專利名稱：一種便攜式無線腦電采集裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種腦電采集裝置，具體涉及一種便攜式無線腦電采集裝置。
背景技術：
腦電圖一直是臨床神經疾病診斷和認知生理和心理學研究的一種重要手段。腦電信號采集裝置的性能會直接影響到系統(tǒng)的可靠性以及治療的有效性，現有的腦電采集和處理系統(tǒng)大都通過線纜將信號傳輸至上位機。腦電電極是高阻抗的信號源，前置放大器使用了具有高輸入阻抗(超過10兆歐) 的，高共模抑制比的儀表放大器。在腦電信號進入ADC之前，必須進行放大，這樣可以充分利用ADC的輸出動態(tài)范圍。典型的ADC的量程范圍是2. 5V，這就要求腦電采集系統(tǒng)的增益要達到幾萬倍。通過分級放大，將整體增益分配到多個放大器。前置放大的增益不會很大， 這樣對于前置放大的儀表放大器，就不會因為電極的直流偏移量而達到飽和，因而也不會導致有用的腦電信號被淹沒。儀表放大器的實際增益常常取決于它的供電電壓。目前的 5V供電的儀表放大器的增益范圍是5到10倍。在前置放大之后，必須將信號中的直流成分去除掉，需要一個截止頻率為0. IHz的高通濾波器。一旦直流成分被濾除后，信號重新被放大。二級放大器的固有噪聲必需很小，從而這些噪聲不會在后級放大時對系統(tǒng)產生過大的干擾。另外，這些放大器的功耗必須很小，必須在使用電池供電的情況下維持較長時間的工作。但是，低噪聲低功耗的放大器，價格昂貴。在二級放大之后需要一個低通反混疊濾波器。在低通濾波過后，還需要一個第三級放大器。為了提高系統(tǒng)的安全性，同時也為了降低數字電路對模擬電路的干擾，還需使用模數隔離器件(在上圖所示的系統(tǒng)中使用了光電隔離器)將信號送入ADC。雖然這樣的方式有較好的可靠性和準確度，但體積十分龐大，便攜性不足，這在很大程度上限制了其使用范圍。另外，在反饋治療及家庭保健中，采用有線的方式采集自由活動的受試者腦電活動信號是很不方便的。這種方式不僅限制受試者的自由活動，無法反映受試者在正常情況下的腦電活動，而且可能會給受試者帶來心理負擔，影響測量結果。因此，針對腦電采集裝置移動性應用的要求，腦電采集裝置正向無線傳輸便攜式發(fā)展。目前，國外在腦電采集裝置的便攜化方面已經有了豐碩的成果。比如美國 NeuroSky公司基于其自主研發(fā)的ThinkGear技術所制造的“意念耳機”。此耳機可以對腦電波數據進行實時采集和分析，并將當前的注意力水平、放松度水平等思維活動參數以量化數值的形式無線發(fā)送到電腦、手機等智能設備上，從而可以方便地解讀當前的精神狀態(tài)， 也使得意念控制成為可能。2008年，歐洲微電子研究中心基于一款低功耗8通道腦電采集 ASIC (application-specific integrated circuits，專一用途集成電路)芯片研發(fā)出可佩戴式腦電采集裝置。該裝置芯片內部集成了普通腦電采集裝置所需的放大器和濾波器，腦電信號經過模擬域的信號處理后，傳送至微控制器。上述兩種采集裝置的核心都是ASIC芯片，盡管這種設計方案可以大幅縮減采集裝置的體積，但是要研發(fā)這樣的集成芯片會耗費大量的人力、物力和財力，以目前國內的微電子研發(fā)制造水平，制造這樣的芯片很困難的。
而國內的腦電采集裝置還停留在使用大量的運算放大器，儀表放大器和AD轉換器來搭建電路的水平。這樣的采集裝置很難做到小型化，尤其是當采集通道的數量增加時， 裝置的體積會大幅增加。這種設計方法很難實現系統(tǒng)的小型化和便攜化。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種體積小，便攜式無線腦電采集裝置。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是包括多個用于腦電信號采集的頭皮電極、腦電信號提取模塊、腦電信號處理模塊、無線傳輸模塊、后端顯示模塊及用于對腦電信號提取模塊和腦電信號處理模塊供電的電源模塊，腦電信號經頭皮電極采集后送入腦電信號提取模塊進行腦電信號的提取之后進入腦電信號處理模塊，對采集到的腦電信號進行實時處理，并通過無線方式發(fā)送到腦電信號接收端，無線腦電接收端通過USB方式將腦電信號傳輸到計算機中進行顯示。設置采樣頻率為USHz或256Hz，采用所述的頭皮電極對腦電信號進行采集并送入腦電信號提取模塊。所述的腦電信號提取模塊包括依次相連的用于腦電信號的提取和放大的前置放大電路，用于濾波和選頻的RC高低通濾波電路和ADC高精度模數轉換模塊，其中前置放大電路與頭皮電極相連，ADC高精度模數轉換模塊與腦電信號處理模塊相連。所述的腦電信號處理模塊用于對ADC高精度模數轉換模塊轉換的數字信號進行預處理，采用梳狀陷波器濾除50赫茲工頻干擾，采用小波包分解、小波閾值的方法進一步消除干擾和生理偽差，并利用神經網絡、頻譜分析以及數據融合算法對信號進行實時的特征信息提取，并將處理后的腦電數據以及實時特征信息包通過無線方式發(fā)送到腦電信號接收端。本發(fā)明采用便攜式無線腦電采集，大幅縮小了傳統(tǒng)腦電采集系統(tǒng)前端電路的體積，因而具有良好的便攜性。采用無線傳輸方式，將采集對象的腦電數據發(fā)送至上位機處理，因而在一定程度上解除了有線腦電采集系統(tǒng)對受測對象空間位置上的限制。該腦電采集裝置將傳統(tǒng)腦電采集系統(tǒng)中的模擬信號處理轉變?yōu)閿底中盘柼幚?，使用數字信號處理方法，可以靈活地調整采集系統(tǒng)的參數，實現對系統(tǒng)的優(yōu)化，降低了系統(tǒng)的成本。此外本發(fā)明作為腦電監(jiān)測分析儀器的基礎，可廣泛應用于家庭保健、睡眠質量監(jiān)測、腦電反饋治療儀以及心理研究治療中，具有比較廣泛的應用領域，適應性和擴展性強。


圖1是本發(fā)明的整體結構框圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。參見圖1，本發(fā)明包括與腦電采集模塊輸入端相連的多個用于腦電信號采集的頭皮電極，頭皮電極的輸出端與腦電信號提取模塊相連，經腦電信號提取模塊處理后的腦電信號輸入腦電信號處理模塊，經腦電信號處理模塊處理后的腦電數據以及實時特征信息包通過無線方式發(fā)送到腦電信號接收端；它還包括用于對腦電信號提取模塊和腦電信號處理
4模塊供電的電源模塊；所述的腦電信號接收端用于接收腦電信號處理模塊發(fā)送來的信號，通過USB傳輸接口送入計算機顯示。其中多個頭皮電極用于腦電信號采集，采集頻率是USHz或者256Hz，并將采集的腦電信號送入腦電提取模塊。腦電信號提取模塊，包括前置放大電路，RC高低通濾波電路，ADC高精度模數轉換，用于腦電信號的提取、放大、濾波、選頻，放大的信號通過M位的ADC轉換成數字信號后送入硬件實時腦電信號處理模塊；硬件實時腦電信號處理模塊，用于對高精度ADC轉換的數字信號進行預處理，采用梳狀陷波器濾除50赫茲工頻干擾，采用小波包分解、小波閾值的方法進一步消除干擾和生理偽差，并利用神經網絡、頻譜分析以及數據融合算法對信號進行實時的特征信息提取， 并將處理后的腦電數據以及實時特征信息包通過無線方式發(fā)送到腦電信號接收端。腦電信號接收端，用于接收腦電信號處理模塊發(fā)送來的信號，通過USB傳輸接口送入計算機顯示。電源模塊，用于對腦電信號提取和處理模塊供電，分別可以提供5V和3. 3V的電壓。本發(fā)明的工作原理本發(fā)明通過多個腦電極采集腦電信號，采集到的信號送入腦電信號提取模塊進行腦電信號的提取，之后進入腦電信號實時處理模塊，對采集到的腦電信號進行實時處理，并通過無線方式發(fā)送到腦電信號接收端，無線腦電接收端通過USB方式將腦電信號傳輸到計算機中進行顯示。其中腦電信號提取模塊通過多導腦電極傳感器即頭皮電極提取進來后，通過腦電前置放大對信號進行初級放大，進入RC高低通濾波電路，通過一個高精度的ADC轉換器將腦電信號轉換為數字信號，送入硬件實時腦電信號處理模塊。腦電信號實時處理模塊實時腦電信號處理模塊是以NRFMEl為核心及其外圍電路實現。通過前置放大及ADC的模數轉換后的數字信號，還存在一些干擾并存在一些生理偽差。采用梳狀濾波器來去除50Hz工頻干擾，這種方法還有一種好處是在去除50Hz及其諧波的同時可以去除基線漂移。為了減少出現錯誤判斷，需要對采集的信號進行預處理。采用小波包分解、小波包閾值的方法對信號進行預處理，以進一步消除干擾和生理偽差，可以得到較好的不失真的腦電信號。選用合適的小波分析可以很好滿足在線分析系統(tǒng)中腦電偽差去除的要求。特別是小波包的應用，使得頻域空間精細劃分，更有利于偽差的去除和信號特征的提取。本發(fā)明提出的對偽差信號相減的方法可以迅速、有效地消除EEG信號的眼動偽差，濾波后的信號更適于提取EEG特征。同時，對于根據上層主計算機的要求對預處理后的腦電數字信號采取數據融合算法、神經網絡、頻譜分析等方法進行特征提取。以上這些算法都是在硬件上實現，具有很快的運算速度，可以滿足我們實時處理的要求。無線傳輸無線傳輸采用NRFMEl與NRFMLU1芯片的無線傳輸功能，NRF24E1作為發(fā)射端將處理之后的腦電信號傳送到以NRFMLU1為核心的接收端。無線收發(fā)器工作于全球開放的2. 400 2. 483 5GHz頻段，收發(fā)器的通信波特率可以通過軟件設置工作于 250kbps、1Mbps、2Mbps ；使用Enhanced ShockedBust技術可以實現數據包的自動打包/解包和傳輸處理(應答、重傳)；使用MultiCeiver技術可同時支持6個無線裝置，頻段、輸出能量和其他射頻參數可通過射頻寄存器方便地進行編程調節(jié)；具有點對多點通信，并且采用AES加密技術實現更安全的數據傳輸。USB傳輸接收端以NRFMLU1為核心，其是一款將高性能的射頻收發(fā)器和單片 USBdongle的功能結合起來的無線收發(fā)芯片，包含符合全速USB2. O標準的器件控制器。將接收到的經過預處理的腦電信號以及該信號實時特征信息通過USB接口傳送到計算機中。 計算機采用多線程技術對傳輸的數字信號進行實時采集和分析、顯示。本發(fā)明提取的腦電信號首先進入前置放大模塊，經過放大后進入模擬濾波模塊， 之后進入高精度的轉換芯片ADSU98中進行模數轉換，轉換后的數字信號送入NRFMEl進行數字處理和特征提取，然后把處理后的信號以及實時特征信息包經過無線方式發(fā)送到接收端，無線接收模塊通過USB接口送入計算機。前置放大電路采用AD620芯片低噪聲、低功耗，高精度的儀用放大器，用于腦電
信號的前置放大。
其放大倍數 1 一 IOK
共模抑制比(CMRR) IOOdB(G=IO)120dB(G=100)
噪聲 0.28uVp-p f=0.1-10HZ
帶寬 120kHZ(G=100)ADC高精度模數轉換模塊采用ADS1298芯片高集成度的性能出眾的用于生理信號測量的AFE(analog front end，模擬信號采集前端)芯片。此芯片還集成了一些ECG和 EEG信號采集所需的電路，如威爾遜中心電端，電極檢測和右腿驅動放大電路。數據1.精度 位2.通道數8個3. PGA 的增益1，2，3，4，6，8，12 倍4.共模抑制比115dB5.數據輸出速率250SPS_32KSPS供電電路采用TPS73201 可輸出電壓為1. 2-5V，為ADS1298提供3. 2V和3. IV的電壓。無線發(fā)送采用NRFMEl芯片2. 4GHz高速IMbps嵌入處理器無線模塊。全球開放的2. 4GHz頻段，125個頻道，滿足多頻及跳頻需要，具有高數據吞吐量1Mbps，內置硬件CRC 糾檢錯，超小體積內嵌入增強型51單片機內核，9路IObit ADC，PWM輸出，可編程1/0，全部可用戶編程使用。數據1.工作頻段2. 4GHz2·最大速率1Mbps3.最大發(fā)射功率0dBm
4.工作方式半雙工5.頻道125滿足多點及跳頻通信6.調制方式GFSK7.接收靈敏度:-90dBmi25kbps8.頻道切換時間< 200us無線接收與USB傳輸采用NRFMLU1+芯片是Nordic半導體公司推出的一款將高性能的射頻收發(fā)器和單片USBdongle的功能結合起來的無線收發(fā)芯片。nRFMLUl+內含1 個增強型的8051MCU內核、無線收發(fā)模塊、符合全速USB 2. 0標準的器件控制器、2KB的片內 SRAM、16KB或32KB的片內Flash存儲器、6個通用的I/O 口以及電壓調整器。數據1.工作頻段2. 4GHz2.最大速率1Mbps3.最大發(fā)射功率0dBm4.工作方式半雙工5.頻道125滿足多點及跳頻通信6.調制方式GFSK7.接收靈敏度:-90dBmi25kbps8.頻道切換時間< 200us本發(fā)明的裝置具有下列技術特點1、采集多個頭皮電極得到的多導腦電信號；2、采用數字信號處理手段來代替模擬信號處理手段，對增益、帶寬、基線等進行優(yōu)化處理。提高了整個系統(tǒng)的靈活性，并且降低了成本。3、應用小波包方法對EEG信號進行分解，提取EEG中所關心的頻段，提出了一種小波包-相減運算方法來去除EEG中偽差成分，該方法實時性好、濾波效果佳，實現了 EEG信號中最難處理的E0G(眼電)偽差的在線識別和消除。4、運用現代信號處理技術和模式識別技術，從時、空域的不同角度分析患者的腦電信號，對在不同狀態(tài)、不同亞型的QEEG進行特征提取與分類，并結合臨床特征對分類結果進行驗證后，從而實現算法的透明性和復用性。5、腦電信號提取模塊采用一款可實現8通道同步采樣的對位高精度delta-sigma ADC(analog to digital converter，模數轉換器)，其內部集成了增益可變放大器，EEG信號采集所需的威爾遜中心電端，電極檢測和右腿驅動放大電路。6、腦電信號接收端采用高性能的射頻收發(fā)器和單片USBdongle的功能結合起來的無線收發(fā)芯片，內含1個增強型的8051MCU內核、無線收發(fā)模塊、符合全速USB 2. 0標準的器件控制器，具有無線收發(fā)、USB傳輸控制集成于一個芯片的特點。僅需一些簡單的外圍電路，從而可以到達腦電信號接收端小體積，通過USB與計算機進行通信的特點。7、電源供電模塊采用充電電池供電，大大減少了線纜的應用，提高的了系統(tǒng)的便攜性。
權利要求
1.一種便攜式無線腦電采集裝置，其特征在于包括多個用于腦電信號采集的頭皮電極、腦電信號提取模塊、腦電信號處理模塊、無線傳輸模塊、后端顯示模塊及用于對腦電信號提取模塊和腦電信號處理模塊供電的電源模塊，腦電信號經頭皮電極采集后送入腦電信號提取模塊進行腦電信號的提取之后進入腦電信號處理模塊，對采集到的腦電信號進行實時處理，并通過無線方式發(fā)送到腦電信號接收端，無線腦電接收端通過USB方式將腦電信號傳輸到計算機中進行顯示。
2.根據權利要求1所述的便攜式無線腦電采集裝置，其特征在于設置采樣頻率為 128Hz或256Hz，采用所述的頭皮電極對腦電信號進行采集并送入腦電信號提取模塊。
3.根據權利要求1所述的便攜式無線腦電采集裝置，其特征在于所述的腦電信號提取模塊包括依次相連的用于腦電信號的提取和放大的前置放大電路，用于濾波和選頻的RC 高低通濾波電路和ADC高精度模數轉換模塊，其中前置放大電路與頭皮電極相連，ADC高精度模數轉換模塊與腦電信號處理模塊相連。
4.根據權利要求1所述的便攜式無線腦電采集裝置，其特征在于所述的腦電信號處理模塊用于對ADC高精度模數轉換模塊轉換的數字信號進行預處理，采用梳狀陷波器濾除 50赫茲工頻干擾，采用小波包分解、小波閾值的方法進一步消除干擾和生理偽差，并利用神經網絡、頻譜分析以及數據融合算法對信號進行實時的特征信息提取，并將處理后的腦電數據以及實時特征信息包通過無線方式發(fā)送到腦電信號接收端。
全文摘要
一種便攜式無線腦電采集裝置，包括與腦電采集模塊輸入端相連的多個用于腦電信號采集的頭皮電極，頭皮電極輸出端與腦電信號提取模塊相連，經腦電信號提取模塊處理后的腦電信號輸入腦電信號處理模塊通過無線方式發(fā)送到腦電信號接收端。本發(fā)明大幅縮小了傳統(tǒng)腦電采集系統(tǒng)前端電路的體積，因而具有良好的便攜性。采用無線傳輸方式解除了有線腦電采集系統(tǒng)對受測對象空間位置上的限制。將傳統(tǒng)腦電采集系統(tǒng)中的模擬信號處理轉變?yōu)閿底中盘柼幚?，使用數字信號處理方法，可以靈活地調整采集系統(tǒng)的參數，實現對系統(tǒng)的優(yōu)化，降低了系統(tǒng)的成本。
文檔編號A61B5/0476GK102512159SQ20111040803
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權日2011年12月8日
發(fā)明者劉天, 李強, 林盤, 王玨 申請人:西安交通大學