基于無線傳輸?shù)哪X電波采集裝置制造方法
【專利摘要】一種基于無線傳輸?shù)哪X電波采集裝置，包括TGAM模塊、前額電極、兩個(gè)耳夾電極、藍(lán)牙發(fā)送模塊、藍(lán)牙接收模塊和上位機(jī)。前額電極的輸出連接TGAM模塊；兩個(gè)耳夾電極的輸出分別連接TGAM模塊；藍(lán)牙發(fā)送模塊的輸入連接TGAM模塊；藍(lán)牙接收模塊與藍(lán)牙發(fā)送模塊無線通信相連；上位機(jī)的輸入連接藍(lán)牙接收模塊；上位機(jī)設(shè)有USB接口模塊和腦電波的顯示分析系統(tǒng)：USB接口模塊的輸入連接藍(lán)牙接收模塊，輸出連接腦電波的顯示分析系統(tǒng)。本裝置實(shí)現(xiàn)了腦電波的采集與無線傳輸，擺脫了傳統(tǒng)有線測量的束縛，增加了系統(tǒng)的可移動(dòng)性，可實(shí)時(shí)顯示腦電波并進(jìn)行時(shí)頻分析，結(jié)構(gòu)合理便攜，操作方便，適用于醫(yī)學(xué)、教育、科研等領(lǐng)域，可進(jìn)行醫(yī)學(xué)檢測、技術(shù)研發(fā)等。
【專利說明】基于無線傳輸?shù)哪X電波采集裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及醫(yī)療儀器，特別涉及一種基于無線傳輸?shù)哪X電波采集裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 大腦神經(jīng)活動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生微弱的電場波動(dòng)，當(dāng)數(shù)以萬計(jì)的神經(jīng)同時(shí)活動(dòng)時(shí)，電場就 會(huì)產(chǎn)生有韻律的波動(dòng)。從頭皮上就能測量到這種波動(dòng)，即腦電波。不同的精神狀態(tài)會(huì)造成 不同形式的神經(jīng)活動(dòng)，從而發(fā)出不同的腦電波。腦電信號的特點(diǎn)：首先，腦電信號非常微弱， 一般只有50 μ V左右，幅值范圍為5 μ V?100 μ V，所以腦電信號放大增益要比一般的信號 高得多，一般要放大20000倍左右。第二，腦電信號頭皮與顱骨通常幾千Ω的電阻，所以要 求前置部分有很高的輸入阻抗，以提高腦電信號索取能力，一般輸入阻抗要大于10ΜΩ。第 三，腦電信號的頻率低，一般在〇. ΙΗζ-ΙΟΟΗζ，需要濾除腦電信號頻率以外的高頻干擾。第 四，在普通環(huán)境下，腦電信號采集受到工頻干擾等共模干擾，信噪比通常低于-10dB。工頻干 擾主要是以共模形式存在，幅值在mV數(shù)量級，所以要求放大器具有很高的共模抑制比，一 般要大于120dB。第五，在電極與頭皮接觸的部位會(huì)產(chǎn)生電位差，稱為極化電壓。
[0003] 腦電圖具有簡易，無創(chuàng)和高時(shí)間分辨率等優(yōu)點(diǎn)，其信號處理可以獲得與疾病相關(guān) 的信息并用于診斷，例如：檢查癲癇，腦腫瘤，顱腦損傷，中樞神經(jīng)疾病等，也可利用人們不 同感覺或運(yùn)動(dòng)下的腦電的不同，通過對腦電信號的有效提取和分類達(dá)到某種控制目的。人 類是在1929年首次從放在頭皮的電極測量出腦電的活動(dòng)，把這種隨時(shí)間變化的電位記錄 下來就形成了腦電圖，從此開啟了一扇研究腦電圖的大門。傳統(tǒng)的腦電圖機(jī)雖精確度好但 體積大、移動(dòng)不便、抗干擾性能不佳、安裝不便而且價(jià)格也比較昂貴，具有很大的局限性。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0004] 本實(shí)用新型的目的，就在于提供一種基于無線傳輸?shù)哪X電波采集裝置。
[0005] 本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于無線傳輸?shù)哪X電波采集裝置，其包 括：
[0006] TGAM模塊；該TGAM模塊采用NeuroSky神念科技的腦電采集模塊TGAM。
[0007] 用于貼在前額的前額電極，其輸出連接TGAM模塊；該前額電極是采用NeuroSky神 念科技的氯化銀干電極。
[0008] 用于夾在左右耳垂上的兩個(gè)耳夾電極，其輸出分別連接TGAM模塊；耳夾電極內(nèi)裝 有使人體的電壓與耳夾的電壓相等的接地電極，以及可通過共模抑制過濾掉周圍環(huán)境噪音 的參考電極。
[0009] 藍(lán)牙發(fā)送模塊，其輸入連接TGAM模塊；
[0010] 藍(lán)牙接收模塊，與藍(lán)牙發(fā)送模塊無線通信相連；
[0011]上位機(jī)，其輸入連接藍(lán)牙接收模塊；
[0012] 所述上位機(jī)設(shè)有USB接口模塊和腦電波的顯示分析系統(tǒng)：USB接口模塊的輸入連 接藍(lán)牙接收模塊，輸出連接腦電波的顯示分析系統(tǒng)。該USB接口模塊為FT232USB轉(zhuǎn)串口模 塊，其接收3. 3V-5V外部供電，支持5V對外供電和3. 3V對外供電；自帶3個(gè)LED :TXD LED、 RXD LED和POWERLED。該腦電波的顯示分析系統(tǒng)是基于圖形化編程語言LabVIEW編寫的腦 電波的顯示分析系統(tǒng)。USB接口模塊將腦電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)，輸入基于圖形化編程語 言LabVIEW的腦電波的顯示分析系統(tǒng)；基于圖形化編程語言LabVIEW的腦電波的顯示分析 系統(tǒng)則顯示腦電波圖、腦電功率圖并進(jìn)行時(shí)頻分析。
[0013] 本實(shí)用新型的有益效果是，突破了醫(yī)用常規(guī)的濕傳感器使用上的不便，TGAM和人 體的接觸只需要一個(gè)簡單的干接觸點(diǎn)，其先進(jìn)的過濾技術(shù)可以排除日常生活中環(huán)境的噪 音，讓芯片能應(yīng)用在醫(yī)院以外一般用戶的消費(fèi)設(shè)備里。腦電信號采集系統(tǒng)就要求具有較好 的可靠性、實(shí)時(shí)性以及可移動(dòng)性等特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上能方便而準(zhǔn)確地采集到腦電數(shù)據(jù)并 進(jìn)行分析，擺脫了傳統(tǒng)腦電圖機(jī)有線測量、雖精確度好但體積大、移動(dòng)不便、抗干擾性能不 佳、安裝不便而且價(jià)格也比較昂貴的局限性，增加了系統(tǒng)的可移動(dòng)性，可實(shí)時(shí)顯示腦電波并 進(jìn)行時(shí)頻分析，該腦電波采集和無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理便攜，操作方便，適用于醫(yī)學(xué)、教育、 科研等領(lǐng)域，可進(jìn)行醫(yī)學(xué)檢測、技術(shù)研發(fā)等。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015] 參見圖1，本實(shí)用新型的基于無線傳輸?shù)哪X電波采集裝置，一種基于無線傳輸?shù)哪X 電波采集裝置，包括TGAM模塊1、用于貼在前額的前額電極2、用于夾在左右耳垂上的兩個(gè) 耳夾電極3、藍(lán)牙發(fā)送模塊4、藍(lán)牙接收模塊5和上位機(jī)6。
[0016] TGAM模塊1采用NeuroSky神念科技的腦電采集模塊TGAM。
[0017] 用于貼在前額的前額電極的輸出連接TGAM模塊；該前額電極是采用NeuroSky神 念科技的氯化銀干電極。
[0018] 用于夾在左右耳垂上的兩個(gè)耳夾電極的輸出分別連接TGAM模塊；耳夾電極內(nèi)裝 有使人體的電壓與耳夾的電壓相等的接地電極，以及可通過共模抑制過濾掉周圍環(huán)境噪音 的參考電極。
[0019] 藍(lán)牙發(fā)送模塊的輸入連接TGAM模塊；
[0020] 藍(lán)牙接收模塊與藍(lán)牙發(fā)送模塊無線通信相連；
[0021] 上位機(jī)的輸入連接藍(lán)牙接收模塊；
[0022] 上述上位機(jī)設(shè)有USB接口模塊和腦電波的顯示分析系統(tǒng)：USB接口模塊的輸入連 接藍(lán)牙接收模塊，輸出連接腦電波的顯示分析系統(tǒng)。該USB接口模塊為FT232USB轉(zhuǎn)串口模 塊，其接收3. 3V-5V外部供電，支持5V對外供電和3. 3V對外供電；自帶3個(gè)LED :TXD LED、 RXD LED和POWER LED。該腦電波的顯示分析系統(tǒng)是基于圖形化編程語言LabVIEW編寫的 腦電波的顯示分析系統(tǒng)。USB接口模塊將腦電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)，輸入基于圖形化編程語 言LabVIEW的腦電波的顯示分析系統(tǒng)；基于圖形化編程語言LabVIEW的腦電波的顯示分析 系統(tǒng)則顯示腦電波圖、腦電功率圖并進(jìn)行時(shí)頻分析。
[0023] 本實(shí)用新型中的TGAM模塊采用NeuroSky神念科技的腦電采集模塊TGAM，可以處 理并輸出腦波頻率譜、腦電信號質(zhì)量、原始腦電波和三個(gè)NeuroSky的eSense參數(shù)：專注度、 放松度和眨眼偵測。其特點(diǎn)及優(yōu)勢是：
[0024] 能直接連接干接觸點(diǎn)，不像傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)用的傳感器使用時(shí)需要涂抹導(dǎo)電膠；
[0025] 單EEG腦電通道有3個(gè)接觸點(diǎn)：EEG(腦電采集點(diǎn)）、REF(參考點(diǎn)）和GND (地線 點(diǎn)）；
[0026] 先進(jìn)的噪音過濾技術(shù)，能抗拒日常環(huán)境里的各種干擾；
[0027] 低能耗，適合便攜式消費(fèi)產(chǎn)品的電池供電的設(shè)備，3. 3V供電下最大消耗為15mA ;
[0028] 原始腦電數(shù)據(jù)以512Hz輸出；
[0029] UART 波特率：57600 波特；
[0030] 物理規(guī)格：尺寸（最大）2. 79cm xl. Mem x0. 25cm，重量（最大）l3〇mg ;
[0031] 上電后若接觸點(diǎn)連續(xù)4s沒有采集到腦電或連續(xù)7s收到差的腦電信號，該模塊會(huì) 通過"信號質(zhì)量強(qiáng)度"發(fā)出信號差的警告，提醒用戶調(diào)整傳感器；
[0032] TGAM定義了傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)格式。TGAM模塊每秒發(fā)送512個(gè)小包數(shù)據(jù)和1個(gè)大 包數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)包包括三個(gè)部分：包頭文件，有效負(fù)載，校驗(yàn)和。如表1所示。
[0033] 表 1
[0034] 包頭文件 【SYNC SYNC PLENGTH】每個(gè)【SYNC】、【PLENGTH】是單字 SYNC-同步字符串節(jié)兩個(gè)同步【SYNC】字節(jié)(OxAAOxAA) PLENGTH-有效負(fù)載的長度 標(biāo)識一個(gè)新的數(shù)據(jù)包的開始 有效負(fù)載【PAYLOAD..........】有效負(fù)單元最多允許169個(gè)字節(jié) _^__ 校驗(yàn)和 【CHKSUM】校驗(yàn)和 每個(gè)【CHKSUM】是單字節(jié)
[0035] 負(fù)載是一系列的字節(jié)，小包數(shù)據(jù)的有效負(fù)載包含原始腦電數(shù)據(jù)，大包數(shù)據(jù)有效負(fù) 載依次包含：信號質(zhì)量，專注度，放松度，腦電功率。
[0036] 原始腦電數(shù)據(jù)：有符號的兩字節(jié)整型數(shù)據(jù)，采樣頻率為512Hz，它代表的是腦電位 的幅度值。前一個(gè)字節(jié)代表的是高八位，后一個(gè)字節(jié)代表的是低八位。程序需要將其合并 成為一個(gè)十六位的有符號的數(shù)據(jù)。
[0037] 前額皮膚實(shí)時(shí)電壓值按照以下公式計(jì)算，
[0038] rawdataxl.% .. 4096 x 2000
[0039] 信號質(zhì)量：無符號單字節(jié)數(shù)據(jù)，頻率為1Hz，它代表的是信號受干擾和噪聲的程 度。其范圍為〇到200,任何非零值都表示著信號存在著某種形式的噪聲污染。值越大說明 受干擾的程度越高，值200有著特殊的含義，表明電極未接觸人體的皮膚。
[0040] 專注度和放松度：無符號單字節(jié)數(shù)據(jù)，頻率為1Hz，它代表測試者注意力集中程度 和精神放松度。
[0041] 腦電功率：八個(gè)無符號的三字節(jié)整體數(shù)據(jù)分別代表了八種不同波形 的功率，分別為：s波（0. 5Hz到2. 75Hz)、Θ波（3. 5Hz到6. 75Hz)、低-α波 (7· 5Ηζ-9· 25Hz)、高-α (ΙΟΗζ-11. 75Hz)、低-β (13Ηζ-16· 75Hz)、高-β (18Ηζ-29· 75Hz)、 低-Υ (31Ηζ-39· 75Ηζ)、中-γ (41Ηζ-49· 75Ηζ)。
[0042] 負(fù)載中數(shù)據(jù)編碼如表2所示：
[0043] 表 2
[0044] 單字節(jié)編碼I編碼 |數(shù)據(jù)長度|數(shù)據(jù)類型 0102 ~ 信號質(zhì)量 0104 ~ 專注度 0x05 - 放松度 多字節(jié)編碼0x80 02 原始腦電數(shù)據(jù) 0^83 24 腦電功率
[0045] 校驗(yàn)和用來確認(rèn)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)負(fù)載的完整性。其定義如下：
[0046] 1.對數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)負(fù)載的所有字節(jié)進(jìn)行相加；
[0047] 2.采取總和的最低的8位；
[0048] 3.對最低8位執(zhí)行位相反數(shù)；
[0049] 接收數(shù)據(jù)包的接收器必須使用上述三個(gè)步驟來計(jì)算收到的數(shù)據(jù)負(fù)載的校驗(yàn)和，然 后與一起接收的【CHKSUM】校驗(yàn)和字節(jié)進(jìn)行比較，如值不匹配，則整個(gè)數(shù)據(jù)包無效，應(yīng)該舍 棄。如果匹配，接收器將解析數(shù)據(jù)負(fù)載。
[0050] 上述藍(lán)牙模塊傳輸?shù)牟ㄌ芈试O(shè)置為57600,接收的腦電數(shù)據(jù)通過USB轉(zhuǎn)串口模塊 進(jìn)入到基于圖形化編程語言LabVIEW編寫的腦電波的顯示分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)腦電波圖、腦電 功率圖的顯示以及時(shí)頻分析。
[0051] 上述LabVIEW由美國國家儀器（NI)公司研制開發(fā)，是目前應(yīng)用最廣泛，發(fā)展最快， 功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，它使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程 序是框圖的形式。其主要特點(diǎn)為：圖形化的儀器編程環(huán)境，內(nèi)置的程序編譯器，靈活的程序 調(diào)試手段等。
[0052] 本實(shí)用新型的具體使用方法如下：
[0053] 1.被測者佩戴好前額電極和耳夾電極，前額電極貼在腦前額，位置在眉骨上方一 指處，并給與適當(dāng)壓力；耳夾電極夾在左右兩耳耳垂上，適當(dāng)夾緊；佩戴過程要注意保持電 極和皮膚的清潔，可利用含酒精成分的清潔劑及軟布清潔電極和皮膚，確保電極和前額皮 膚及耳垂皮膚間沒有夾雜頭發(fā)或其他任何雜質(zhì)，佩戴好電極后不能搖動(dòng)頭部，否則會(huì)影響 腦電信號采集的準(zhǔn)確性。
[0054] 2.微弱的腦電信號通過固定帶上的前額電極及耳夾電極送入TGAM模塊，模塊采 集這兩點(diǎn)的電壓差送入運(yùn)放進(jìn)行放大，再把O-lOOHz以外的信號過濾后送入ADC轉(zhuǎn)為數(shù)字 信號，之后交由TGAM模塊內(nèi)包含的TGAT內(nèi)部的MCU進(jìn)行分析處理，最后由模塊上的UART 接口輸出。采集、放大、濾波、ADC處理為數(shù)字信號、MCU內(nèi)部分析及UART輸出全都集中在一 塊小小TGAM模塊上，精準(zhǔn)而且節(jié)省空間，實(shí)施方便。
[0055] 3.藍(lán)牙模塊傳輸?shù)牟ㄌ芈试O(shè)置為57600,接收的腦電數(shù)據(jù)通過FT232USB轉(zhuǎn)串口模 塊進(jìn)入到基于圖形化編程語言LabVIEW編寫的腦電波的顯示分析系統(tǒng)。藍(lán)牙這種開放的低 成本、短距離無線連接技術(shù)，發(fā)揮很大作用，由于無線傳輸?shù)氖菙?shù)字量，因此在通常情況下 沒有傳輸誤差，不會(huì)影響到系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，并且可以單芯片實(shí)現(xiàn)，體積功耗都能達(dá)到很小的 水平。
[0056] 4.腦電數(shù)據(jù)經(jīng)過USB轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，基于圖形化編程語言LabVIEW編寫的腦電 顯示分析系統(tǒng)計(jì)算調(diào)整接收到的腦電數(shù)據(jù)并使其圖形化顯示進(jìn)而進(jìn)行時(shí)頻分析。該系統(tǒng)采 用一個(gè)順序結(jié)構(gòu)，首先初始化全局變量，然后進(jìn)入工作部分；并采用多線程并發(fā)運(yùn)行，工作 部分為兩個(gè)While循環(huán)結(jié)構(gòu)并發(fā)運(yùn)行，后者在循環(huán)體中加入了狀態(tài)機(jī)的編程方式，添加所 需的狀態(tài)，程序根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的狀態(tài)有空閑狀態(tài)、解析數(shù)據(jù)包、校驗(yàn)和、解析數(shù)據(jù)行、數(shù)據(jù) 調(diào)整。
[0057] 解析數(shù)據(jù)包：將有效負(fù)載和校驗(yàn)和分離出來并存入相應(yīng)的文件，剩余的數(shù)組元素 存回到原文件并覆蓋掉原數(shù)據(jù)；校驗(yàn)和：打開文件讀取數(shù)據(jù)并獲得數(shù)據(jù)組，然后根據(jù)定義 計(jì)算校驗(yàn)和并判定，若正確則將負(fù)載存入文件，若不正確則刪除數(shù)據(jù)；解析數(shù)據(jù)行：根據(jù)數(shù) 據(jù)編碼將腦電數(shù)據(jù)加以分類；數(shù)據(jù)的調(diào)整：根據(jù)腦電數(shù)據(jù)傳輸格式對原始腦電數(shù)據(jù)和腦電 功率做出計(jì)算調(diào)整。
[0058] 程序先進(jìn)入空閑狀態(tài)等待菜單選項(xiàng)事件的發(fā)生，若用戶單擊菜單選項(xiàng)就會(huì)觸發(fā)事 件結(jié)構(gòu)并執(zhí)行相應(yīng)分支的程序，運(yùn)行以后再回到空閑狀態(tài)；若等待超時(shí)則跳轉(zhuǎn)到解析數(shù)據(jù) 包或校驗(yàn)和、解析數(shù)據(jù)行、數(shù)據(jù)調(diào)整分支最后轉(zhuǎn)回到空閑狀態(tài)繼續(xù)等待。從模塊化角度軟件 系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)部分：登陸界面、仿真主界面、腦電數(shù)據(jù)的讀取、腦電數(shù)據(jù)的解析、腦 電波形的顯示、腦電功率的顯示和腦電信號的時(shí)域與頻域的分析。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于無線傳輸?shù)哪X電波采集裝置，其特征在于，包括： TGAM模塊； 用于貼在前額的前額電極，其輸出連接TGAM模塊； 用于夾在左右耳垂上的兩個(gè)耳夾電極，其輸出分別連接TGAM模塊； 藍(lán)牙發(fā)送模塊，其輸入連接TGAM模塊； 藍(lán)牙接收模塊，與藍(lán)牙發(fā)送模塊無線通信相連； 上位機(jī)，其輸入連接藍(lán)牙接收模塊； 所述上位機(jī)設(shè)有USB接口模塊和腦電波的顯示分析系統(tǒng)：USB接口模塊的輸入連接藍(lán) 牙接收模塊，輸出連接腦電波的顯示分析系統(tǒng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線傳輸?shù)哪X電波采集裝置，其特征在于：所述TGAM模 塊采用NeuroSky神念科技的腦電采集模塊TGAM。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線傳輸?shù)哪X電波采集裝置，其特征在于：所述前額電 極是采用NeuroSky神念科技的氯化銀干電極。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線傳輸?shù)哪X電波采集裝置，其特征在于：所述耳夾電 極內(nèi)裝有使人體的電壓與耳夾的電壓相等的接地電極，以及可通過共模抑制過濾掉周圍環(huán) 境噪音的參考電極。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線傳輸?shù)哪X電波采集裝置，其特征在于：所述腦電波 的顯示分析系統(tǒng)是基于圖形化編程語言LabVIEW編寫的腦電波的顯示分析系統(tǒng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線傳輸?shù)哪X電波采集裝置，其特征在于：所述USB接 口模塊為FT232USB轉(zhuǎn)串口模塊，其接收3. 3V-5V外部供電，支持5V對外供電和3. 3V對外 供電；自帶 3 個(gè) LED :TXD LED、RXD LED 和 POWER LED。
【文檔編號】A61B5/0476GK203898306SQ201420301661
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】張思源, 楊池, 胡韜, 周穎 申請人:上海理工大學(xué)