CN102871657A - 基于阻抗自适应的脑电信号采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阻抗自适应的脑电信号采集系统，包括电极帽，所述电极帽上设有多个电极，还包括用于检测所述电极的阻抗值的阻抗检测装置以及用于为所述电极补充导电液的导电液加注装置，所述导电液加注装置包括与各电极相连的加液执行机构和与阻抗检测装置相连的控制器，所述控制器根据阻抗检测装置测得的各电极的实时阻抗值控制加液执行机构对实时阻抗值在加液阀值范围内的电极加液。该系统具有操作简单、使用方便、能长时间保持低电极阻抗、脑电数据能够保持高信噪比和高稳定性的优点。本发明还公开了一种用上述的基于阻抗自适应的脑电信号采集系统对脑电信号进行采集的方法。

Description

基于阻抗自适应的脑电信号采集系统及方法

技术领域

本发明涉及脑机接口技术，尤其涉及基于阻抗自适应的脑电信号采集系统及方法。

背景技术

脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）是一种不依赖于正常的由外周神经和肌肉组成的输出通路的通讯系统。它通过一定手段检测大脑活动信号，再利用信号处理和模式识别等方法从中辨别出人的意图，从而把人的思维活动转换为计算机指令，实现对外部设备的控制或与外界进行信息交流。由于脑机接口不需要人的肢体动作或者语言表达直接参与，这项技术既可以为伤残人群提供更加有效的医疗康复和生活辅助设备，也可以作为一种新型人机一体化系统实现方式，从而在医疗、工业、交通等众多领域具有重要的应用前景。

脑电信号的检测是脑机接口技术的基础，现有的检测方法主要包括侵入式和非侵入式两类。侵入式信号检测方法将电极安置于大脑皮层表面或植入到大脑皮层之中，直接采集神经活动产生的生物电信号。这种检测方法得到的信号噪声小，时空分辨率较高，但需要进行专业的外科手术，操作复杂且对被试损害较大，因此难以找到合适的实验对象，应用范围较窄；而非侵入式信号检测方法则是将电极安置在大脑头皮表面，操作简单且不会对人体产生损伤，成为目前脑机接口技术研究中广泛采用的信号检测方法。然而，受到头发、头皮分泌物以及电极与头皮接触状态等众多因素的影响，头皮与电极之间往往具有较大阻抗，使得这种检测方法所得到的信号噪声较大，波形失真严重。如何降低头皮与电极之间的阻抗，并长期保持这两者之间稳定的阻抗值，研制出精确、可靠，操作简单且能够长时间连续使用的脑电信号采集系统，一直是脑机接口技术研究中的难题。

目前，降低电极与头皮之间阻抗常用的方法有两类，一种是电极与大脑头皮不直接接触，通过在两者之间加入液态或者糊状的导电介质，实现电极与头皮之间的低阻抗接触，这类电极也常被称为湿电极。另一种则不需要导电介质，而是通过对电极结构进行专门设计，直接将电极末端和头皮接触以降低电极阻抗，这类电极相应的被称为干电极。采用湿电极在准备良好的情况下能够有效的降低电极阻抗，所采集得到的脑电数据信噪比较高，但也存在两个难以克服的缺点：一是实验准备过程复杂，在实验操作者需要花费较多的时间和精力对每个采集位置涂抹导电膏，或者将电极放入导电液中浸泡，这一过程一般要花费几十分钟到一、二个小时不等，且实验效果对操作者的技术和经验依赖性较大；二是导电介质会在实验过程中发生变化，比如导电膏的流动性会导致电极与头皮接触不良，甚至会发生相邻电极的导电膏接触，引起信号串扰，而导电液（如生理盐水）则会受人体体温的影响，在实验过程中不断蒸发。这些因素都会使电极阻抗随着实验的不断进行而逐步增大，影响实验数据的稳定性，降低单次实验的有效进行时间。相比之下，干电极由于不需要导电介质，能有效降低实验准备过程的复杂度，大大缩短实验准备时间，比如利用针状电极阵列设计的脑电图电极帽直接佩戴即可使用。干电极的这一优点使其越来越受到众多研究者的青睐，然而实验表明，这种电极的阻抗值一般情况下大于湿电极，采集得到的脑电数据信噪比较高；同时，实验过程中头皮分泌的油脂等因素也会影响电极与头皮之间的接触，使得电极阻抗也会逐渐增大，影响实验数据的稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简单、使用方便、能长时间保持低电极阻抗、脑电数据能够保持高信噪比和高稳定性的基于阻抗自适应的脑电信号采集系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于阻抗自适应的脑电信号采集系统，包括电极帽，所述电极帽上设有多个电极，还包括用于检测所述电极的阻抗值的阻抗检测装置以及用于为所述电极补充导电液的导电液加注装置，所述导电液加注装置包括与各电极相连的加液执行机构和与阻抗检测装置相连的控制器，所述控制器根据阻抗检测装置测得的各电极的实时阻抗值控制加液执行机构对实时阻抗值在加液阀值范围内的电极加液。

所述电极包括壳体、电极片、与所述阻抗检测装置相连的银丝导线、与所述加液执行机构相连的加液导管以及多个触针，所述多个触针呈阵列状与电极片固接，所述电极片固定于壳体下端并与壳体围成一腔体，所述壳体上设有与所述腔体相通的导线孔和加液孔，所述银丝导线穿过导线孔与电极片连接，所述加液导管插设于加液孔内并与所述腔体相通。

所述触针与所述腔体相通，所述触针下部开设有补液小孔。

所述加液执行机构包括储液罐和电子阀，所述电子阀一端与储液罐连通，另一端与各电极的加液导管连通，电子阀与控制器电连接，并由控制器控制电子阀与各电极的加液导管之间的通断。

所述阻抗检测装置与所述电极之间连有脑电信号放大器。

一种用上述的基于阻抗自适应的脑电信号采集系统对脑电信号进行采集的方法，包括以下步骤，

1）配置电极，将各电极与阻抗检测装置电连接，同时将各电极与导电液加注装置的加液执行机构连通；

2）将阻抗检测装置与导电液加注装置的控制器连接，并设定加注阈值和关阈值；

3）将电极帽正确地佩戴在被试头部； 

4）开启阻抗检测装置的检测功能，控制器根据阻抗检测装置针对各电极测得的实时阻抗值来控制加液执行机构对相应电极的导电液加注作业，当电极的实时阻抗值在加注阈值范围内时，加液执行机构对该电极加注导电液，当电极的实时阻抗值在关阈值范围内时，加液执行机构停止对该电极加注导电液，直至所有电极的实时阻抗值在关阈值范围内，阻抗检测装置和导电液加注装置停止作业，并发出准备完毕提示信号；

5）启动一个实验进程，并开始脑电信号采集，当一个实验进程结束后，停止脑电信号采集；

6）重复步骤4）和步骤5）直到所有实验进程完成。

在所述步骤4）结束时，根据所述准备完毕提示信号自动启动所述步骤5）或者采用人工操作启动所述步骤5）。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的基于阻抗自适应的脑电信号采集系统，采用阻抗检测装置和导电液加注装置实现了对各电极添加导电液，当被试带上电极帽之后，阻抗检测装置检测电极阻抗，电液加注装置的控制器可以根据阻抗检测装置测得的各电极的实时阻抗值控制加液执行机构对实时阻抗值在加液阀值范围内的电极加液，直至阻抗达到合理水平，从而有效降低了实验准备效果对操作人员经验和技术的依赖性，大大减轻了实验操作人员的负担，可提高实验效率和准确性；根据各电极阻抗的变化情况自动补充导电液，可以有效避免由于人体体温导致导电液挥发而引发的头皮与电极接触不良的情况，确保电极阻抗长期维持在较低水平，保证实验数据较高的信噪比和稳定性，从而能有效延长单次实验的有效进行时间；电极阻抗的变化情况，还能够作为实验数据筛选的一种判别依据，在数据分析过程中，可以剔除电极阻抗过大时对应的实验数据，提高实验结果的准确性。本发明综合了湿电极和干电极的特点，利用多个触针呈阵列状与电极片固接，可实现触针与头皮良好地接触，同时触针采用中空结构，导电液可以通过触针下部开设的补液小孔渗出，进一步降低头皮与电极之间的阻抗，这样既能有效降低的阻抗，又能大大降低实验操作复杂度，缩短实验准备时间。 本发明用上述的基于阻抗自适应的脑电信号采集系统对脑电信号进行采集的方法，其步骤简单，操作方便，实验效率和准确率高。

附图说明

图1是本发明脑电信号采集系统的结构示意图。

图2是本发明脑电信号采集系统中电极帽的电极分布示意图。

图3是本发明脑电信号采集系统中电极的结构示意图。

图4是本发明对脑电信号进行采集的方法的流程图。

图中各标号表示：

1、电极帽；2、阻抗检测装置；3、导电液加注装置；4、脑电信号放大器；11、电极；31、加液执行机构；32、控制器；111、壳体；112、电极片；113、银丝导线；114、加液导管；115、触针；116、导线孔；117、加液孔；118、补液小孔；311、储液罐；312、电子阀。

具体实施方式

图1至图3示出了本发明的一种基于阻抗自适应的脑电信号采集系统实施例，该采集系统包括电极帽1，电极帽1上设有多个电极11，还包括用于检测电极11的阻抗值的阻抗检测装置2以及用于为电极11补充导电液的导电液加注装置3，导电液加注装置3包括与各电极11相连的加液执行机构31和与阻抗检测装置2相连的控制器32，当被试带上电极帽1之后，阻抗检测装置2检测各电极11的阻抗，控制器32可以根据阻抗检测装置2测得的各电极11的实时阻抗值控制加液执行机构31对实时阻抗值在加液阀值范围内的电极11加液，直至该电极11的阻抗达到合理水平，从而通过阻抗检测装置2和导电液加注装置3实现了对各电极11自动添加导电液，有效降低了实验准备效果对操作人员经验和技术的依赖性，大大减轻了实验操作人员的负担，可提高实验效率和准确性；根据各电极11的阻抗的变化情况自动补充导电液，可以有效避免由于人体体温导致导电液挥发而引发的头皮与电极11接触不良的情况，确保电极11的阻抗长期维持在较低水平，保证实验数据较高的信噪比和稳定性，从而能有效延长单次实验的有效进行时间；电极11的阻抗变化情况，还能够作为实验数据筛选的一种判别依据，在数据分析过程中，可以剔除阻抗过大时对应的实验数据，提高实验结果的准确性。

本实施例中，电极帽1采用高弹性材料制成基体，既能有效契合头型，又能保证电极11与头皮充分接触的情况下，减少两者之间的压力，提高佩戴舒适度。电极11包括壳体111、电极片112、与阻抗检测装置2相连的银丝导线113、与加液执行机构31相连的加液导管114以及多个触针115，壳体111采用绝缘性和抗腐蚀性较好的材料制成，壳体111呈圆筒状且一端开口，其与电极帽1的基体固接，触针115和电极片112都采用Ag-AgCl复合材料作为基材，使得电极11具有良好的导电性和抗腐蚀性，多个触针115呈阵列状与电极片112固接，电极片112固定于壳体111的下端开口处并与壳体111围成一密封的腔体，壳体111上端设有与腔体相通的导线孔116和加液孔117，银丝导线113穿过导线孔116与电极片112连接，加液导管114插设于加液孔117内并与腔体相通，导线孔116和加液孔117用密封圈密封，以防止在意外情况下导电液向外流出，避免电极11或者其他设备发生故障，触针115为中空结构，并与腔体相通，触针115下部开设有补液小孔118，导电液从加液导管114注入腔体后经触针115从补液小孔118向外渗出，使得头皮与电极之间具有充足的导电液，从而有效降低电极11的阻抗。本实施例中的阻抗检测装置2为一台计算机，其可接收和处理阻抗检测结果，也可接收和处理脑电信号，在该计算机与电极11之间连有脑电信号放大器4，各电极11的银丝导线113与脑电信号放大器4连接，通过脑电信号放大器4可以方便该计算机对脑电信号进行处理。

本实施例中，加液执行机构31包括储液罐311和电子阀312，电子阀312一端与储液罐311连通，另一端与各电极11的加液导管114连通，电子阀312与控制器32电连接，控制器32通过USB数据线接收阻抗检测装置2的指令，并由控制器32控制电子阀312与各电极11的加液导管114之间的通断。本实施例储液罐311由绝缘性和抗腐蚀性较好的材料制成，并设多个液体输出口，使用时储液罐311安装在高于被试头部的台架之上，这样可以将重力作为加注导电液的动力，降低设备的复杂度。在其它实施例中，也可以根据实验所需电极通道数的不同，选取多个储液罐。

本发明用上述的基于阻抗自适应的脑电信号采集系统对脑电信号进行采集的方法实施例，图4示出了该方法的流程，其包括以下步骤，

1）根据实验设计要求配置电极11，将各电极11与阻抗检测装置2电连接，同时将各电极11与导电液加注装置3的加液执行机构31连通；

2）将阻抗检测装置2与导电液加注装置3的控制器32连接，并设定加注阈值（超出合理阻抗的范围）和关阈值（合理阻抗的范围）；

3）将电极帽1正确地佩戴在被试头部； 

4）开启阻抗检测装置2的检测功能，控制器32根据阻抗检测装置2针对各电极11测得的实时阻抗值来控制加液执行机构31对相应电极11的导电液加注作业，当电极11的实时阻抗值在加注阈值范围内时，加液执行机构31对该电极11加注导电液，当电极11的实时阻抗值在关阈值范围内时，加液执行机构31停止对该电极11加注导电液，直至所有电极11的实时阻抗值在关阈值范围内，阻抗检测装置2和导电液加注装置3停止作业，并发出准备完毕提示信号；

5）启动一个实验进程，并开始脑电信号采集，当一个实验进程结束后，停止脑电信号采集；

6）重复步骤4）和步骤5）直到所有实验进程完成。

本实施例中，在步骤4）结束时，根据准备完毕提示信号自动启动步骤5），在其它实施例中还可采用人工操作启动步骤5）。

为了在实验过程中检测电极11的阻抗，最直接的方法就是在采集脑电信号的同时实时检测阻抗，然而由于脑电信号采集和阻抗检测原理不同，这种方法实现难度极大，目前市场上的脑电产品都无法做到脑电信号采集和阻抗检测同时进行。而脑电信号采集实验由多个实验进程组成，本发明充分利用了相邻实验进程之间的间隔进行自动阻抗检测和补充导电液的作业，这种方法有效降低了实验准备效果对操作人员经验和技术的依赖性，大大减轻了实验操作人员的负担，使操作步骤简化，操作方便，实验效率和准确率大大提高。

虽然本发明已以较佳实例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种基于阻抗自适应的脑电信号采集系统，包括电极帽（1），所述电极帽（1）上设有多个电极（11），其特征在于：还包括用于检测所述电极（11）的阻抗值的阻抗检测装置（2）以及用于为所述电极（11）补充导电液的导电液加注装置（3），所述导电液加注装置（3）包括与各电极（11）相连的加液执行机构（31）和与阻抗检测装置（2）相连的控制器（32），所述控制器（32）根据阻抗检测装置（2）测得的各电极（11）的实时阻抗值控制加液执行机构（31）对实时阻抗值在加液阀值范围内的电极（11）加液。

2.根据权利要求1所述的基于阻抗自适应的脑电信号采集系统，其特征在于：所述电极（11）包括壳体（111）、电极片（112）、与所述阻抗检测装置（2）相连的银丝导线（113）、与所述加液执行机构（31）相连的加液导管（114）以及多个触针（115），所述多个触针（115）呈阵列状与电极片（112）固接，所述电极片（112）固定于壳体（111）下端并与壳体（111）围成一腔体，所述壳体（111）上设有与所述腔体相通的导线孔（116）和加液孔（117），所述银丝导线（113）穿过导线孔（116）与电极片（112）连接，所述加液导管（114）插设于加液孔（117）内并与所述腔体相通。

3.根据权利要求2所述的基于阻抗自适应的脑电信号采集系统，其特征在于：所述触针（115）与所述腔体相通，所述触针（115）下部开设有补液小孔（118）。

4.根据权利要求2或3所述的基于阻抗自适应的脑电信号采集系统，其特征在于：所述加液执行机构（31）包括储液罐（311）和电子阀（312），所述电子阀（312）一端与储液罐（311）连通，另一端与各电极（11）的加液导管（114）连通，电子阀（312）与控制器（32）电连接，并由控制器（32）控制电子阀（312）与各电极（11）的加液导管（114）之间的通断。

5.根据权利要求2或3所述的基于阻抗自适应的脑电信号采集系统，其特征在于：所述阻抗检测装置（2）与所述电极（11）之间连有脑电信号放大器（4）。

6.根据权利要求4所述的基于阻抗自适应的脑电信号采集系统，其特征在于：所述阻抗检测装置（2）与所述电极（11）之间连有脑电信号放大器（4）。

7.一种用如权利要求1至6中任一项所述的基于阻抗自适应的脑电信号采集系统对脑电信号进行采集的方法，其特征在于：包括以下步骤，

1）配置电极（11），将各电极（11）与阻抗检测装置（2）电连接，同时将各电极（11）与导电液加注装置（3）的加液执行机构（31）连通；

2）将阻抗检测装置（2）与导电液加注装置（3）的控制器（32）连接，并设定加注阈值和关阈值；

3）将电极帽（1）正确地佩戴在被试头部； 

4）开启阻抗检测装置（2）的检测功能，控制器（32）根据阻抗检测装置（2）针对各电极（11）测得的实时阻抗值来控制加液执行机构（31）对相应电极（11）的导电液加注作业，当电极（11）的实时阻抗值在加注阈值范围内时，加液执行机构（31）对该电极（11）加注导电液，当电极（11）的实时阻抗值在关阈值范围内时，加液执行机构（31）停止对该电极（11）加注导电液，直至所有电极（11）的实时阻抗值在关阈值范围内，阻抗检测装置（2）和导电液加注装置（3）停止作业，并发出准备完毕提示信号；

5）启动一个实验进程，并开始脑电信号采集，当一个实验进程结束后，停止脑电信号采集；

6）重复步骤4）和步骤5）直到所有实验进程完成。

8.根据权利要求7所述的对脑电信号进行采集的方法，其特征在于：在所述步骤4）结束时，根据所述准备完毕提示信号自动启动所述步骤5）或者采用人工操作启动所述步骤5）。

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