CN102525453A - 一种脑电检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脑电检测装置，包括前置放大电路、抗混叠滤波电路、AD转换器和分析用计算机，其特征在于：所述前置放大电路、抗混叠滤波电路和AD转换器分别有若干个，其中每一个前置放大电路、一个抗混叠滤波电路和一个AD转换器依次连接分别构成一条采样和模数转换电路，若干条采样和模数转换电路并联连接，形成若干路数据流，再通过一个高速数据汇集电路汇集成一条高速数据流经过数据传输电路送到分析用计算机进行分析和处理。本发明还公开这种脑电检测方法。采用本发明的脑电检测装置可以满足对多路脑电信号同时进行高速率（10KHz每通道），高精度（24bit）采样的要求，从而使该装置具有稳定性好，抗干扰能力强，频带范围宽等特点。

Description

一种脑电检测装置及检测方法

技术领域

 本发明涉及一种脑电检测装置及相应的检测方法。

背景技术

随着现代医学诊断技术的发展，近几年人们开始对人类大脑思维活动所产生的生物电活动（即事件相关电位）进行检测和研究，这就对采集脑电信号的频带要求越来越宽，而且脑电信号往往要求多通道同时采集，每个通道带宽最高达到0—2000Hz，这就要求每个通道的采样频率至少要达到4KHz以上。

对于微弱的脑电信号，往往是伴随着大得多的干扰信号同时存在，将脑电信号放大同时也不可避免将干扰信号放大。对于微伏级的脑电信号，要想在16位以下的采样系统中分辨清楚就必须至少放大1000-10000倍，而这样干扰信号又会使放大器饱和。这对矛盾在常规的放大器中难以解决。有效的解决方案就是减小放大倍数同时提高AD转换的精度，经过计算采用24位的转换精度，放大倍数只要5-10倍就能满足要求。大的干扰信号可以在采样进来AD转换后通过数字滤波的办法来去除。但是，提高采样精度又带来新的问题；现有的高精度AD采样芯片大都是∑－⊿型的，它是通过用过采样的办法牺牲采样率来实现高精度的，因此采样率不高。

常规数字化脑电图仪是将由电极线引入的多路脑电信号先分别进行模拟放大和滤波，然后经过模拟开关的分时切换，形成一路模拟信号进行AD转换，再把转换后的数据通过各种通讯介质传送到计算机中进行处理。对于每个通道4K Hz的采样率，即使按照16个通道计算，一片AD转换器的采样率也要达到64KHz，这对于24位精度的∑－⊿型AD转换器是无法做到的。关键在于∑－⊿型AD转换器在进行高精度转换时，要求输入的模拟信号必须是同一路连续不断的，不能经过开关的切换。

因此现有的常规数字化脑电图仪并没有同时解决好对多路脑电信号进行宽带宽（0—2000Hz），高精度（24位），高采样率采样的问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种能够同时满足采样率和采样精度的脑电检测装置。

技术方案：本发明所述的脑电检测装置，包括前置放大电路、抗混叠滤波电路、AD转换器和分析用计算机，所述前置放大电路、抗混叠滤波电路和AD转换器分别有若干个，其中每一个前置放大电路、一个抗混叠滤波电路和一个AD转换器依次连接分别构成一条采样和模数转换电路，若干条采样和模数转换电路并联连接，形成若干路数据流，先分路进行高频率采样和高精度AD转换；再通过一个高速数据汇集电路将各分路转换好的数据流按照一定的帧结构汇集成一条高速数据流，经过数据传输电路送到分析用计算机进行分析和处理。

所述高速数据汇集电路包括主时钟、时序逻辑电路、汇集总线、锁存/串行移位寄存器和若干个缓冲门；各条采样和模数转换电路分别将采样的数据送到一个缓冲门；所述时序逻辑电路基于所述主时钟，按照帧结构的要求，在不同的时刻从不同路的门控信号线上送出门控信号，控制对应的缓冲门打开，将该路的采样数据送到汇集总线上；每条路上的采样数据被送到汇集总线后，所述时序逻辑电路都向所述锁存/串行移位寄存器送出锁存信号将数据装入所述锁存/串行移位寄存器中，所述锁存/串行移位寄存器在串行时钟的控制下将装入的数据以串行的方式输出形成高速数据流。

根据实际需要，比较优选地，所述采样和模数转换电路共有70条，形成70个数据流通道。每通道采样率高达10 KHz，带宽为0～2000Hz，采样精度达24位的脑电检测装置。

根据国家对医疗器械强制性标准的要求，与患者接触的电极和网电源之间的隔离电压必须要达到4500伏特以上。本发明数据传输电路采用光纤隔离和USB接口的方式接入分析用计算机，本发明在放大器和电脑之间采用光纤传输数据使得隔离电压可以远大于国家标准的要求。

脑电信号首先通过贴在人体头皮上的电极引入到前置放大电路，伴随着脑电信号会有很多干扰和伪迹，这些无用信号往往比有用的脑电信号大几百甚至上千倍。这就要求前置放大器既能放大脑电信号又有抑制干扰信号的能力。因此所述前置放大电路采用高共模抑制比和高输入阻抗的仪表放大器AD620。为了不让干扰信号将放大器饱和，放大器处于低增益状态下应用，放大倍数控制在5～10倍。这样可以使输入信号的动态范围扩大到±300mV。

为了使后面的AD采样电路工作在10 KHz采样率下满足抽样定理的条件，必须限制输入到AD采样电路信号的频率范围。本发明采用了一个二阶低通有源滤波电路，将输出信号的频带限制到0～2000Hz。

由于本发明方案中的AD转换器只是针对一路的模拟信号，因而可以采用低成本高精度的∑－⊿型AD转换器，使得每一路信号在高频率（10 KHz）采样时的转换精度都能达到24位。这用传统方案是无法做到的。

本发明所述的脑电检测方法，包括如下步骤：

（1）贴在人体头皮上的电极分别将脑电信号引入到多个前置放大电路中，放大器处于低增益状态，放大倍数控制在5～10倍；

（2）将每个放大器的输出信号分别通过抗混叠滤波电路，将输出信号的频率限制到0～2000Hz；

（3）将每个抗混叠滤波电路的输出信号分别通过AD转换器进行模数转换；

（4）将各路AD转换器转换好的数据通过高速数据汇集电路汇集成一条高速数据流，同时插入同步信息，再通过数据传输电路送到分析用计算机进行分析和处理

有益效果：1、与现有的多路脑电信号先分别进行模拟放大和滤波，然后经过模拟开关的分时切换，形成一路模拟信号进行AD转换，再把转换后的数据通过各种通讯介质传送到计算机中进行处理不同，本发明是对各路脑电信号进行低倍数放大然后分别用低成本高精度的∑－⊿型AD转换器进行采样和模—数转换，形成多路数据流，通过一个高速数据汇接电路汇接成一路高速数据流送到计算机进行分析和处理，采用本发明的脑电检测装置可以满足对多路脑电信号同时进行高速率（10 KHz每通道），高精度（24bit）采样的要求，从而使该装置具有稳定性好，抗干扰能力强，频带范围宽等特点，可以应用到事件相关电位的分析领域；2、本发明针对每一路模拟信号真正做到了24位转换精度，从而可以大大降低前置放大器的增益，简化电路设计，大大提高了输入动态范围；3、本发明针对每一路模拟信号真正做到了10 KHz的采样率，从而大大提高了所采集的脑电信号的带宽，为脑电信号中高级认知电位（事件相关电位）分析提供了技术支持；4、由于对模拟信号进行了高精度和高采样率的数据转换，使得混合在有用信号中的大幅度的干扰信号可以在转换后的数据中通过计算机软件处理的方法加以去除，从而提高抗干扰的效果，降低抗干扰的成本。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图 2为本发明汇集电路的结构示意图。

图3为本发明实施例中前置放大电路的电路图。

图4为本发明实施例中抗混叠滤波电路的电路图。

图5为本发明实施例中AD转换器的电路图。

图6为本发明实施例中光纤接口的电路图。

图7为本发明实施例中USB接口的电路图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：本发明脑电检测装置，包括前置放大电路、抗混叠滤波电路、AD转换器和分析用计算机，所述前置放大电路、抗混叠滤波电路和AD转换器分别有70个，其中每一个前置放大电路、一个抗混叠滤波电路和一个AD转换器依次连接分别构成一条采样和模数转换电路，70条采样和模数转换电路并联连接，形成70路数据流，再通过一个高速数据汇集电路汇集成一条高速数据流经过数据传输电路送到分析用计算机进行分析和处理。所述数据传输电路采用光纤隔离和USB接口的方式接入分析用计算机。

前置放大电路：脑电信号首先通过贴在人体头皮上的电极引入到前置放大电路，伴随着脑电信号会有很多干扰和伪迹，这些无用信号往往比有用的脑电信号大几百甚至上千倍。这就要求前置放大器既能放大脑电信号又有抑制干扰信号的能力。因此采用高共模抑制比和高输入阻抗的仪表放大器AD620。为了不让干扰信号将放大器饱和，放大器处于低增益状态下应用，放大倍数控制在5-10倍。这样可以使输入信号的动态范围扩大到±300mV。电路如图3所示。

抗混叠滤波电路：为了使后面的AD转换器电路工作在10 KHz采样率下满足抽样定理的条件，必须限制输入到AD转换器电路信号的频率范围。本发明采用了一个二阶低通有源滤波电路，将输出信号的频带限制到0～2000Hz。电路如图4所示。

AD转换器：本发明采用高精度的AD转换器来满足分辨微伏级信号的要求，每路各采用一片低成本高精度的∑－⊿型AD转换器ADS1251来进行模数转换。这样就避免了模拟信号的通道间切换给∑－⊿型AD转换器带来的致命影响。因此本发明可以使每一路的采样率达到10 KHz。电路如图5所示。

高速数据汇集电路：本发明采用一种高速数据汇集电路，将多路转换好的数据汇集成一路高速的数据流，同时插入同步信息，以便于电脑收到数据后进行通道的区分。从各分路AD转换器采样的24bit数据分别被送到一个缓冲门，该缓冲门可在门控信号的控制下分别将24bit数据送到24bit汇集总线上。时序逻辑电路按照帧结构的要求，在每帧的开始先从门控信号0送出控制信号将缓冲门打开，将同步数据送到汇集总线，然后时序逻辑电路送出锁存信号将数据装入锁存/串行移位寄存器中，锁存/串行移位寄存器在串行时钟的控制下将装入的数据以串行的方式高速输出。此后，在不同的时刻从不同路的门控信号线上送出门控信号，控制对应路的缓冲门打开，将该路的采样数据送到汇集总线上，然后时序逻辑电路送出锁存信号将数据装入锁存/串行移位寄存器中，锁存/串行移位寄存器在串行时钟的控制下将装入的数据以串行的方式高速输出。这样就形成了一路高速的数据流。以便于光纤传输和通过USB接口方便与计算机进行连接。所有的控制信号都是基于一个24MHz的主时钟。

光纤接口：根据国家对医疗器械强制性标准的要求，与患者接触的电极和网电源之间的隔离电压必须要达到4500伏特以上。本发明在放大器和电脑之间采用光纤传输数据使得隔离电压可以远大于国家标准的要求。电路如图6所示。

USB接口：本发明采用图7所示的高速USB2.0接口电路，实现电脑采样数据的接收和控制命令的下发。

本发明脑电检测方法，包括如下步骤：

（1）贴在人体头皮上的电极分别将脑电信号引入到多个前置放大电路中，放大器处于低增益状态，放大倍数控制在5～10倍；

（2）将每个放大器的输出信号分别通过抗混叠滤波电路，将输出信号的频率限制到0～2000Hz；

（3）将每个抗混叠滤波电路的输出信号分别通过AD转换器进行模数转换；

（4）将各路AD转换器转换好的数据通过高速数据汇集电路汇集成一条高速数据流，同时插入同步信息，再通过数据传输电路送到分析用计算机进行分析和处理。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (8)

1.一种脑电检测装置，包括前置放大电路、抗混叠滤波电路、AD转换器和分析用计算机，其特征在于：所述前置放大电路、抗混叠滤波电路和AD转换器分别有若干个，其中每一个前置放大电路、一个抗混叠滤波电路和一个AD转换器依次连接分别构成一条采样和模数转换电路，若干条采样和模数转换电路并联连接，形成若干路数据流，再通过一个高速数据汇集电路汇集成一条高速数据流经过数据传输电路送到分析用计算机进行分析和处理。

2.根据权利要求1所述的脑电检测装置，其特征在于：所述高速数据汇集电路包括主时钟、时序逻辑电路、汇集总线、锁存/串行移位寄存器和若干个缓冲门；各条采样和模数转换电路分别将采样的数据送到一个缓冲门；所述时序逻辑电路基于所述主时钟，按照帧结构的要求，在不同的时刻从不同路的门控信号线上送出门控信号，控制对应的缓冲门打开，将该路的采样数据送到汇集总线上；每条路上的采样数据被送到汇集总线后，所述时序逻辑电路都向所述锁存/串行移位寄存器送出锁存信号将数据装入所述锁存/串行移位寄存器中，所述锁存/串行移位寄存器在串行时钟的控制下将装入的数据以串行的方式输出形成高速数据流。

3.根据权利要求1所述的脑电检测装置，其特征在于：所述采样和模数转换电路共有70条，形成70个数据流通道。

4.根据权利要求1所述的脑电检测装置，其特征在于：所述数据传输电路采用光纤隔离和USB接口的方式接入分析用计算机。

5.根据权利要求1所述的脑电检测装置，其特征在于：所述前置放大电路采用高共模抑制比和高输入阻抗的仪表放大器AD620。

6.根据权利要求1所述的脑电检测装置，其特征在于：所述抗混叠滤波电路为二阶低通有源滤波电路。

7.根据权利要求1所述的脑电检测装置，其特征在于：所述AD转换器采用∑－⊿型AD转换器ADS1251。

8.一种脑电检测方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）贴在人体头皮上的电极分别将脑电信号引入到多个前置放大电路中，放大器处于低增益状态，放大倍数控制在5～10倍；

（2）将每个放大器的输出信号分别通过抗混叠滤波电路，将输出信号的频率限制到0～2000Hz；

（3）将每个抗混叠滤波电路的输出信号分别通过AD转换器进行模数转换；

（4）将各路AD转换器转换好的数据通过高速数据汇集电路汇集成一条高速数据流，同时插入同步信息，再通过数据传输电路送到分析用计算机进行分析和处理。

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