CN101199418A - 脑电阻抗检测电路及脑电检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脑电阻抗检测电路，包括激励单元和检测单元，所述激励单元包括恒流源和接地电阻，恒流源输出的电流经导联和接地电阻后形成电流回路；所述检测单元包括带通滤波电路、多路切换开关、第一放大电路、解调电路和控制器，所述带通滤波电路将脑电信号进行滤波，所述控制器控制多路切换开关按照设定的时序将带通滤波电路输出的各路脑电信号轮流切换到第一放大电路，滤波后的脑电信号经所述第一放大电路放大处理后输出到解调电路，解调后输出脑电阻抗值。本发明能够在脑电测量时同时测量多个电极的接触阻抗，根据检测的导联与头皮的连接情况，为去除脑电伪差提供最有力和及时的依据。

Description

脑电阻抗检测电路及脑电检测装置

【技术领域】

本发明涉及医疗领域中勇于检测脑电信号的脑电检测装置，尤其涉及脑电检测装置中的脑电阻抗检测电路。

【背景技术】

人体组织细胞总是在自发地不断地产生着很微弱的生物电活动。脑电信号是由大量脑神经细胞在高度相干状态下的电活动在大脑皮层上的总体效应，利用在头皮上安放的电极将脑细胞的电活动引出来并经脑电检测设备放大后记录在专门的纸上，即得出有一定波形、波幅、频率和位相的图形、曲线，即为脑电图。当脑组织发生病理或功能改变时，这种曲线即发生相应的改变，从而为临床诊断、治病提供依据。

由于脑电信号本身十分微弱，在测量过程中难免有各种外界因素导致的伪差和噪声影响脑电信号的质量。电极与头皮接触不良引起的干扰和工频干扰以及放大通道噪声是脑电检测中三个影响最大的干扰来源。一些传统脑电检测设备不具有监测电极连接情况的功能，还有一些在测量脑电的同时不可以实时测量电极与头皮间阻抗，少量可以同时测量头皮阻抗的脑电设备的头皮检测部分存在无法测量多个导联与头皮的连接情况、结构复杂，效果不理想等问题。

【发明内容】

本发明的主要目的就是为了解决现有技术中脑电检测时不能实时测量电极与头皮间阻抗的问题，提出了一种脑电阻抗检测电路，能够实时测量任意导联的头皮阻抗，并且不影响脑电信号的测量，根据检测的电极与头皮的连接情况，为去除脑电伪差提供最有力的依据。

为实现上述目的，本发明提供一种脑电阻抗检测电路，包括激励单元和检测单元，所述激励单元包括恒流源和接地电阻，所述恒流源至少具有两个输出端子，分别用于连接至少两个导联的脑电信号输出端，所述接地电阻的一端用于连接导联的头皮接触端，所述接地电阻的另一端连接恒流源的接地端，恒流源输出的电流经导联和接地电阻后形成电流回路；所述检测单元包括带通滤波电路、多路切换开关、第一放大电路、解调电路和控制器，所述带通滤波电路用于将各个导联的脑电信号输出端输出的脑电信号进行滤波，所述控制器控制多路切换开关按照设定的时序将带通滤波电路输出的各路脑电信号轮流切换到第一放大电路，滤波后的脑电信号经所述第一放大电路放大处理后输出到解调电路，所述解调电路用于将脑电信号解调后输出脑电阻抗值。

其中，所述解调电路包括反向跟随器、比较器、多路开关和低通滤波电路，所述反向跟随器的输入端、比较器的输入端和多路开关的第二输入端分别响应放大后的脑电信号，所述反向跟随器的输出端耦合到多路开关的第一输入端，所述比较器的输出端耦合到多路开关的控制端，所述比较器用于在脑电信号大于零时输出高电平，控制多路开关选中第二输入端，且所述比较器用于在脑电信号小于零时输出低电平，控制多路开关选中第一输入端，所述多路开关的输出端耦合到低通滤波电路的输入端，所述低通滤波电路的输出端输出脑电阻抗值。

其中，所述恒流源包括电压源和负载，所述负载连接在电压源的输出端。

所述恒流源还进一步包括用于防止除颤电压损坏后端的电压源和负载的第一保护电路，所述第一保护电路分别连接在恒流源的输出端子和地之间。

本发明还进一步包括串接在带通滤波电路的输出端和多路切换开关输入端之间的缓冲器。

还包括用于保护检测单元的第二保护电路，所述第二保护电路分别连接在恒流源的输出端子和地之间。

为进行数字显示，本发明还包括A/D转换器和数据处理模块，所述A/D转换器响应解调电路输出的脑电阻抗信号，其输出端耦合到数据处理模块，数据处理模块用于将脑电阻抗值输出到显示单元进行显示。

为实现上述目的，本发明还提供一种脑电检测装置，包括用于与头皮接触、感应并输出脑电信号的导联、用于放大脑电信号的第二放大电路、用于对脑电信号进行滤波的带通滤波器，用于将放大和滤波后的脑电信号进行模数转换的A/D转换器和数据处理模块，所述数据处理模块响应A/D转换器输出的信号，用于对脑电信号进行处理，还包括脑电阻抗检测电路，所述脑电阻抗检测电路包括激励单元和检测单元，所述激励单元包括恒流源和接地电阻，所述恒流源至少具有两个输出端子，分别连接至少两个导联的脑电信号输出端，所述接地电阻的一端连接导联的头皮接触端，所述接地电阻的另一端连接恒流源的接地端，恒流源输出的电流经导联和接地电阻后形成电流回路；所述检测单元包括带通滤波电路、多路切换开关、第一放大电路、解调电路和控制器，所述带通滤波电路用于将各个导联的脑电信号输出端输出的脑电信号进行滤波，所述控制器控制多路切换开关按照设定的时序将带通滤波电路输出的各路脑电信号轮流切换到第一放大电路，滤波后的脑电信号经所述第一放大电路放大处理后输出到解调电路，脑电信号经所述解调电路解调出脑电阻抗值后输出到A/D转换器。

所述解调电路包括反向跟随器、比较器、多路开关和低通滤波电路，所述反向跟随器的输入端、比较器的输入端和多路开关的第二输入端分别响应放大后的脑电信号，所述反向跟随器的输出端耦合到多路开关的第一输入端，所述比较器的输出端耦合到多路开关的控制端，所述比较器用于在脑电信号大于零时输出高电平，控制多路开关选中第二输入端，在脑电信号小于零时输出低电平，控制多路开关选中第一输入端，所述多路开关的输出端耦合到低通滤波电路的输入端，所述低通滤波电路的输出端耦合到A/D转换器。

本发明的有益效果是：本发明通过给测量电极(即导联)注入一定电流值的高频正弦波，通过人体头皮后到达参考电极然后回到参考地，形成一个回路，由于该高频正弦波为电流源，只要检测被测电极和地两端的电压数据，就可以通过不变的电流大小得到被测电极的头皮电阻值。并且利用多路切换开关快速的切换，可检测多个导联电极的阻抗。在多路切换开关前使用缓冲器，消减开关切换时对脑电采集的影响，所以脑电阻抗测量的激励信号以及开关来回切换的冲击信号对脑电测量本身不会有影响，能够在脑电测量时同时测量电极接触阻抗，根据检测的导联与头皮的连接情况，为去除脑电伪差提供最有力和及时的依据。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是本发明脑电检测装置的一种实施例的电路方框图；

图2是本发明脑电阻抗检测电路的一种实施例的电路方框图；

图3是本发明解调电路的一种实施例的电路方框图。

【具体实施方式】

脑电检测装置包括导联、带通滤波器、第二放大电路、A/D转换器、数据处理模块和脑电阻抗检测电路，导联10在脑电检测时用于夹到头皮上、感应并输出脑电信号，脑电信号可以先被传送到带通滤波器，然后到第二放大电路。脑电信号也可以先被传送到第二放大电路，然后到带通滤波器。带通滤波器对脑电信号进行滤波，可以包括高通滤波模块和低通滤波模块，第二放大电路可以包括两级放大。被滤波和放大后的脑电信号顺序经过A/D转换器和数据处理模块。脑电阻抗检测电路也连接导联的脑电信号输出端，通过检测导联和地之间的电压，检测出导联和头皮之间的阻抗。

图1是本发明的一个具体实施例的电路方框图，顺序包括导联、输入保护模块11、前置放大器12、高通滤波模块13、二级放大器14、低通滤波模块17、AD转换器16和数据处理模块18，脑电阻抗检测电路15连接导联的脑电信号输出端。

脑电信号通过与人脑10相连接的导联电极101和导联线102传到输入保护模块11，输入保护模块11包括脑电输入保护模块和阻抗输入保护模块。脑电输入保护模块的作用主要是防止除颤和高频干扰，包括嵌位电路和低通滤波。阻抗输入保护模块包括隔直和带通滤波电路。前置放大器12将微弱的脑电信号放大20倍，由于其自身很强的共模抑制能力，能抑制大部分共模抑制噪声，其中包括阻抗测量的激励信号。接着高通滤波模块13主要是为了抑制电极与人体间的极化电压并防止基线漂移，为下一级放大做准备。二级放大器14进一步放大脑电信号，放大倍数与AD范围有关。这里可以放大50～200倍。放大结束后，信号中仍然存在大量的工频信号和高频噪声。低通滤波模块17的截止频率为40Hz，通过低通滤波模块17，使进入AD转换器16的脑电信号包含高频部分的噪声更低。AD转换器16把脑电信号采样成数字信号后，送给数据处理模块(DSP)18作必要的信号处理，包括特征识别、消除噪声等等。

若将脑电信号作为一个信号源来看待，脑电电极与头皮之间阻抗可以看作是信号源的内阻的一部分，研究发现脑电电极与头皮之间阻抗越大，相应得脑电信号质量越差。脑电阻抗检测电路15的作用是实时测量脑电检测电极与人体头皮之间的阻抗，从而表征脑电电极与头皮之间的连接情况，减小由于电极与头皮连接不良造成的伪差。

脑电阻抗检测电路15具体结构如图2所示，包括激励单元100和检测单元200，激励单元100包括恒流源2和接地电阻R20，恒流源2至少具有两个输出端子，分别连接至少两个导联1的脑电信号输出端，接地电阻R20的一端连接导联1的头皮接触端，接地电阻R20的另一端连接恒流源2的接地端，恒流源2输出的电流经导联1和接地电阻R20后形成电流回路。恒流源2可以直接由集成电路提供，也可以如图2中所示，包括电压源21和负载22，负载22连接在电压源21的输出端。恒流源2还可以进一步包括第一保护电路23，第一保护电路23连接在恒流源2的输出端子和地之间，用于防止除颤电压损坏后端电路(即电压源和负载)。例如第一保护电路23为连接在每个恒流源2的输出端子和地之间的氖管。

假设电极与头皮间的等效电阻为电阻R21、R22、R23，地电极与头皮间等效电阻R20共同形成一个电流回路，电压源21的频率为10KHz，峰峰值为2V。利用DSP定时器10KHz生成方波，通过低通滤波生成上述要求的正弦波。对于脑电阻抗来说，电压源21与负载22以及第一保护电路23中的阻容网络共同组成了电流源。由电流源的原理可知，只要电压源的内阻足够大，在20K范围内变化的头皮阻抗不影响电流源的输出电流，即为恒流源。在本实施例中该激励源的流过单个电极电流例如恒为6uA。以其中一个电极形成的头皮阻抗R21为例，若保证流过等效电阻R21的电流恒为6uA，那么只要检测到等效电阻R21两端的电压V，就可以得到 $R21=\frac{V}{6\×{10}^{-6}}.$

然而实际测量过程中，由于等效电阻R21一端接导联电极，另一端接头皮，测量时没办法测量与头皮连接的那一端得电压，因此将那一端接地，加贴一片地电极，引入地电极与头皮的接地电阻R20，只要接地电阻R20的阻值足够的小，例如在0.5K以下，就基本能够满足要求，测量的精度就可以保证在1K以内，因此要保证接地电阻R20的电阻足够小，可保证地电极连接头皮情况良好。

由上述的分析可以看出，只要接地电阻R20足够小，就可以用等效电阻R21接电极的一端和地之间的电压来近似等效电阻R21两端的真实电压。因此检测部分只要检测等效电阻R21，R22，R23等接电极端与地之间的电压就可以得到其相应的阻值。

检测单元200检测各个导联电极与地之间的激励信号的电压值，检测单元200包括带通滤波电路3、多路切换开关4、第一放大电路5、解调电路6和控制器7，带通滤波电路3用于将各个导联1输出的脑电信号进行滤波，抑制除激励信号10KHz以外的其他信号，如脑电信号，工频信号，高频噪声等等。头皮阻抗本身变化频率非常低，因此可以利用一个多路切换开关轮流测量各个电极的电压值。通过控制器7控制多路切换开关4按照设定的时序将带通滤波电路3输出的各路脑电信号轮流切换到第一放大电路5，滤波后的脑电信号经第一放大电路5放大到伏级后，输出到解调电路6，解调电路6将包含在10KHz内的直流成分解调出来，它的大小就表征电极与头皮接触阻抗的大小。解调出的脑电阻抗值是一个模拟量，可通过阻抗测量仪测出，也可以通过模数转换后进行数字显示，例如在解调电路6的输出端依次连接A/D转换器和数据处理装置，数据处理模块可以将阻抗值计算并输出到显示单元显示出来。该A/D转换器和数据处理装置可以单独设置，也可以与图1中的脑电检测装置中的A/D转换器16和数据处理装置18共用。

上述电路中，带通滤波电路3的一种电路是采用RC滤波电路，多路切换开关4的一种方式是可以采用模拟开关，第一放大电路5的一种方式是可以采用差分放大器。

解调电路6的一种电路是如图3所示，包括反向跟随器61、比较器62、多路开关63和低通滤波电路64，所述反向跟随器61的输入端、比较器62的输入端和多路开关63的第二输入端X1分别响应放大后的脑电信号，所述反向跟随器61的输出端耦合到多路开关的第一输入端X0，所述比较器62的输出端耦合到多路开关63的控制端A，所述比较器62为一国领比较器，在脑电信号大于零时输出高电平，控制多路开关63选中第二输入端X1，在脑电信号小于零时输出低电平，控制多路开关63选中第一输入端X0，所述多路开关63的输出端耦合到低通滤波电路64的输入端，所述低通滤波电路64的输出端耦合到A/D转换器。

为了消除多路开关63在进行切换时对脑电信号的影响，还可以进一步包括串接在带通滤波电路3的每路信号输出端和多路切换开关4相应输入端之间的缓冲器8。缓冲器8可通过运放组成的跟随器实现。

本发明的另一实施例中，还包括用于保护检测单元200的第二保护电路9，所述第二保护电路9可以有多个，分别连接在恒流源2的每个输出端子和地之间。第二保护电路9可以通过氖管实现。

由于要接入激励单元100的回路中，检测单元200的等效输入电阻必须保证足够大，例如达到10M以上，才能忽略接入对激励信号分流的影响。通过加跟随器可以有效提高输入阻抗。

在脑电测量的同时，依次快速的测量每一个电极的阻抗值，这样可以把每一个电极电阻值与脑电信号同时在屏幕上显示出来。当发现某个电极阻值超过某设定值(例如5K)时，认为该电极接触不好，与该电极有关的脑电信号无效，并且重新连接该电极，直到阻值低于设定值为止。

综上所述，本发明采用恒流源电流注入导联电极中，流过人体大脑后回到地形成独立的电流回路，利用电压与电流的关系求出电阻，并利用多路切换开关快速的切换，在多路切换开关前使用缓冲器，消减开关切换时对脑电采集的影响，从而可检测多个导联电极的阻抗。

Claims (10)

1.一种脑电阻抗检测电路，其特征在于：包括激励单元(100)和检测单元(200)，所述激励单元(100)包括恒流源(2)和接地电阻(R20)，所述恒流源(2)至少具有两个输出端子，分别用于连接至少两个导联的脑电信号输出端，所述接地电阻(R20)的一端用于连接导联的头皮接触端，所述接地电阻(R20)的另一端连接恒流源(2)的接地端，恒流源(2)输出的电流经导联和接地电阻(R20)后形成电流回路；所述检测单元(200)包括带通滤波电路(3)、多路切换开关(4)、第一放大电路(5)、解调电路(6)和控制器(7)，所述带通滤波电路(3)用于将各个导联的脑电信号输出端输出的脑电信号进行滤波，所述控制器(7)控制多路切换开关(4)按照设定的时序将带通滤波电路(3)输出的各路脑电信号轮流切换到第一放大电路(5)，滤波后的脑电信号经所述第一放大电路(5)放大处理后输出到解调电路(6)，所述解调电路(6)用于将脑电信号解调后输出脑电阻抗值。

2.如权利要求1所述的脑电阻抗检测电路，其特征在于：所述解调电路(6)包括反向跟随器(61)、比较器(62)、多路开关(63)和低通滤波电路(64)，所述反向跟随器(61)的输入端、比较器(62)的输入端和多路开关(63)的第二输入端(X1)分别响应放大后的脑电信号，所述反向跟随器(61)的输出端耦合到多路开关(63)的第一输入端(X0)，所述比较器(62)的输出端耦合到多路开关(63)的控制端(A)，所述比较器(62)用于在脑电信号大于零时输出高电平，控制多路开关(63)选中第二输入端(X1)，且所述比较器(62)用于在脑电信号小于零时输出低电平，控制多路开关(63)选中第一输入端(X0)，所述多路开关(63)的输出端(X)耦合到低通滤波电路(64)的输入端，所述低通滤波电路(64)的输出端输出脑电阻抗值。

3.如权利要求1或2所述的脑电阻抗检测电路，其特征在于：所述恒流源(2)包括电压源(21)和负载(22)，所述负载(22)连接在电压源(21)的输出端。

4.如权利要求3所述的脑电阻抗检测电路，其特征在于：所述恒流源(2)还包括用于防止除颤电压损坏电压源(21)和负载(22)的第一保护电路(23)，所述第一保护电路(23)分别连接在恒流源(2)的输出端子和地之间。

5.如权利要求4所述的脑电阻抗检测电路，其特征在于：所述第一保护电路(23)为氖管。

6.如权利要求1至5中任一项所述的脑电阻抗检测电路，其特征在于：还包括串接在带通滤波电路(3)的输出端和多路切换开关(4)输入端之间的缓冲器(8)。

7.如权利要求6所述的脑电阻抗检测电路，其特征在于：还包括用于保护检测单元(200)的第二保护电路(9)，所述第二保护电路(9)分别连接在恒流源(2)的输出端子和地之间。

8.如权利要求6所述的脑电阻抗检测电路，其特征在于：还包括A/D转换器和数据处理模块，所述A/D转换器响应解调电路(6)输出的脑电阻抗信号，其输出端耦合到数据处理模块，数据处理模块用于将脑电阻抗值输出到显示单元进行显示。

9.一种脑电检测装置，包括用于与头皮接触、感应并输出脑电信号的导联、用于放大脑电信号的第二放大电路、用于对脑电信号进行滤波的带通滤波器，用于将放大和滤波后的脑电信号进行模数转换的A/D转换器和数据处理模块，所述数据处理模块响应A/D转换器输出的信号，用于对脑电信号进行处理，其特征在于：还包括脑电阻抗检测电路，所述脑电阻抗检测电路包括激励单元(100)和检测单元(200)，所述激励单元(100)包括恒流源(2)和接地电阻(R20)，所述恒流源(2)至少具有两个输出端子，分别连接至少两个导联的脑电信号输出端，所述接地电阻(R20)的一端连接导联的头皮接触端，所述接地电阻(R20)的另一端连接恒流源(2)的接地端，恒流源(2)输出的电流经导联和接地电阻(R20)后形成电流回路；所述检测单元(200)包括带通滤波电路(3)、多路切换开关(4)、第一放大电路(5)、解调电路(6)和控制器(7)，所述带通滤波电路(3)用于将各个导联的脑电信号输出端输出的脑电信号进行滤波，所述控制器(7)控制多路切换开关(4)按照设定的时序将带通滤波电路(3)输出的各路脑电信号轮流切换到第一放大电路(5)，滤波后的脑电信号经所述第一放大电路(5)放大处理后输出到解调电路(6)，脑电信号经所述解调电路(6)解调出脑电阻抗值后输出到A/D转换器。

10.如权利要求9所述的脑电检测装置，其特征在于：所述解调电路(6)包括反向跟随器(61)、比较器(62)、多路开关(63)和低通滤波电路(64)，所述反向跟随器(61)的输入端、比较器(62)的输入端和多路开关(63)的第二输入端(X1)分别响应放大后的脑电信号，所述反向跟随器(61)的输出端耦合到多路开关(63)的第一输入端(X0)，所述比较器(62)的输出端耦合到多路开关(63)的控制端(A)，所述比较器(62)用于在脑电信号大于零时输出高电平，控制多路开关(63)选中第二输入端(X1)，在脑电信号小于零时输出低电平，控制多路开关(63)选中第一输入端(X0)，所述多路开关(63)的输出端(X)耦合到低通滤波电路(64)的输入端，所述低通滤波电路(64)的输出端耦合到A/D转换器。

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