输接口送入计算机显示。
其中多个头皮电极用于脑电信号采集，采集频率是128Hz或者256Hz，并将采集的脑电信号送入脑电提取模块。
脑电信号提取模块，包括前置放大电路，RC高低通滤波电路，ADC高精度模数转换，用于脑电信号的提取、放大、滤波、选频，放大的信号通过24位的ADC转换成数字信号后送入硬件实时脑电信号处理模块；
硬件实时脑电信号处理模块，用于对高精度ADC转换的数字信号进行预处理，采用梳状陷波器滤除50赫兹工频干扰，采用小波包分解、小波阈值的方法进一步消除干扰和生理伪差，并利用神经网络、频谱分析以及数据融合算法对信号进行实时的特征信息提取，并将处理后的脑电数据以及实时特征信息包通过无线方式发送到脑电信号接收端。
脑电信号接收端，用于接收脑电信号处理模块发送来的信号，通过USB传输接口送入计算机显示。
电源模块，用于对脑电信号提取和处理模块供电，分别可以提供5V和3.3V的电压。
本发明的工作原理：本发明通过多个脑电极采集脑电信号，采集到的信号送入脑电信号提取模块进行脑电信号的提取，之后进入脑电信号实时处理模块，对采集到的脑电信号进行实时处理，并通过无线方式发送到脑电信号接收端，无线脑电接收端通过USB方式将脑电信号传输到计算机中进行显示。
其中：
脑电信号提取模块：通过多导脑电极传感器即头皮电极提取进来后，通过脑电前置放大对信号进行初级放大，进入RC高低通滤波电路，通过一个高精度的ADC转换器将脑电信号转换为数字信号，送入硬件实时脑电信号处理模块。
脑电信号实时处理模块：实时脑电信号处理模块是以NRF24E1为核心及其外围电路实现。通过前置放大及ADC的模数转换后的数字信号，还存在一些干扰并存在一些生理伪差。采用梳状滤波器来去除50Hz工频干扰，这种方法还有一种好处是在去除50Hz及其谐波的同时可以去除基线漂移。为了减少出现错误判断，需要对采集的信号进行预处理。采用小波包分解、小波包阈值的方法对信号进行预处理，以进一步消除干扰和生理伪差，可以得到较好的不失真的脑电信号。选用合适的小波分析可以很好满足在线分析系统中脑电伪差去除的要求。特别是小波包的应用，使得频域空间精细划分，更有利于伪差的去除和信号特征的提取。本发明提出的对伪差信号相减的方法可以迅速、有效地消除EEG信号的眼动伪差，滤波后的信号更适于提取EEG特征。同时，对于根据上层主计算机的要求对预处理后的脑电数字信号采取数据融合算法、神经网络、频谱分析等方法进行特征提取。以上这些算法都是在硬件上实现，具有很快的运算速度，可以满足我们实时处理的要求。
无线传输：无线传输采用NRF24E1与NRF24LU1芯片的无线传输功能，NRF24E1作为发射端将处理之后的脑电信号传送到以NRF24LU1为核心的接收端。无线收发器工作于全球开放的2.400～2.483 5GHz频段，收发器的通信波特率可以通过软件设置工作于250kbps、1Mbps、2Mbps；使用Enhanced ShockedBust技术可以实现数据包的自动打包/解包和传输处理(应答、重传)；使用MultiCeiver技术可同时支持6个无线装置，频段、输出能量和其他射频参数可通过射频寄存器方便地进行编程调节；具有点对多点通信，并且采用AES加密技术实现更安全的数据传输。
USB传输：接收端以NRF24LU1为核心，其是一款将高性能的射频收发器和单片USBdongle的功能结合起来的无线收发芯片，包含符合全速USB2.0标准的器件控制器。将接收到的经过预处理的脑电信号以及该信号实时特征信息通过USB接口传送到计算机中。计算机采用多线程技术对传输的数字信号进行实时采集和分析、显示。
本发明提取的脑电信号首先进入前置放大模块，经过放大后进入模拟滤波模块，之后进入高精度的转换芯片ADS1298中进行模数转换，转换后的数字信号送入NRF24E1进行数字处理和特征提取，然后把处理后的信号以及实时特征信息包经过无线方式发送到接收端，无线接收模块通过USB接口送入计算机。
前置放大电路采用AD620芯片：低噪声、低功耗，高精度的仪用放大器，用于脑电信号的前置放大。
ADC高精度模数转换模块：采用ADS1298芯片：高集成度的性能出众的用于生理信号测量的AFE(analog front end，模拟信号采集前端)芯片。此芯片还集成了一些ECG和EEG信号采集所需的电路，如威尔逊中心电端，电极检测和右腿驱动放大电路。
数据：
1.精度：24位
2.通道数：8个
3.PGA的增益：1，2，3，4，6，8，12倍
4.共模抑制比：115dB
5.数据输出速率：250SPS-32KSPS
供电电路采用TPS73201：可输出电压为1.2-5V，为ADS1298提供3.2V和3.1V的电压。
无线发送采用NRF24E1芯片：2.4GHz高速1Mbps嵌入处理器无线模块。全球开放的2.4GHz频段，125个频道，满足多频及跳频需要，具有高数据吞吐量1Mbps，内置硬件CRC纠检错，超小体积内嵌入增强型51单片机内核，9路10bit ADC，PWM输出，可编程I/O，全部可用户编程使用。
数据：
1.工作频段：2.4GHz
2.最大速率：1Mbps
3.最大发射功率：0dBm
4.工作方式：半双工
5.频道：125满足多点及跳频通信
6.调制方式：GFSK
7.接收灵敏度：-90dBm25kbps
8.频道切换时间：＜200us
无线接收与USB传输采用NRF24LU1+芯片：是Nordic半导体公司推出的一款将高性能的射频收发器和单片USBdongle的功能结合起来的无线收发芯片。nRF24LU1+内含1个增强型的8051MCU内核、无线收发模块、符合全速USB 2.0标准的器件控制器、2KB的片内SRAM、16KB或32KB的片内Flash存储器、6个通用的I/O口以及电压调整器。
数据：
1.工作频段：2.4GHz
2.最大速率：1Mbps
3.最大发射功率：0dBm
4.工作方式：半双工
5.频道：125满足多点及跳频通信
6.调制方式：GFSK
7.接收灵敏度：-90dBm25kbps
8.频道切换时间：＜200us
本发明的装置具有下列技术特点：
1、采集多个头皮电极得到的多导脑电信号；
2、采用数字信号处理手段来代替模拟信号处理手段，对增益、带宽、基线等进行优化处理。提高了整个系统的灵活性，并且降低了成本。
3、应用小波包方法对EEG信号进行分解，提取EEG中所关心的频段，提出了一种小波包-相减运算方法来去除EEG中伪差成分，该方法实时性好、滤波效果佳，实现了EEG信号中最难处理的EOG(眼电)伪差的在线识别和消除。
4、运用现代信号处理技术和模式识别技术，从时、空域的不同角度分析患者的脑电信号，对在不同状态、不同亚型的QEEG进行特征提取与分类，并结合临床特征对分类结果进行验证后，从而实现算法的透明性和复用性。
5、脑电信号提取模块采用一款可实现8通道同步采样的24位高精度delta-sigma ADC(analog to digital converter，模数转换器)，其内部集成了增益可变放大器，EEG信号采集所需的威尔逊中心电端，电极检测和右腿驱动放大电路。
6、脑电信号接收端采用高性能的射频收发器和单片USBdongle的功能结合起来的无线收发芯片，内含1个增强型的8051MCU内核、无线收发模块、符合全速USB 2.0标准的器件控制器，具有无线收发、USB传输控制集成于一个芯片的特点。仅需一些简单的外围电路，从而可以到达脑电信号接收端小体积，通过USB与计算机进行通信的特点。
7、电源供电模块采用充电电池供电，大大减少了线缆的应用，提高的了系统的便携性。
Claims (4)
1.一种便携式无线脑电采集装置，其特征在于：包括多个用于脑电信号采集的头皮电极、脑电信号提取模块、脑电信号处理模块、无线传输模块、后端显示模块及用于对脑电信号提取模块和脑电信号处理模块供电的电源模块，脑电信号经头皮电极采集后送入脑电信号提取模块进行脑电信号的提取之后进入脑电信号处理模块，对采集到的脑电信号进行实时处理，并通过无线方式发送到脑电信号接收端，无线脑电接收端通过USB方式将脑电信号传输到计算机中进行显示。
2.根据权利要求1所述的便携式无线脑电采集装置，其特征在于：设置采样频率为128Hz或256Hz，采用所述的头皮电极对脑电信号进行采集并送入脑电信号提取模块。
3.根据权利要求1所述的便携式无线脑电采集装置，其特征在于：所述的脑电信号提取模块包括依次相连的用于脑电信号的提取和放大的前置放大电路，用于滤波和选频的RC高低通滤波电路和ADC高精度模数转换模块，其中前置放大电路与头皮电极相连，ADC高精度模数转换模块与脑电信号处理模块相连。
4.根据权利要求1所述的便携式无线脑电采集装置，其特征在于：所述的脑电信号处理模块用于对ADC高精度模数转换模块转换的数字信号进行预处理，采用梳状陷波器滤除50赫兹工频干扰，采用小波包分解、小波阈值的方法进一步消除干扰和生理伪差，并利用神经网络、频谱分析以及数据融合算法对信号进行实时的特征信息提取，并将处理后的脑电数据以及实时特征信息包通过无线方式发送到脑电信号接收端。
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