CN101032397A

CN101032397A - 便携式无线通信多通道脑电数据采集仪

Info

Publication number: CN101032397A
Application number: CN 200710039135
Authority: CN
Inventors: 颜国正; 刘华; 吴婷; 王文兴; 姜萍萍; 王坤东
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2007-04-05
Filing date: 2007-04-05
Publication date: 2007-09-12

Abstract

本发明涉及一种便携式无线通信多通道脑电数据采集仪，由脑电数据采集装置和脑电数据接收装置组成，脑电数据采集装置和脑电数据接收装置之间采用无线通讯方式联系，所述脑电数据采集装置包括：多通道脑电电极、前置放大电路、后置放大电路、滤波电路、A/D转换电路、单片机、无线通信发送电路；脑电数据接收装置包括：无线通信接收电路、基于USB接口的单片机和计算机。脑电信号经幅值放大、滤波及A/D转换后，由单片机读入并通过无线通信发送电路发送出去；无线通信接收电路接收到脑电信号后，通过基于USB接口的单片机传送到计算机进行实时分析和处理。本发明消除了受试者与计算机强电间的线缆连接和电气连接，使用方便灵活，安全可靠。

Description

便携式无线通信多通道脑电数据采集仪

技术领域

本发明涉及一种便携式无线通信多通道脑电数据采集仪，是一种对自发脑电信号和诱发脑电信号进行数据采集和处理的装置，属于电子信息技术及生物医学工程技术领域。

背景技术

大脑是人体最重要的活动器官，揭开大脑的奥秘，一方面是人们了解自身智能活动规律的需要，另一方面也是人们有意识地促进、调节和控制自己大脑活动的需要。伴随脑活动产生的电、磁、代谢、化学、热、机械响应等各种信号经过采集、识别，都可以用来分析大脑的活动状况，但是由于脑电信号(EEG)具有信息量大、时间分辨率高、设备便于携带、价格低廉等优点，成为目前研究脑部信息的主要选择。因此对脑电信号的正确、有效获取是脑科学研究最基本的前提。

在人的大脑皮层中存在着频繁的电活动，而人正是通过这些电活动来完成各种生理机能。通过检测并记录人的脑电可以对大脑神经系统疾病和其它与神经相关的疾病进行诊断和治疗。根据脑电的产生方式可分为自发脑电和诱发脑电。诱发脑电是外界直接的或间接的确定性刺激(电的、光的、声的刺激等)所激发引起的，一般由头皮记录到的诱发脑电波在0.3～20μF。而自发的脑电活动可高达10～100μF，其频率范围从1Hz到50Hz。

目前获取脑电的设备是脑电数据采集仪，其基本的工作原理是：将脑电极消毒处理后放置在大脑皮层的特定区域，然后依次通过前置放大电路、后置放大电路、滤波电路、光隔离器、A/D转换器，最后输入到计算机，计算机将采集到的脑电信号存储在存储介质上，或直接通过软件进行分析和处理。在现有的脑电数据采集仪中，以上各电路之间是通过线缆方式直接连接起来的，其中的光隔离器是用来隔断计算机高压与受试者之间的电气连接，保护受试者的安全。

现有脑电数据采集仪虽然可检测受试者的脑电信号，但现有脑电数据采集仪存在以下两个不足之处：

(1)由于各部分之间通过线缆直接连接起来，受试者的活动范围必须在线缆长度之内，限制了受试者与脑电数据采集仪之间的空间距离；

(2)受试者与计算机强电之间通过光隔离器进行电气隔离，但不能完全排除光隔离器失效时导致强电危及受试者人身安全的可能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种便携式无线通信多通道脑电数据采集仪，消除受试者与计算机强电之间的线缆连接和电气连接，使用方便灵活，安全可靠。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案中利用单片机技术和无线通信技术，将采集到的脑电信息通过无线通信发射模块，传送至计算机上的无线通信接收模块，从而实现通过无线通信方式进行脑电数据采集，消除受试者与计算机强电之间的线缆连接所带来的各种限制，并且可以隔离受试者与计算机强电之间的电气连接，确保受试者的安全。

本发明提供的便携式无线通信多通道脑电数据采集仪，由脑电数据采集装置和脑电数据接收装置两部分组成，脑电数据采集装置和脑电数据接收装置之间采用无线通讯方式联系。

脑电数据采集装置包括的模块有：多通道脑电电极(帽)、前置放大电路、后置放大电路、滤波电路、A/D转换电路、单片机、无线通信发送电路。

脑电数据接收装置包括：无线通信接收电路、基于USB接口的单片机和计算机。

多通道脑电电极测量的脑电信号，通过前置放大电路和后置放大电路进行幅值放大，再通过滤波电路消除噪声干扰和去除高频信号，滤波后的模拟量脑电信号经过A/D转换器转换为数字量脑电信号，由单片机直接读入内存，并由单片机通过无线通信发送电路发送出去；无线通信接收电路接收到脑电信号后，通过基于USB接口的单片机传送到计算机，计算机将脑电信号存储在存储介质上，或通过软件对脑电信号进行实时分析和处理。

本发明脑电数据采集装置中的前置放大电路、后置放大电路、滤波电路、A/D转换电路、单片机及无线通信发送电路制作在同一块电路板上，采用干电池供电，供电电压为+3.0V。

本发明脑电数据接收装置中的无线通信接收电路及基于USB接口的单片机制作在同一块电路板上，通过USB接口与计算机相连接。

本发明中的脑多通道脑电电极(帽)用于获取脑电信息，根据脑电信号的不同用途，脑电电极的通道数有8通道、16通道、32通道、64通道，根据不同的需要接入相应的测试通道。

与现有技术相比，本发明的优点是显而易见的。

本发明利用单片机技术和无线通信技术，与受试者直接接收的所有电路中没有高于人体安全的供电电压，避免受试者与计算机强电之间的电气连接，彻底消除计算机强电对受试者安全的影响；同时也消除了计算机强电对脑电数据采集过程带来的噪声干扰，使装置的使用更为可靠。受试者与计算机之间通过无线通信方式进行脑电数据传送，消除受试者与计算机之间的线缆连接，受试者不再受限于线缆连接的活动范围，扩大受试者与计算机之间的空间距离。受试者只要在无线通信距离范围内，就可实现脑电数据的采集与存储，提高脑电数据采集的可靠性和灵活性，扩大了脑电数据采集的应用场合。

附图说明

图1为本发明便携式无线通信多通道脑电数据采集仪的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明提供的便携式无线通信多通道脑电数据采集仪结构如图1所示，由脑电数据采集装置和脑电数据接收装置组成，脑电数据采集装置和脑电数据接收装置之间采用无线通讯方式联系。

所述脑电数据采集装置包括：多通道脑电电极、前置放大电路、后置放大电路、滤波电路、A/D转换电路、单片机、无线通信发送电路。

所述脑电数据接收装置包括：无线通信接收电路、基于USB接口的单片机和计算机。

多通道脑电电极(帽)直接测量受试者脑电信号，测量得到的脑电信号经过前置放大电路、后置放大电路进行幅值放大。为消除测量过程中各种噪声干扰和去除高于70Hz的高频信号，放大后的脑电信号再经过滤波电路进行滤波处理，然后送入到A/D转换电路，将模拟量脑电信号转化为数字信号量脑电信号，并送入单片机，单片机将脑电信号送入到无线通信发送电路，将脑电信号以无线形式发送出去。

无线通信接收电路接收到脑电信号后，通过带有USB接口的单片机将脑电信号传送至计算机，计算机最后将脑电信号存储在存储介质上，或通过软件对其进行实时分析和处理。

本发明中脑电数据采集装置包含如下模块：

1、多通道脑电电极(帽)

多通道脑电电极(帽)用于获取脑电信息，根据脑电信号的不同用途，脑电电极的通道数有8通道、16通道、32通道、64通道，根据不同的需要接入相应的测试通道，脑电电极(帽)可采用临床上使用的普通脑电电极(帽)，脑电电极(帽)经过消毒处理后按国际10-20电极布置标准安放于受试者大脑皮层特定部位。

2、放大电路(前置放大电路和后置放大电路)

人的正常脑电电压变化一般在10～200μV，需要把脑电信号放大几万倍至几十万倍才能送入计算机进行分析和处理，本发明的放大电路包括前置放大电路和后置放大电路，前置放大电路的放大倍数可调，可调范围为100～500，后置放大电路的放大倍数可调，可调范围为100～500。前置放大电路和后置放大电路采用直接耦合方式进行连接，放大器的芯片可采用AD620。

3、滤波电路

研究和临床实验证明，脑电信号有用信息集中在0～70Hz低频范围内，频率高于70Hz的脑电信号通过滤波电路在测量过程中去除，本发明的滤波电路参数设计为可以滤去频率高于70Hz的脑电信号。为避免滤波电路降低脑电信号中有用成分的能量，滤波电路设置于后置放大电路之后，滤波电路芯片的型号可选用Max270。

4、A/D转换电路

脑电信号经放大和滤波后，成为幅值放大到0～5V的模拟信号，通过A/D转换电路将模拟信号转换为单片机直接读取的数字量，A/D转换器件的分辨率为12位，型号可选用AD7938。

5、单片机

单片机接收由A/D转换器件将模拟脑电信号转换为数字量的脑电信号，经过简单的处理后，将数字量的脑电信号送入无线收发芯片。单片机的型号可选用C8051F310。

6、无线通信发送电路

无线通信发送电路完成将单片机送入的脑电信号通过无线方式发送的功能，无线通信发送电路采用nRF2401器件，无线通信频率为全球开放的2.4GHz频段，该频段属于工业、科学和医疗(ISM)免许可频段，该无线通信芯片通信速度为1Mbps，速度高于蓝牙。

脑电数据接收装置包括如下电路：

1、无线通信接收电路

无线通信接收电路完成脑电信号的接收功能，无线通信接收电路采用nRF2401器件，与无线通信发送芯片器件相同。

2、基于USB接口的单片机和计算机

基于USB接口的单片机完成将无线通信接收电路接收的数据传送至计算机的功能，采用USB接口实现即插即用的功能，使该脑电数据采集仪可灵活、方便应用于各计算机。计算机将脑电数据存储在存储介质上，也可以实时绘制出采集到的脑电波形图。

Claims

1、一种便携式无线通信多通道脑电数据采集仪，由脑电数据采集装置和脑电数据接收装置组成，其特征在于脑电数据采集装置和脑电数据接收装置之间采用无线通讯方式联系，所述脑电数据采集装置包括：多通道脑电电极、前置放大电路、后置放大电路、滤波电路、A/D转换电路、单片机、无线通信发送电路；脑电数据接收装置包括：无线通信接收电路、基于USB接口的单片机和计算机；多通道脑电电极测量的脑电信号，通过前置放大电路和后置放大电路进行幅值放大，再通过滤波电路消除噪声干扰和去除高频信号，滤波后的模拟量脑电信号经过A/D转换器转换为数字量脑电信号，由单片机直接读入内存，并由单片机通过无线通信发送电路发送出去；无线通信接收电路接收到脑电信号后，通过基于USB接口的单片机传送到计算机，计算机将脑电信号存储在存储介质上，或通过软件对脑电信号进行实时分析和处理。

2、根据权利要求1的便携式无线通信多通道脑电数据采集仪，其特征在于所述脑电数据采集装置的前置放大电路、后置放大电路、滤波电路、A/D转换电路、单片机及无线通信发送电路制作在同一块电路板上，采用干电池供电，供电电压为+3.0V。

3、根据权利要求1的便携式无线通信多通道脑电数据采集仪，其特征在于所述脑电数据接收装置的无线通信接收电路及基于USB接口的单片机制作在同一块电路板上，通过USB接口与计算机相连接。

4、根据权利要求1的便携式无线通信多通道脑电数据采集仪，其特征在于所述多通道脑电电极的通道数为8通道、16通道、32通道或64通道。