CN103190903A - 脑电信号放大器及用于放大脑电信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例公开了一种脑电信号放大器及用于放大脑电信号的方法，该脑电信号放大器包括：脑电极，用于采集大脑的电信号；滤波器，用于过滤所述电信号中的干扰信号，以得到脑电信号；放大器，用于放大所述脑电信号；以及控制器，用于控制所述滤波器的滤波时间常数。本发明的实施例通过逻辑控制器可程控导联组合的选择、高通滤波的时间常数、脑电信号的放大倍数以及脑电接触阻抗的检测，丰富了脑电放大功能，满足了用户在不同的情况下对脑电精确获取的需求。

Description

脑电信号放大器及用于放大脑电信号的方法

技术领域

本发明的实施例涉及脑电技术领域，具体涉及一种脑电信号放大器及用于放大脑电信号的方法。

背景技术

人体组织细胞总是在自发不断地产生着很微弱的生物电活动。脑电信号是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。如果利用在头皮上安放的电极采集脑电信号，经脑电检测设备放大并记录在专用纸上，则能够得到具有一定波形、波幅、频率和相位的图形、曲线，即脑电图。当脑组织发生病理或功能改变时，脑电信号也发生相应的改变，从而为临床诊断、治疗提供依据。

但是，微弱的脑电信号往往伴随着强大的干扰信号同时存在，因此在脑电信号放大的同时也不可避免将干扰信号放大。具体地说，对于微伏级的脑电信号，如果希望在16位以下的采样系统中分辨清楚则必须放大至少1000-10000倍，而此时上述干扰信号将会使放大器饱和。

为了解决干扰信号使放大器饱和的问题，通过对干扰信号的详细分析，人们发现脑电极与头皮接触不良引起的干扰、工频干扰以及放大通道噪声是脑电信号检测中干扰信号的主要来源。具体地说，针对放大通道噪声引起的干扰，低噪音的脑电信号放大器是精确获取微弱的脑电信号的关键。相关技术中虽然通过具有放大、滤波、共模驱动、隔离的相关电路实现了脑电信号放大，但是无法满足用户在不同的情况下对脑电精确获取的需求。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种脑电信号放大器及用于放大脑电信号的方法，以解决相关技术中无法满足用户在不同的情况下对脑电精确获取的需求的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种脑电信号放大器，包括：脑电极，用于采集大脑的电信号；滤波器，用于过滤所述电信号中的干扰信号，以得到脑电信号；放大器，用于放大所述脑电信号；以及控制器，用于控制所述滤波器的滤波时间常数。

根据本发明的一个实施例，上述脑电信号放大器还包括：开关，具有多个接触点，其中每个接触点分别与一个电阻相连接，每个接触点对应的电阻的阻值不完全相同；以及所述控制器通过控制所述开关接通不同的接触点来控制所述滤波器的滤波时间常数。

根据本发明的又一个实施例，其中所述开关具有四个接触点。

根据本发明的再一个实施例，其中所述滤波器是高通滤波器。

根据本发明的再一个实施例，其中所述控制器还用于控制所述放大器的放大倍数。

根据本发明的再一个实施例，上述脑电信号放大器还包括：脑电接触阻抗检测器，用于检测所述脑电极与头皮之间的脑电接触阻抗；以及所述控制器还用于控制交流电流信号通过所述脑电极。

根据本发明的再一个实施例，其中所述脑电接触阻抗检测器包括：导联选择器，用于在多个脑电极中选择其中一个脑电极；以及所述控制器还用于控制所述导联选择器的选择操作。

根据本发明的再一个实施例，其中所述导联选择器具有多个接触点，其中每个接触点分别与所述多个脑电极中的一个脑电极相连接；以及所述控制器通过控制所述导联选择器接通不同的接触点来控制所述导联选择器的选择操作。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于放大脑电信号的方法，包括：采集大脑的电信号；过滤所述电信号中的干扰信号，以得到脑电信号；以及放大所述脑电信号；其中控制用于过滤所述电信号中的干扰信号的滤波器的滤波时间常数。

根据本发明的一个实施例，其中通过控制开关接通不同的接触点来控制所述滤波器的滤波时间常数；其中所述开关具有多个接触点，每个接触点分别与一个电阻相连接，每个接触点对应的电阻的阻值不完全相同。

根据本发明的又一个实施例，其中所述开关具有四个接触点。

根据本发明的再一个实施例，其中所述滤波器是高通滤波器。

根据本发明的再一个实施例，上述方法还包括：控制用于放大所述脑电信号的放大器的放大倍数。

根据本发明的再一个实施例，上述方法还包括：控制交流电流信号通过用于采集大脑的电信号的脑电极；以及检测所述脑电极与头皮之间的脑电接触阻抗。

根据本发明的再一个实施例，上述方法还包括：通过导联选择器在多个脑电极中选择其中一个脑电极；以及通过控制器控制所述导联选择器的选择操作。

根据本发明的再一个实施例，其中所述导联选择器具有多个接触点，其中每个接触点分别与所述多个脑电极中的一个脑电极相连接；以及所述控制器通过控制所述导联选择器接通不同的接触点来控制所述导联选择器的选择操作。

本发明的实施例通过逻辑控制器可程控导联组合的选择、高通滤波的时间常数、脑电信号的放大倍数以及脑电接触阻抗的检测，丰富了脑电放大功能，满足了用户在不同的情况下对脑电精确获取的需求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的脑电信号放大器的结构框图；

图2是根据本发明的另一实施例的脑电信号放大器的示意图；

图3是根据本发明的另一实施例的脑电接触阻抗检测的示意图；

图4是根据本发明实施例的用于放大脑电信号的方法的流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是根据本发明实施例的脑电信号放大器的结构框图，如图1所示，脑电极11、滤波器12、放大器13和控制器14(该控制器可以优选地是逻辑控制器)，下面对其结构进行详细描述。

脑电极11，用于采集大脑的电信号；滤波器12，连接至脑电极11，用于过滤脑电极11采集的电信号中的干扰信号，以得到脑电信号；放大器13，连接至滤波器12，用于放大滤波器12滤波之后的脑电信号；以及控制器14，连接至滤波器12，用于控制所述滤波器12的滤波时间常数。

相关技术中，脑电信号放大器无法满足用户在不同的情况下对脑电精确获取的需求。本发明实施例中，通过控制器控制滤波器的滤波时间常数，丰富了脑电放大功能，满足了用户在不同的情况下对脑电精确获取的需求。

在本发明的一个实施例中，在根据本发明实施例的脑电信号放大器中，该控制器14可以通过控制开关接通不同的接触点来控制该滤波器12的滤波时间常数，其中该开关具有多个接触点，每个接触点分别与一个电阻相连接，每个接触点对应的电阻的阻值不完全相同。本优选实施例通过控制开关接通不同的接触点，可以远程控制滤波器12的滤波时间常数，其控制方式简便、高效，并且例如该开关可以具有四个接触点。在一个实施例中，该滤波器12是高通滤波器。

进而，本发明实施例还针对干扰信号的主要来源中的脑电极与头皮接触不良引起的干扰进行了改进。该脑电极与头皮接触不良引起的干扰在相关技术中具体体现为：当脑电极与头皮间接触松动时，脑电极与头皮的接触会随着被检测者的身体和/或面部动作以及呼吸而改变，从而引起脑电信号检测中的干扰，影响脑电信号检测精度。本发明实施例中，根据对人体组织电特性的研究，对于交流电流信号，人体组织的纯电阻性起作用，因此，通过脑电接触阻抗检测器和控制器14的组合，采用交流电流信号对脑电接触阻抗进行检测，可以降低对脑电信号的检测精度的影响，从而减小其引起的脑电信号检测中的干扰，提高脑电信号检测质量。

在本发明的一个实施例中，针对该脑电接触阻抗检测器中的用于在多个脑电极中选择上述脑电极的导联选择器，该控制器14还用于控制该导联选择器的选择操作。其中，该导联选择器可以具有多个接触点，每个接触点分别与多个脑电极中的一个脑电极相连接，该控制器14通过控制导联选择器接通不同的接触点来控制所述导联选择器的所述选择操作。本发明实施例中，通过导联选择器和控制器14的组合可以远程控制导联选择器的选择操作，方便检测者和被检测者的操作。

另外，该控制器14还可以控制放大器13的增益，从而实现该脑电信号放大器的增益远程可调。

综上，本发明实施例通过逻辑控制器可程控导联组合的选择、高通滤波的时间常数、脑电信号的放大倍数以及脑电接触阻抗的检测，丰富了其功能，满足了用户在不同的情况下对脑电精确获取的需求。需要说明的是，在实际应用中，可以根据需要选择上述内容的一种或多种进行远程控制。

下面结合图2进一步说明根据本发明实施例的脑电信号放大器。

图2是根据本发明的另一实施例的脑电信号放大器的示意图，如图2所示，包括：导联组合选择201(对应于上述导联选择器)、脑电极输入阻抗匹配202(对应于上述脑电极阻抗检测器)、共模屏蔽驱动203、共模驱动204、前置放大205、程控高通滤波206(对应于上述高通滤波器12)、二级放大207、隔离放大208、50Hz工频限波209、低通滤波210、三节程控放大211、脑电接触阻抗检测212、逻辑控制器213(对应于上述控制器14)等单元。下面对其结构进行详细描述。

导联组合选择201由两个16*8的程控模拟开关阵列组成。该程控模拟开关具有多个接触点，每个接触点分别与多个脑电极中的一个脑电极相连接，该逻辑控制器213通过控制导联选择器接通不同的接触点来控制所述导联选择器的所述选择操作。

脑电极输入阻抗匹配202由高输入阻抗、低噪音的运算发大器构成射极跟随器组成。

共模屏蔽驱动203由所有电极导联线的共模输入信号通过射极跟随器与其屏蔽层连接，以使导联线上的共模电压能不衰减地传送到前置放大器205的输入端，从而不会产生共模电压不等量衰减引起的共模误差电压。

共模驱动204由所有导联线的共模输入信号通过负反馈依次通过射极跟随器和限流电阻与人体脑部相连，以降低人体脑部的共模电压。

前置放大205由基于高输入阻抗、高共模抑制比、低噪音的仪表放大器设计。在放大倍数设计过程中，应尽可能提高前置仪表的放大倍数。

程控高通滤波206通过逻辑控制器213控制四选一模拟开关接通不同的电阻选择四种不同截至频率。

二级放大207由高输入阻抗、低噪音的运算发大器组成的同相比例放大电路组成。

隔离放大208由线性光隔离放大器组成。

50Hz工频限波209为双T型频限波。

低通滤波210为四阶巴特沃思滤波器。

程控放大器211由专用程控放大芯片组成，其放大倍数可以通过逻辑控制器13控制其端口的逻辑电平设置。

脑电接触阻抗检测212用于实时检测各个脑电极与头皮接触阻抗的大小。下面结合图3，进一步说明脑电接触阻抗检测212的具体实现方式。

图3是根据本发明的另一实施例的脑电接触阻抗检测的示意图，如图3所示，脑电接触阻抗检测212主要包括信号源2121、导联自动选择2122、差动放大器2123、低通滤波2124、比较器2125与显示单元2126。其中，导联自动选择2122由十六选一模拟开关组成；差动放大器2123由高输入阻抗的仪表放大器组成；低通滤波器2124为RC滤波器；比较器2125由专用比较器集成芯片组成。

图3中，脑电接触阻抗检测212的工作方式是，信号源2121产生50Hz的正弦波，通过逻辑控制器213控制导联自动选择2122使电流由待测电极流向参考电极，并通过差动发大器2123测量这两电极之间的电压，然后通过低通滤波器2124转化成直流电压，最后通过比较器2125与标准参考电压进行比较，比较器2125输出的高低电平控制显示单元2126中LED的亮灭。

综上，逻辑控制器213可按外部用户输入的不同命令分别控制导联组合选择201、脑电接触阻抗检测202，程控高通滤波206和程控放大器211，使本发明实施例具有导联组合可任意组合、增益可调(500x-20000x可选)、滤波时间常数可调(0.05、0.5、3或300Hz)、脑电接触阻抗可实时检测等功能。

图4是根据本发明实施例的用于放大脑电信号的方法的流程图，如图4所示，包括如下的步骤S402至步骤S406。

步骤S402，采集大脑的电信号。

步骤S404，过滤所述电信号中的干扰信号，以得到脑电信号，其中控制用于过滤所述电信号中的干扰信号的滤波器的高通滤波时间常数。

步骤S406，放大所述脑电信号。

相关技术中，脑电信号放大器无法满足用户在不同的情况下对脑电精确获取的需求。本发明实施例中，通过提供控制器来控制滤波器的滤波时间常数，丰富了脑电放大功能，满足了用户在不同的情况下对脑电精确获取的需求。

在本发明的一个实施例中，上述脑电信号放大方法还包括：通过控制开关接通不同的接触点来控制高通滤波器的高通滤波时间常数，其中该开关具有多个接触点，每个接触点分别与一个电阻相连接，该每个接触点对应的电阻的阻值不完全相同。本优选实施例通过控制开关接通不同的接触点，可以远程控制滤波器的滤波时间常数，其控制方式简便、高效。并且其中该开关可以具有四个接触点。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种脑电信号放大器，包括：

脑电极，用于采集大脑的电信号；

滤波器，用于过滤所述电信号中的干扰信号，以得到脑电信号；

放大器，用于放大所述脑电信号；以及

控制器，用于控制所述滤波器的滤波时间常数。

2.根据权利要求1所述的脑电信号放大器，还包括：

开关，具有多个接触点，其中每个接触点分别与一个电阻相连接，每个接触点对应的电阻的阻值不完全相同；以及

所述控制器通过控制所述开关接通不同的接触点来控制所述滤波器的滤波时间常数。

3.根据权利要求2所述的脑电信号放大器，其中所述开关具有四个接触点。

4.根据权利要求1所述的脑电信号放大器，其中所述滤波器是高通滤波器。

5.根据权利要求1所述的脑电信号放大器，其中所述控制器还用于控制所述放大器的放大倍数。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的脑电信号放大器，还包括：

脑电接触阻抗检测器，用于检测所述脑电极与头皮之间的脑电接触阻抗；以及

所述控制器还用于控制交流电流信号通过所述脑电极。

7.根据权利要求6所述的脑电信号放大器，其中所述脑电接触阻抗检测器包括：

导联选择器，用于在多个脑电极中选择其中一个脑电极；以及

所述控制器还用于控制所述导联选择器的选择操作。

8.根据权利要求7所述的脑电信号放大器，其中

所述导联选择器具有多个接触点，其中每个接触点分别与所述多个脑电极中的一个脑电极相连接；以及

所述控制器通过控制所述导联选择器接通不同的接触点来控制所述导联选择器的选择操作。

9.一种用于放大脑电信号的方法，包括：

采集大脑的电信号；

过滤所述电信号中的干扰信号，以得到脑电信号；以及

放大所述脑电信号；

其中控制用于过滤所述电信号中的干扰信号的滤波器的滤波时间常数。

10.根据权利要求9所述的方法，其中通过控制开关接通不同的接触点来控制所述滤波器的滤波时间常数；

其中所述开关具有多个接触点，每个接触点分别与一个电阻相连接，每个接触点对应的电阻的阻值不完全相同。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述开关具有四个接触点。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述滤波器是高通滤波器。

13.根据权利要求9所述的方法，还包括：

控制用于放大所述脑电信号的放大器的放大倍数。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，还包括：

控制交流电流信号通过用于采集大脑的电信号的脑电极；以及

检测所述脑电极与头皮之间的脑电接触阻抗。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：

通过导联选择器在多个脑电极中选择其中一个脑电极；以及

通过控制器控制所述导联选择器的选择操作。

16.根据权利要求15所述的方法，其中

所述导联选择器具有多个接触点，其中每个接触点分别与所述多个脑电极中的一个脑电极相连接；以及

所述控制器通过控制所述导联选择器接通不同的接触点来控制所述导联选择器的选择操作。

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