CN103767703A - 便携式无线脑电数据实时采集系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种便携式无线脑电数据实时采集系统，该系统包含：采集电极，其对应设置于被测目标的脑部位置，采集脑电数据；预处理模块，其输入端电路连接采集电极的输出端；采集前端模块，其输入端电路连接预处理模块的输出端；控制发射模块，其输入端电路连接采集前端模块的输出端，其对采集前端模块进行采集控制，并通过无线通信输出采集数据；电源电路，其电路连接采集前端模块和控制发射模块；上位机，其无线连接控制发射模块，发送控制命令并接收脑电采集数据。本发明采用干电极代替湿电极，舒适安全：采用干电极不依赖于导电介质，操作方便，对人体不会造成感染和损伤，具有便携式、低功耗、高精度的特点。

Description

便携式无线脑电数据实时采集系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种生物医学工程，具体涉及一种便携式无线脑电数据实时采集系统及其运行方法。

背景技术

EEG常用于脑部疾病的医疗诊断、脑-机接口（Brain-computer interface，BCI）、游戏系统应用方面，在疲劳驾驶方面也有较多应用。对医学研究的发展和人类生活水平的提高起着非常重要的推动作用。

由于脑电采集设备在前端信号调理电路的设计、数据传输形式的选择有很多种方案，并且在转换精度与功耗等技术上差异，因此现今市面上脑电信号采集装置层出不穷。大部分实用化的脑电采集装置在设计上仍存在一些不足：

1）在采集电极的使用上，传统的采集电极使用的是表面湿电极，它需要配合导电膏使用，导电膏的缺失或蒸干将导致电极的信噪比变差甚至失效，同时还存在着电极准备时间长、连续使用时间短、长期使用损害皮肤等缺点；

2）传统的前端设计都是由分离元器件搭建的，这样一般会带来体积相对较大、功耗比较高不便于携带等缺点；

3）在数据传输形式上，大部分脑电采集系统都采用有线的方式，由于有大量的连接线使得被测人员在进行脑电采集时必须处于处理器旁（手持终端或者PC机），这样会大大的降低脑电采集的灵活性并且会增加系统的总体体积；

4）尽管出现了少数的采集装置具有较小的体积和无线传输特点，但是在数据传输速率、功耗和实时性方面不够好。

发明内容

本发明提供一种便携式无线脑电数据实时采集系统及其运行方法，采用干电极代替传统的表面湿电极，在满足脑电信号相关应用的需要前提下简化脑电信号采集系统的整体结构，减小系统体积和尺寸，在数据传输形式上采用无线传输形式，提高系统数据采集与传输的实时性又保证系统具有极低的功耗。

为实现上述目的，本发明提供一种便携式无线脑电数据实时采集系统，其特点是，该系统包含：

采集电极，其对应设置于被测目标的脑部位置，采集脑电数据；

预处理模块，其输入端电路连接采集电极的输出端；

采集前端模块，其输入端电路连接预处理模块的输出端；

控制发射模块，其输入端电路连接采集前端模块的输出端，其对采集前端模块进行采集控制，并通过无线通信输出采集数据；

电源电路，其电路连接采集前端模块和控制发射模块；

上位机，其无线连接控制发射模块，发送控制命令并接收脑电采集数据。

上述采集电极采用微针式干电极，其包含：

金属电极，其电极尖端接触被测目标脑部对应处的皮肤或直接穿透皮肤角质层；

金属寸板，金属电极并列分布在金属寸板上；

接线端子，其电路连接金属寸板，金属寸板通过接线端子连接后续的系统模块；

上述金属电极与金属寸板外包覆有绝缘聚合物，金属电极的电极尖端伸出绝缘聚合物；

上述金属寸板与接线端子之间的连接部分包覆有固定绝缘硅胶。

上述预处理模块包含二阶无源滤波器，该二阶无源滤波器输出端还通过正接的二极管连接至模拟正工作电压，还通过反接的二极管连接至模拟负工作电压。

上述采集前端模块包含接其输入端的模数转换模块，连接模数转换模块输出端的放大模块，放大模块接采集前端模块输出端。

上述采集前端模块还连接有偏置驱动模块，该偏置驱动模块组成闭环反馈回路。

上述采集前端模块与控制发射模块通过SPI接口通信连接。

上述控制发射模块通过wifi无线访问接入点连接上位机；上位机还通过以太网连接远程主机。

一种上述的便携式无线脑电数据实时采集系统的运行方法，其特点是，该运行方法包含：

采集系统冷启动并完成系统初始化配置后进入应用程序任务；

应用程序任务为进行脑电数据的采集处理与发送；

任务完成后采集系统进入待机状态。

上述脑电数据的采集处理与发送包含：

数据采集线程入口启动，SPI接口初始化，配置采集前端模块；

控制发射模块读取采集前端模块采集的脑电数据；

判断脑电数据有效后对数据进行打包；

通过无线通信发送脑电数据。

在待机状态过程中，通过人工干预再次热启动或系统定时自动进行热启动。

本发明便携式无线脑电数据实时采集系统及其运行方法和现有技术相比，其优点在于，本发明选择使用易于穿戴的干电极，选择干电极作为采集帽，舒适安全：采用干电极不依赖于导电介质，操作方便，对人体不会造成感染和损伤；

本发明在设计时采用的是低功耗的集成芯片，并且使用无线进行数据传输，因此使用者不易受环境制约，设备轻巧、功耗低便于携带；

本发明电路无需过多的外围设备扩展，减小设备体积，降低功耗的同时减小开发成本；

本发明在数据无线发射方面， Wi-Fi传输模块能够达到11M的最高发送速率，一般的平均速率也高达2M，具有高数据传输率。

附图说明

图1为本发明便携式无线脑电数据实时采集系统的实际构造图；

图2为本发明便携式无线脑电数据实时采集系统的结构框图；

图3为本发明便携式无线脑电数据实时采集系统的采集电极的结构示意图；

图4为本发明便携式无线脑电数据实时采集系统的采集电极的等效电路图；

图5为本发明便携式无线脑电数据实时采集系统的预处理模块的电路图；

图6为本发明便携式无线脑电数据实时采集系统的采集前端模块的电路图；

图7为本发明便携式无线脑电数据实时采集系统的偏置驱动模块的电路图；

图8为本发明便携式无线脑电数据实时采集系统的电源电路图；

图9为本发明便携式无线脑电数据实时采集系统的采集前端模块和控制发射模块的连接图；

图10为本发明便携式无线脑电数据实时采集系统的主运行方法流程图；

图11为本发明便携式无线脑电数据实时采集系统的脑电数据的采集处理与发送的流程图；

图12为本发明便携式无线脑电数据实时采集系统的数据封装结构图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1所示，本发明公开一种便携式无线脑电数据实时采集系统的实施例，实际构造图中，无线脑电数据实时采集系统从被测目标处采集脑电模拟数据，通过802.11规则WI-FI无线与本地服务器建立连接，将脑电数据通过局域网内无线访问接入点（AP）发送至局域网内服务器，该局域网内服务器将数据再通过以太网传输至远程电脑（远程主机）。

该便携式无线脑电数据实时采集系统的系统平台是一个网络化的嵌入式系统平台，脑电信号提供者（被测目标）通过佩戴在头上的袖珍生理采集电极获取到模拟脑电信号，经过相关模拟预处理电路后、对信号放大再进行模数（A/D）转换，再通过无线Wi-Fi模块把采集到的数字化数据通过设置的无线AP发送到指定的IP地址上位机（局域网内服务器）上，利用上位机丰富的软硬件资源对接受到的采集数据进行相关的数字算法分析和处理或者利用以太网发送到一个远程主机上进行更进一步的处理，此系统改善了传统脑电采集系统在时间和空间上的局限性，满足了脑电采集所需要的便携式、可移动、低功耗以及实时性等特点。

如图2所示，便携式无线脑电数据实时采集系统具体包含：采集电极1、预处理模块2、采集前端模块3、偏置驱动模块（BIAS Drive）4、控制发射模块5、电源电路6、上位机7、无线访问接入点8。

预处理模块2输入端电路连接采集电极1的输出端。采集前端模块3输入端电路连接预处理模块2的输出端。采集前端模块3中集成有偏置驱动模块4。控制发射模块5输入端电路连接采集前端模块3的输出端，其对采集前端模块3进行采集控制，并通过无线通信输出采集数据。电源电路6电路连接采集前端模块3和控制发射模块5，为系统的该两个模块供电。上位机7通过无线访问接入点（AP）8无线连接控制发射模块5，发送控制命令并接收脑电采集数据。

采集电极1对应设置于被测目标的脑部位置，用于采集脑电数据。针对传统湿电极存在着众多缺点，我们设计出一种使用简单方便的干电极——有源微针阵列干电极，来取代传统湿电极。我们采用金属银作为电极的材料，其形式常采用双极型，并在两电极间插入一个参考电极，以降低噪声，提高对共模信号的抑制能力。我们在设计电极时前端采取钝化处理，因此在与大脑皮层得到充分接触时，不会伤害到被采集者的大脑皮层。在电气隔离上，我们采用信号通路隔离和电源供应隔离，以保护受试者的安全。

如图3所示，采集电极1包含有金属电极11，其电极尖端接触被测目标脑部对应处的皮肤或直接穿透皮肤角质层。若干金属电极11并列分布在金属寸板12上。金属寸板12通过接线端子13连接后续的系统模块。在金属电极11与金属寸板12外包覆有绝缘聚合物14。金属电极11的电极尖端伸出绝缘聚合物14。金属寸板12与接线端子13之间的连接部分包覆有固定绝缘硅胶15。

微针式干电极不需要使用导电膏，与皮肤的界面通常依靠其湿度（如汗水）来维系，这与传统Ag/AgCl湿电极法最大的不同。如图4所示为其等效电路图，电容Zd与电阻Rd来源于电极微针与生发层直接接触产生的电化学界面，Rm为生发层及其下组织的等效电阻。由于接触式干电极等效电路图与传统湿电极等效电阻相比要简单很多，因此接触式干电极总体阻抗小于传统湿电极，并且具有更低的化学噪声。

如图5所示，由于脑电信号频率只有0.5～100Hz，实验分析的有效范围一般在0.5～30Hz。因此每个通道的信号都必须经过预处理电路才能进入转换通道。本发明采集电极1的输出端电路连接有预处理模块2，用于对采集的脑电模拟信号进行预处理，起到高阶低通滤波和滤除大幅度信号和过压保护的作用。预处理模块2包含二阶无源滤波器，二阶无源滤波器包含串联的电阻R51和电阻R52，以及由R51与R52之间通过电容C51模拟接地（AGND），二阶无源滤波器输出端处通过电容C52接模拟地（AGND）。其中电阻R51为59K欧姆，电阻R52为59K欧姆，电容C51为33纳法（uF），电容C52同样为33纳法。二阶无源滤波器输出端连接至预处理模块2的输出端，在二阶无源滤波器输出端处通过正接（二极管正极接二阶无源滤波器）的二极管D51接模拟正工作电压（AVDD），并通过反接（二极管负极接二阶无源滤波器）的二极管D52接模拟负工作电压（AVSS）。

其限幅原理是取二极管的单向导通特性，可通过电压幅值为±700mV；而电路的滤波特性则是采用传统的二阶无源低通滤波电路结构，通过计算可以得到在选取电阻为59K欧姆，电容为33纳法时，可以得到f_H=30.46Hz可以达到有效的通带范围。

如图6所示，采集前端模块3输入端电路连接预处理模块2的输出端。采集前端模块3包含接其输入端的模数转换模块，连接模数转换模块输出端的放大模块，放大模块接采集前端模块3输出端。

本实施例中采集前端模块3采用专门针对EEG信号采集而设计的高端信号采集芯片ADS1299。系统AD转换精度高达24bit，采用差分形式进行输入，共模抑制比高达110dB，且内部集成有了可编程放大器（PGA）再配合ADS1299集成的偏置驱动电路4（BIAS），能够很好地保证系统抗干扰和采集精度要求。

虽然信号经过了外接的前置信号预处理和ADS1299内置的差分电路输入，对共模干扰有较强的抑制能力，但是有些干扰以差分的形式存在，并且在还存在较强的工频干扰，尤其是50/60HZ家用供电干扰。我们可以利用ADS1299内置的偏置驱动模块，加上很少的元器件就可以设计出一个偏置闭环回路。

如图7所示，为偏置驱动模块4的电路原理图，可变电阻Res起到限流保护作用，因为根据NFPA安全标准规定流经人体的最大电流不能超过20??A；容C_F的作用是进行相位补偿，防止放大电路产生自激而失去放大作用；在BIAS AMP运放正参考端为（AVDD+AVSS）/2时，就形成了如上图所示的一个闭环反馈回路，能有效的抑制共模干扰。

如图8所示，为电源电路6的电路原理图，由于系统各个模块的电源要求各不相同，并且考虑到系统的采集精度非常高，采集转换过程中需要的参考电压就要求很高，所以设计了电源电路6，在系统电路中，需要供电的电压有数字电压DVDD：+3.3V、模拟电压正端AVDD：+2.5V、模拟电压负端AVSS：-2.5V。其中DVDD选择的是AMS公司的AMS1117-3.3V电源芯片，它是一个正向低压差电源芯片，输出电压温度稳定性为0.3%，由于该芯片输出电压非常稳定，因此一般只需要连接一个22??F的电容即可；二队系统模拟供电部分，都是采用TI公司的电源芯片，AVDD选取的是TPS72301，而AVSS部分是由TPS60403获得一个-5V电压再输入到TPS72301得到一个2.5V的电压。

这些电源芯片能够很好地满足系统的数模供电要求，在实际使用中我们可直接通过+5V电源对相关电源芯片进行供电。

本实施例中，控制发射模块5采用Gain-Span公司的SoC芯片GS1011。GS1011芯片集成有两个ARM7微处理芯片，一个用于Wi-Fi协议的编解码，另一个用于应用系统，且其具有非常多的外设及接口资源，可以方便的利用其集成的SPI接口控制并与外设进行通信；在数据无线传输方面，能够达到11MBps的最高发送速率，一般的平稳速率也高达3MBps，而其功耗只与zig-bea芯片相当。

如图9所示，为采集前端模块3中ADS1299芯片与控制发射模块5中GS1011芯片的连接示意图。ADS1299芯片的控制、寄存器的配置以及采集的数字化数据都是通过SPI接口完成的。ADS1299数据转换芯片主要是通过四线制SPI接口与外围GS1011控制发射芯片通信的。但是考虑到GS1011的IO资源非常宝贵，所以在对ADS1299进行控制处理时，尽量选取了采用软件指令对其控制的形式。因此这两个模块采用5条连接线：MSPI_CLK、MSPI_DIN、MSPI_DOUT、CS、DRDY。

其中配置GS1011的25号端口即I2C_CLK/GPIO9为通用IO口功能，然后再与ADS1299的SPI片选段CS进行连接；相应的26号端口即I2CDATA/GPIO8同样通过配置函数配置成通用IO端口作为单词采集好的的中端信号输入口，然后与ADS1299的DRDY管脚相连接。余下的三个端口链接为SPI数据通信的输入端口、输出端口、时钟端口，连接方式是MSPI_CLK——SCLK、MSPI_DIN——DIN、MSPI_DOUT——DOUT。

控制发射模块5通过SPI接口与采集前端模块3连接通信，接收脑电信息，通过WIFI远程发送至上位机。

上位机为使用Visual C++6.0编写的PC，用于人机交互，用来发送控制命令和显示并保存采集到的脑电数据。

上位机在VC6.0的环境下开发，选好通信方式，通信协议，用Socket网络通信编程，把采集的脑电数据发送给作为服务器一端的电脑，这台电脑与无线AP连接上之后就能在互联网上传数据了。该通信方式提供了连接的三个参数：通信协议（TCP/IP）、IP地址、端口号（一般大于1024），Socket特别适合点对点、Client/Server的通信模式。

如图10所示，本发明还公开一种适用于便携式无线脑电数据实时采集系统的总运行方法，该运行方法总体包含：采集系统冷启动并完成系统初始化配置后进入应用程序任务；应用程序任务为进行脑电数据的采集处理与发送；任务完成后采集系统进入待机状态。

运行方法具体如下：

当采集系统冷启动，开启低功耗时钟、高频时钟、模数转换器、初始化配置，中断控制器、系统控制器、看门狗时钟初始化，创建应用线程（应用程序任务为进行脑电数据的采集处理与发送），在进入应用线程时也开启操作系统内核，初始化主机接口硬件邮箱mail box，初始化任务监测、注册和开启，初始化核心（core）组件WLAN系统（WLAN SYS），注册启动指示回调函数，开始监听邮箱mail box，然后等待启动指示，当收到启动之时进行处理，判断启动原因若是正常操作则继续，判断是否要关联若是，则关联一个指定的AP，关联成功后分别进行：系统时间同步（time sync）；发送keep-alive或linkup trap消息；系统参数配置；开始用户应用任务，系统时间同步完成后调度下次唤醒时间；发送keep-alive或linkup trap消息后调度下次唤醒时间；系统参数配置调度下次配置时间；开始用户应用任务后调度下次运行时间。完成后把状态信息存储到时钟存储器RTC RAM中准备待机，开启唤醒时钟报警端口活动并进入待机。在待机状态过程中，可通过人工干预再次热启动或系统定时自动进行热启动。

从图10可以看出，系统的启动与处理过程相对比较复杂，有冷启动和热启动之分。采集系统在每次冷启动并完成系统相关配置后会进入应用程序任务。当任务完成后系统会进到待机状态。在待机状态过程中，可以人工干预再次启动也可以由软件中的定时器自动回复进行热启动。系统启动过程中的第一个需要处理的消息就是系统启动消息，根据系统的启动消息进行相应的配置和初始化工作。在完成相关的系统初始化后，就会进入系统应用程序任务的创建，这是系统创建的第一个线程，对这个线程的调度运行是在操作系统内核启动以后开始的。 

在完成系统和外设的初始化后，内核开始工作，对系统消息和用户消息进行处理调度。系统会进入到循环消息处理，这时应用线程就能够从消息邮箱Mail-Box中获取系统所投递的消息来执行相关的工作。消息循环处理过程最主要的任务就是数据的采集处理与发送，其执行流程图如下：

如图11所示，脑电数据的采集处理与发送包含：数据采集线程入口启动；系统IO端口初始化；SPI接口初始化；配置采集前端模块ADS1299。

开启系统中断，判断中断标志是否为1，若是则关闭系统中断，若否则继续判断。

关闭系统中断后控制发射模块读取采集前端模块采集的脑电数据。

判断脑电数据有效后对数据进行打包；并通过无线WIFI通信发送脑电数据。

当中断标志为0，则开启系统中断，并实时判断中断标志是否为1，循环进行。

在完成数据采集后我们需要对数据进行封装打包使用Wi-Fi发送到上位机界面显示或保存起来。这里我们使用UDP的方式进行数据发送。我们采用扩展数据包格式（EDPF）来封装采集数据，EDPF格式具有简单、易扩展、前向兼容等特点。EDPF格式各数据与格式如图12所示。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种便携式无线脑电数据实时采集系统，其特征在于，该系统包含：

采集电极（1），其对应设置于被测目标的脑部位置，采集脑电数据；

预处理模块（2），其输入端电路连接所述采集电极（1）的输出端；

采集前端模块（3），其输入端电路连接所述预处理模块（2）的输出端；

控制发射模块（5），其输入端电路连接所述采集前端模块（3）的输出端，其对采集前端模块（3）进行采集控制，并通过无线通信输出采集数据；

电源电路（6），其电路连接所述的采集前端模块（3）和控制发射模块（5）；

上位机（7），其无线连接所述的控制发射模块（5），发送控制命令并接收脑电采集数据。

2.如权利要求1所述的便携式无线脑电数据实时采集系统，其特征在于，所述采集电极（1）采用微针式干电极，其包含：

金属电极（11），其电极尖端接触被测目标脑部对应处的皮肤或直接穿透皮肤角质层；

金属寸板（12），所述金属电极（11）并列分布在金属寸板（12）上；

接线端子（13），其电路连接金属寸板（12），金属寸板（12）通过接线端子（13）连接后续的系统模块；

所述金属电极（11）与金属寸板（12）外包覆有绝缘聚合物，金属电极（11）的电极尖端伸出绝缘聚合物；

所述金属寸板（12）与接线端子（13）之间的连接部分包覆有固定绝缘硅胶。

3.如权利要求1所述的便携式无线脑电数据实时采集系统，其特征在于，所述预处理模块（2）包含二阶无源滤波器，该二阶无源滤波器输出端还通过正接的二极管连接至模拟正工作电压，还通过反接的二极管连接至模拟负工作电压。

4.如权利要求1所述的便携式无线脑电数据实时采集系统，其特征在于，所述采集前端模块（3）包含接其输入端的模数转换模块，连接模数转换模块输出端的放大模块，放大模块接采集前端模块（3）输出端。

5.如权利要求1所述的便携式无线脑电数据实时采集系统，其特征在于，所述采集前端模块（3）还连接有偏置驱动模块（4），该偏置驱动模块（4）组成闭环反馈回路。

6.如权利要求1所述的便携式无线脑电数据实时采集系统，其特征在于，所述采集前端模块（3）与控制发射模块（5）通过SPI接口通信连接。

7.如权利要求1所述的便携式无线脑电数据实时采集系统，其特征在于，所述控制发射模块（5）通过wifi无线访问接入点连接上位机（7）；上位机（7）还通过以太网连接远程主机。

8.一种如权利要求1至7中任意一项权利要求所述的便携式无线脑电数据实时采集系统的运行方法，其特征在于，该运行方法包含：

采集系统冷启动并完成系统初始化配置后进入应用程序任务；

应用程序任务为进行脑电数据的采集处理与发送；

任务完成后采集系统进入待机状态。

9.如权利要求8所述的运行方法，其特征在于，所述脑电数据的采集处理与发送包含：

数据采集线程入口启动，SPI接口初始化，配置采集前端模块；

控制发射模块读取采集前端模块采集的脑电数据；

判断脑电数据有效后对数据进行打包；

通过无线通信发送脑电数据。

10.如权利要求8所述的运行方法，其特征在于，在待机状态过程中，通过人工干预再次热启动或系统定时自动进行热启动。

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