CN101436100B - 用于脑机接口的脑电信号检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于脑机接口的脑电信号检测系统及其检测方法。本系统包括一个电极帽，电极帽经一个放大电路和一个数据采集卡连接到一个计算机。完成脑电信号的放大滤波等预处理及A/D转换。A/D转换后的脑电信号经过数据采集卡送入计算机，由软件部分实现信号的记录、显示、保存、打印等功能，用LabWindows/CVI软件编写。该检测系统具有可移植性强、开发周期短、开发质量高、操作简单且功能全面的特点。本发明能够作为脑电信号检测系统，且能方便地嵌入脑机接口的模式识别方法，为脑机接口的实现奠定了基础。

Description

用于脑机接口的脑电信号检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种用于脑机接口的脑电信号检测系统及其检测方法，具体的说，设计了一种脑电信号检测系统及其检测方法，能够将μV级的脑电信号经放大、A/D转换后送入计算机，进而对信号记录、显示、保存、生成报表。具有可移植性强、操作简单且功能全面等特点。

背景技术

脑机接口主要包括两个方面：脑电信号的检测和脑电信号的识别。其中，脑电信号的检测是前提和基础。目前，检测系统主要使用为脑认知领域研究而开发的脑电信号采集系统，该系统价格昂贵，体积大、不适合于脑机接口的实际应用；也有单独使用LabVIEW或MATLAB软件来实现的，LabVIEW在数值处理分析和算法工具等方面效率低、功能简单，且程序可读性差；MATLAB则不方便实现实时操作和控制。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种更为合理的方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种实时高效的用于脑机接口的脑电信号检测系统及其检测方法。

为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于脑机接口的脑电信号检测系统，包括一个电极帽，其特征在于所述电极帽经一个放大电路和一个数据采集卡连接到一个计算机。电极帽获得头皮的微弱脑电信号，输出到放大电路放大，放大后由数据采集卡对信号进行A/D转换，转换后的数字量送往计算机，由使用CVI编写的软件实现数据采集、记录显示、保存等功能。

所述电极帽采用AgCl电极，有20个通道，具有清洗方便、弹性好等特点；数据采集卡采用美国国家仪器NI公司的PCI-6229，该卡是基于32位PCI总线的16位32通道数据采集卡，具有通道数目多、精度高、速度快等特点，利用它对信号进行A/D转换。

所述放大电路由一个前置放大电路连接一个后级放大电路构成。在前置放大电路中，由电极帽提取的μV级脑电信号的两端经两根屏蔽电缆的芯线分别连接两个运算放大器U1、U2的同相输入端，一个电阻R₃分别与该两个运算放大器U1、U2的负输入端连接，另一个电阻R₁连接在第一运放U1的输出端与负输入端之间，还有一个电阻R₂连接在一个第二运放U2的输出端与负输入端之间，第一运放U1与第二运放U2的输出端分别经电容两个C₁、C₂与一个第五运算放大器U5的负、正输入端连接。第一运放U1、第二运放U2的输出之间串接电阻R₄与R₅，电阻R₄与R₅的公共端与第三运放U3的正输入端相连接，第三运放U3的负输入端直接与其输出端相连，构成信号跟随器，其输出端与串联电阻R₆、R₇的公共端连接。电容C₁与电阻R₆串联，串联后C₁的另一端与第一运算放大器U1的输出端连接，R₆的另外一端接第三运放U3的输出。电容C₂与电阻R₇串联，串联后C₂的另一端与第二运算放大器U2的输出端连接，电阻R₇的另外一端接第三运放U3的输出。第三运放U3的输出端与一个第四运放U4的正输入端连接，第四运放U4的负输入端直接与其输出端连接，构成信号跟随器，其输出端与两根屏蔽电缆的屏蔽层连接。电阻R₈连接在第五运放U5的1、8引脚间。前置放大电路的输出(U5的6端)连接后级放大电路，后级放大电路中，电阻R₁₈与一个第八运放U8的负输入端连接，电阻R₁₉、电容C₁₁并联后一端接第八运放U8的正输入端，一端接地。电位器R₂₀连接在第八运放U8的负输入端和输出端之间，第八运放U8的输出端与电阻R₂₁的一端连接。

运放U1、U2、U3、U4、U8选用OP07芯片，具有高输入阻抗、低噪声、低功耗，低输入偏置电流，低输入失调电压的特点。运放U5选用新型的高精度仪表放大器AD620，具有低输入偏置电流、低输入失调电压以及较宽的输入电压(±2.3V-±18V)范围，共模抑制比可高达100dB，输入噪声很低，小于0.28uV(峰峰值)，带宽120KHz(G＝100)，而且功耗极低，最大电源电流仅1.3mA，电路增益可由1、8引脚间的电阻决定。

在前置放大电路中，第一第二两个运算放大器U1、U2和三个电阻R₁、R₂、R₃组成第一级放大；电容C₁、电阻R₆、电容C₂、电阻R₇组成高通滤波电路。高通滤波电路用于消除极化电压的影响，滤除脑电信号中的直流和低频成分，为第二级仪表放大器提高增益，进而为提高电路的共模抑制比创造了条件；第五放大器U5和电阻R₈构成第二级放大，将双端差动输出信号转换为单端输出信号。后级放大电路用于对脑电信号做进一步的放大，使得电路整体放大倍数为两万倍到十万倍左右。

一种用于脑机接口的脑电信号检测方法，采用上述的检测系统进行检测，其特征在于：软件部分采用LabWindows/CVI编写，实现信号的记录、显示、保存、打印等功能，且具有嵌入C语言及MATLAB算法的优点，且操作简单、功能全面。具体操作步骤如下：

1)参数设置：在检测方法界面上设置有关采样的通道号、通道数、每个通道的采样点数、采样率、信号的幅值范围、文件保存时间、实验者的姓名、性别和年龄等相关信息。

2)信号采集与波形显示：单击“Acquire”采集按钮，多路开关对采样通道进行一次扫描，每通道采样一个点，经A/D转换芯片转换并存储数据至缓存，如此循环，直到采集到了所需的次数。同时通过设备驱动程序，将缓存中数据读取到计算机内存并实现多通道数据实时波形显示。

3)数据存储：点击“Acquire”控件(相当于时间零基准)，在其后的TimerFrom毫秒后开始数据的存储，持续记录TimerInterval毫秒。或者选中复选框存储全部数据。数据以文本的格式存储。

4)报表生成：程序利用了LabWindows/CVI与ActiveX自动化库中Microsoft Word相结合生成Word报表，并赋以打印功能，充分结合了Word的强大功能，能将被试全部个人信息完整的保留在计算机中或打印出来，便于离线分析。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：能够实现脑电数据的实时采集，有利于脑电信号的在线分析，为脑机接口的实现奠定了基础，能够作为脑电信号的检测系统及其检测方法。

附图说明

图1是本发明具体实施例的检测系统框图。

图2是本发明具体实施例的放大电路图。

图3是本发明具体实施例的放大电路输入输出波形。

图4是本发明具体实施例的检测方法流程图。

图5是本发明具体实施例的检测方法界面图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：参见图1，用于脑机接口的脑电信号检测系统，包括一个电极帽1，该电极帽经一个放大电路2和一个数据采集卡3连接到一个计算机4。电极帽1获得头皮的微弱脑电信号，输出到放大电路2放大，放大后由数据采集卡3对信号进行A/D转换，转换后的数字量送往计算机4，由使用CVI编写的软件实现数据采集、记录显示、保存等功能。其中，电极帽1中采用AgCl电极，有20个通道，数据采集卡3采用美国国家仪器NI公司的PCI-6229，该卡是基于32位PCI总线的16位32通道数据采集卡。

参见图2，上述放大电路2由一个前置放大电路连接一个后级放大电路构成。

1)在前置放大电路中，由电极帽1提取的μV级脑电信号的两端经两根屏蔽电缆的芯线分别连接第一、第二两个运放U1、U2的同相输入端，电阻R₃分别与第一、第二两个运放U1、U2的负输入端连接，电阻R₁连接在第一两个运放U1的输出端与负输入端之间，电阻R₂连接在一个第三运放U3的输出端与负输入端之间，第一、第二两个运放U1与U2的输出端分别经电容C₁、C₂与一个第五运算放大器U5的负、正输入端连接。第一、第二两个运放U1、U2的输出之间串接电阻R₄与R₅，R₄与R₅的公共端与第三运放U3的正输入端相连接，第三运放U3的负输入端直接与其输出端相连，构成信号跟随器，其输出端与串联电阻R₆、R₇的公共端连接。电容C₁与电阻R₆串联，串联后C₁的另一端与第一运算放大器U1的输出端连接，R₆的另外一端接第三运放U3的输出。电容C₂与电阻R₇串联，串联后C₂的另一端与第二运算放大器U2的输出端连接，R₇的另外一端接第三运放U3的输出。第三运放U3的输出端与一个第四运放U4的正输入端连接，第四运放U4的负输入端直接与其输出端连接，构成信号跟随器，其输出端与两根屏蔽电缆的屏蔽层连接。电阻R₈连接在第五运放U5的1、8引脚间。前置放大电路的输出(U5的6端)连接后级放大电路，后级放大电路中，电阻R₁₈与一个第八运放U8的负输入端连接，电阻R₁₉、电容C₁₁并联后一端接U8的正输入端，一端接地。电位器R₂₀连接在第八运放U8的负输入端和输出端之间，第八运放U8的输出端与电阻R₂₁的一端连接。

运放U1、U2、U3、U4、U8选用OP07芯片，具有高输入阻抗、低噪声、低功耗，低输入偏置电流，低输入失调电压的特点。第五运放U5选用新型的高精度仪表放大器AD620，具有低输入偏置电流、低输入失调电压以及较宽的输入电压(±2.3V-±18V)范围，共模抑制比可高达100dB，输入噪声很低，小于0.28uV(峰峰值)，带宽120KHz(G＝100)，而且功耗极低，最大电源电流仅1.3mA，电路增益可由1、8引脚间的电阻决定。前置放大电路放大倍数设为2000倍左右，其中第一、二级放大电路放大倍数分别设为20、100，可取电阻R₁＝R₂＝10k，R₃＝1k，R₆＝0.5K。

2)后级放大电路中，一个电阻R₁₈与第八运放U8的负输入端连接，电阻R₁₉、电容C₁₁并联后一端接第八运放U8的正输入端，一端接地。电位器R₂₀连接在第八运放U8的负输入端和输出端之间，第八运放U8的输出端与电阻R₂₁的一端连接。采用反相放大器的形式，通过一个电位器R₂₀对电路整体增益进行调节，用于对脑电信号做进一步的放大，使其幅值落在A/D转换器的输入范围之内。

参见图3，所述本发明具体实施例的电路输入输出波形。对图2所述放大电路，当输入信号幅值为50uV，频率为20Hz时，经过本电路放大两万多倍后，输出电压幅值约1.15V。

参见图4及图5，本发明具体实施例的检测方法采用上述的检测系统进行检测，采用CVI编写，实现信号的记录、显示、保存、打印等功能，具体操作步骤如下：

1)参数设置：在检测方法界面上设置有关采样的通道号、通道数、每个通道的采样点数、采样率、信号的幅值范围、文件保存时间、实验者的姓名、性别和年龄等相关信息。

2)信号采集与波形显示：单击“Acquire”采集按钮，多路开关对采样通道进行一次扫描，每通道采样一个点，经A/D转换芯片转换并存储数据至缓存，如此循环，直到采集到了所需的次数。同时通过设备驱动程序，将缓存中数据读取到计算机内存并实现多通道数据实时波形显示。

3)数据存储：点击“Acquire”控件(相当于时间零基准)，在其后的TimerFrom毫秒后开始数据的存储，持续记录TimerInterval毫秒。或者选中复选框存储全部数据。数据以文本的格式存储。

4)报表生成：程序利用了LabWindows/CVI与ActiveX自动化库中Microsoft Word相结合生成Word报表，并赋以打印功能，充分结合了Word的强大功能，能将被试全部个人信息完整的保留在计算机中或打印出来，便于离线分析。

使用上述方法前，校验系统的方法：

采用可输出μV级信号的WY1606L数字合成函数信号发生器作为电路输入，经脑电信号检测电路处理后的输出经采集卡由编写的CVI软件进行采集、记录和显示，其中一个通道的采集结果的波形显示如说明书附图中图5所表示。

Claims (3)

1.一种用于脑机接口的脑电信号检测系统，包括一个电极帽(1)，其特征在于所述电极帽(1)经一个放大电路(2)和一个数据采集卡(3)连接到一个计算机(4)；所述电极帽(1)获得头皮的微弱脑电信号后输出到所述放大电路(2)放大，放大后由所述数据采集卡(3)对信号进行A/D转换，转换后的数字量送往所述计算机(4)，实现数据采集、记录显示和保存，为脑机接口中脑电信号检测识别奠定基础；所述放大电路(2)由一个前置放大电路连接一个后级放大电路构成；在前置放大电路中，由电极帽提取的μV级脑电信号的两端经两根屏蔽电缆的芯线分别连接两个运算放大器U1、U2的同相输入端，一个电阻R₃分别与两个运算放大器U1、U2的负输入端连接，另一个电阻R₁连接在第一个运算放大器U1的输出端与负输入端之间，还有一个电阻R₂连接在第二个运算放大器U2的输出端与负输入端之间，所述两个运算放大器U1与U2的输出端分别经两个电容C₁、C₂与第五个运算放大器U5的负、正输入端连接；所述两个运算放大器U1、U2的输出之间串接两个电阻R₄与R₅，R₄与R₅的公共端与第三个运算放大器U3的正输入端相连接，第三个运算放大器U3的负输入端直接与该第三个运算放大器U3输出端相连，构成信号跟随器，该第三个运算放大器U3输出端与串联电阻R₆、R₇的公共端连接；所述电容C₁与电阻R₆串联，串联后电容C₁的另一端与所述第一运算放大器U1的输出端连接，电阻R₆的另外一端接第三个运算放大器U3的输出；电容C₂与电阻R₇串联，串联后电容C₂的另一端与所述第二运算放大器U2的输出端连接，R₇的另外一端接第三运算放大器U3的输出；第三运算放大器U3的输出端与第四运算放大器U4的正输入端连接，第四运算放大器U4的负输入端直接与该第四运算放大器U4输出端连接，构成信号跟随器，该第四运算放大器U4输出端与两根屏蔽电缆的屏蔽层连接；电阻R₈连接在第五运算放大器U5的1、8引脚间；前置放大电路的输出，即第五运算放大器的6端连接后级放大电路；后级放大电路中，电阻R₁₈与第八运算放大器U8的负输入端连接，电阻R₁₉、电容C₁₁并联后一端接第八运算放大器U8的正输入端，一端接地；电位器R₂₀连接在第八运算放大器U8的负输入端和输出端之间，第八运算放大器U8的输出端与电阻R₂₁的一端连接，第五运算放大器U5选用放大器AD620。

2.根据权利要求1所述的用于脑机接口的脑电信号检测系统，其特征在于所述电极帽(1)中采用AgCl电极，有20个通道；所述数据采集卡(3)采用美国国家仪器NI公司的PCI-6229型采集卡，该卡是基于32位PCI总线的16位32通道数据采集卡，利用它实现信号的A/D转换。

3.一种用于脑机接口的脑电信号检测方法，采用权利要求1所述用于脑机接口的脑电信号检测系统进行检测，其特征在于该检测方法的具体操作步骤为：

1)参数设置：在检测方法界面上设置有关采样的通道号、通道数、每个通道的采样点数、采样率、信号的幅值范围、文件保存时间、实验者的姓名、性别和年龄信息；

2)信号采集与波形显示：多路开关对采样通道进行一次扫描，每通道采样一个点，经A/D转换芯片转换并存储数据至缓存，如此循环，直到采集到了所需的次数；同时通过设备驱动程序，将缓存中数据读取到计算机内存并实现多通道数据实时波形显示；

3)数据存储：在时间零基准后开始数据的存储，数据以文本的格式存储；

4)报表生成：生成Word报表，并赋以打印功能，将被试全部个人信息完整的保留在计算机中或打印出来，便于离线分析。

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