CN104644165A - 一种佩戴式的脑电采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种佩戴式的脑电采集装置，当佩戴在用户的头部后，通过装置上的表面电极提取用户的脑电信号，再将提取的脑电信号输入到双通道模拟前端，并依次经过滤波、放大、以及模数转换，得到数字化的脑电信号并输入到无线收发器，无线收发器对数字化的脑电信号进行打包处理，并通过内置的射频天线发送给终端设备。在具体的处理过程中，无线收发器的内核又对量化信号进行处理并实时反馈给模拟前端，调整设备工作状态，保证了高效率、低功耗地实现脑电信号的采集和传输。

Description

一种佩戴式的脑电采集装置

技术领域

本发明属于脑电信号采集技术领域，更为具体地讲，涉及一种佩戴式的脑电采集装置。

背景技术

随着智能化技术的不断发展，脑机接口正在从科幻电影的银幕走向寻常人的生活。人们通过视觉刺激或者意念想象便能发出指令，实现操作游戏，控制家中电器，甚至于驾驶汽车。在此背景下，基于脑电图(EEG)的脑机接口技术(BCI)逐渐成为了学术研究和产业开发界的热门，获得了全球范围越来越多的关注。

国外脑电采集设备已发展多年，经过了多代更迭，技术较为成熟。美国Neurosky推出的TGAM芯片可以实现单通道的脑电信号采集，并输出原始脑电数据和其特有专利算法得到的专注度和放松度。

国内穿戴式脑电采集设备尚处起步阶段。目前脑电采集设备一般由多通道电极、前置滤波器、前置放大器、抗混叠滤波器、50Hz陷波器、ADC、数字信号处理器(DSP)和显示设备构成。多通道电极一般为按照国际10-20标准分布电极的电极帽，通过电极帽表面电极得到的脑电信号的幅值量级为uV级，频谱分布在0～30Hz的低频区间内。其中，频率范围为8～13Hz的Alpha节律，呈正弦形，在人处于安静或闭眼时出现最多。频率范围为14～20Hz的Beta节律，一般认为是大脑皮层紧张状态时脑电活动的主要表现，在中枢神经系统强烈活动或紧张时出现。很容易受到空间高频电磁干扰和50Hz的工频干扰。为了提高信号信噪比，原始信号需经过前置低通滤波器滤除带外高频的电磁噪声。由于50Hz工频噪声与我们的有用信号频谱重叠，故需经过50Hz陷波器去除脑电信号中的工频干扰，这样将损失掉50Hz及其附近的有用信号。其次。滤波后的信号幅值和信噪比都还较小，不能有效利用ADC的量化位数。

基于上述已有的脑电采集设备，虽然可以保证数据的准确性和完整性，并可提供所有通道的脑电数据，但任然存在如下缺点：

(1)、系统自身电路结构比较复杂，系统体积过大，成本较高；

(2)、采用的有线连接十分不便，不适用于在人体运动状态下的脑电采集和非实验室环境下的使用，且连接的要求较高；

(3)、整个系统功耗相对较高，需要使用外接直流电源进行供电；

(4)、系统处理数据能力和传输数据功能较弱，无法实现数据的实时读取和实时传输。

因此，这些弊端严重掣肘了脑机接口设备的穿戴化和商品化应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种佩戴式的脑电采集装置，通过佩戴的方式采集脑电信号并对其处理，保证了高效率、低功耗地实现脑电信号的采集和传输。

为实现上述发明目的，本发明一种佩戴式的脑电采集装置，该装置为发夹状结构的金属框架，其特征在于，所述的金属框架中还包括：

一对表面电极和一参考电极，通过卡扣和胶粘的方式将表面电极固定在金属框架上，其位置可调，表面电极在大脑对应位置的分布满足国际标准导联10-20系统C3和C4区域；参考电极采用耳夹式，分布在国际标准导联10-20系统A1或A2区域；

脑电信号采集时，以参考电极处的点位为基准，2个表面电极通过与脑部的接触，获取脑电信号，并发送给双通道模拟前端；

一双通道模拟前端，包括EMI滤波器、前置放大器和模数转换器；用于接收表面电极采集的脑电信号，并将该信号进行处理，再发送给无线收发器；

双通道模拟前端接收到脑电信号后，先通过EMI滤波器滤除带外频率较高的电磁噪声，滤波后的脑电信号经过前置放大器放大后，输入到模数转换器(ADC)，模数转换器再结合动态采样率对脑电信号进行量化，实时输出24位数字化的脑电信号，并发送给无线收发器；

一无线收发器，包括射频天线和Cortre-M3处理内核，与双通道模拟前端相连；

无线收发器接收到24位数字化的脑电信号后，先通过Cortre-M3处理内核将数字化的脑电信号打包成数据包，再通过射频天线将数据包转发。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种佩戴式的脑电采集装置，当佩戴在用户的头部后，通过装置上的表面电极提取用户的脑电信号，再将提取的脑电信号输入到双通道模拟前端，并依次经过滤波、放大、以及模数转换，得到数字化的脑电信号并输入到无线收发器，无线收发器对数字化的脑电信号进行打包处理，并通过内置的射频天线发送给终端设备。在具体的处理过程中，无线收发器的内核又对量化信号进行处理并实时反馈给模拟前端，调整设备工作状态，保证了高效率、低功耗地实现脑电信号的采集和传输。

同时，本发明一种佩戴式的脑电采集装置还具有以下有益效果：

(1)、通过优化电路结构和机械结构，在较小的体积内集成了表面电极、模拟前端和无线收发器，精简了部分脑电信号通道。在电路层面对模拟信号和数字信号实现了分立，减小两者之间的相互干扰。相较于传统多通道脑电采集仪器，在微型化和穿戴化方面取得了突破。

(2)、通过软件算法的实时调整，这样能动态调节系统的运行状态，与同类设备相比，具有更好的性能和更低的功耗，保证信号质量，提高设备效率，因而设备可以采用电池供电并适宜长时间佩戴。

附图说明

图1是本发明佩戴式的脑电采集装置的结构图；

图2是数据包的格式图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明佩戴式的脑电采集装置的结构图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种佩戴式的脑电采集装置，该装置为发夹状结构的金属框架，金属框架的长度设计为可调，可根据不同头部轮廓调整金属框架的大小，适应不同人的佩戴，在金属框架中还包括：

一对表面电极和一参考电极，通过卡扣和胶粘的方式将表面电极固定在金属框架上，其位置可调，具体方法是：先用粘胶将表面电极固定，再通过卡扣锁死；表面电极在大脑对应位置的分布满足国际标准导联10-20系统C3和C4区域；参考电极采用耳夹式，分布在国际标准导联10-20系统A1或A2区域；

根据具体使用环境，可安装干电极或湿电极；电极的贴合良好程度可以通过电极上的指示灯实时显示，方便佩戴者对电极进行调整。在本实施例中，采用的是干电极。

脑电信号采集时，以参考电极处的点位为基准，2个表面电极通过与脑部的接触，获取脑电信号(EEG)，并发送给双通道模拟前端；

一双通道模拟前端，包括EMI滤波器、前置放大器和模数转换器；用于接收表面电极采集的脑电信号，并将该信号进行处理，再发送给无线收发器；

在本实施例中，双通道模拟前端的型号采用ADS1292；

ADS1292接收到脑电信号后，先通过EMI滤波器滤除带外频率较高的电磁噪声，消除了高频电磁带来的干扰，然后再经过前置放大器放大，在本实施例中，前置放大器的增益为18dB；再输入到模数转换器(ADC)，模数转换器再结合动态采样率对脑电信号进行量化，实时输出24位数字化的脑电信号，并发送给无线收发器；

在本实施例中，ADC的量化采样率可以从125SPS到8000SPS进行配置；根据奈奎斯特采样定理，最低采样率需达到脑电信号分量中最高频率两倍才能完整覆盖脑电信号频谱而不产生频谱混叠。

其次，高采样率也意味着高数据率，功耗也随之增加，因此，利用模拟前端的电极检测功能，当模拟前端检测到电极接触不良好时，主动降低ADC采样率至最低。当表面电极接触良好时，采样率恢复至正常水平。

对脑电信号进行频谱分析，当信号中Beta节律较低时，说明人思维处于一个较为平静随意的状态，此时也将ADC的采样率降至最低125SPS。当检测到Beta节律处于较高水平时，ADC的采样率也相应提高至正常水平250SPS。通过动态改变ADC的采样率，在保证信号分辨率的前提下降低了数据率，减少传输数据量，降低ADC自身功耗。

下面对动态采样率的获取方法进行具体说明，如下：

通过快速傅里叶变换(FFT)，可以得到脑电信号的频谱，再根据频率分辨率Δf与采样率f_s和采样点数N的关系

$\mathrm{\Δf}=\frac{f_s}{N}$

其中，f_s＝125Hz；

当采样点数N选取为128点时，则FFT即可达到频率分辨率达到1Hz。此时对脑电信号频谱中Beta节律信号进行功率谱估计；

$P_{\mathrm{\Σ}}=\frac{1}{N}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\left|X\left(k\right)\right|}^2=\frac{1}{N}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\left|\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\π}\frac{k}{N}n}\right|}^2$

其中，量化后的脑电信号为x(n),x(n)的离散傅里叶变换(DFT)为X(k)，Beta节律信号的频率范围为：f_s＝125Hz，n,k∈{0,1,2,...,127}；

根据人个体差异，不同人体对应不同的阈值，通过测试得到较为适合的阈值；在本实施例中，阈值λ＝3.1*10⁸；当P_Σ高于阈值λ＝3.1*10⁸时，ADC的采样率提高至正常水平250SPS；当P_Σ低于阈值λ＝3.1*10⁸时，ADC采样率降至最低125SPS。

一无线收发器，包括射频天线和Cortre-M3处理内核，与双通道模拟前端相连；在本实施例中，无线收发器采用的型号为STM32W108；

STM32W108接收到24位数字化的脑电信号后，先通过Cortre-M3处理内核将数字化的脑电信号打包成数据包，再通过射频天线将数据包转发。

其中，如图2所示，数据包的格式包括：数据包头、数据包体和数据包尾，共9个字节；

其中，数据包头和数据包尾均用于数据传输的同步。数据包头由2个8位数据同步标志0xFF构成，数据包尾由2个8位数据同步标志0xEE构成。

数据包体包括5个字节，其中，第1个字节为数据信息位，第2～4个字节为数据位，用于携带脑电信号，第5个字节为校验位，用于数据包的校验。

其中，校验位使用校验算法增加数据的冗余度，对有效数据进行校验，避免数据传输时出现缺失和错误，其具体方法为：

在发送时，计算校验位的校验值check，计算方式为：

$\mathrm{check}=\mathrm{datainf}\⊕\mathrm{data}1\⊕\mathrm{data}2\⊕\mathrm{data}3$

其中，datainf为数据信息位，data1、data2和data3为数据包体中的数据位；

接收时，以相同方式计算接收到的数据包校验位的校验值check，并与该数据包中接收得到校验值比对，比对结果相同，则接受该数据；比对结果不同，则舍弃该数据。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种佩戴式的脑电采集装置，该装置为发夹状结构的金属框架，其特征在于，所述的金属框架中还包括：

一对表面电极和一对参考电极，通过卡扣或胶粘的方式将表面电极固定在金属框架上，其位置可调，表面电极在大脑对应位置的分布满足国际标准导联10-20系统C3和C4区域；参考电极采用耳夹式，分布在国际标准导联10-20系统A1或A2区域；

脑电信号采集时，以参考电极处的点位为基准，2个表面电极通过与脑部的接触，获取脑电信号，并发送给双通道模拟前端；

一双通道模拟前端，包括EMI滤波器、前置放大器和模数转换器；用于接收表面电极采集的脑电信号，并将该信号进行处理，再发送给无线收发器；

双通道模拟前端接收到脑电信号后，先通过EMI滤波器滤除带外频率较高的电磁噪声，滤波后的脑电信号经过前置放大器放大后，输入到模数转换器(ADC)，模数转换器再结合动态采样率对脑电信号进行量化，实时输出24位数字化的脑电信号，并发送给无线收发器；

一无线收发器，包括射频天线和Cortre-M3处理内核，与双通道模拟前端相连；

无线收发器接收到24位数字化的脑电信号后，先通过Cortre-M3处理内核将数字化的脑电信号打包成数据包，再通过射频天线将数据包转发。

2.根据权利要求1所述的脑电采集装置，其特征在于，所述的双通道模拟前端中，动态采样率的获取方法为：

利用快速傅里叶变换(FFT)得到脑电信号的频谱，再对脑电信号频谱中Beta节律信号进行功率谱估计；

$P_{\mathrm{\Σ}}=\frac{1}{N}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\left|X\left(k\right)\right|}^2=\frac{1}{N}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\left|\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\π}\frac{k}{N}n}\right|}^2$

其中，量化后的脑电信号为x(n),x(n)的离散傅里叶变换(DFT)为X(k)，f_s＝125Hz，n,k∈{0,1,2,…,N}；

λ为预先训练受试者得到阈值，当P_Σ高于λ时，提高ADC的采样率；当P_Σ低于阈值时，降低ADC采样率。

3.根据权利要求1所述的脑电采集装置，其特征在于，所述的无线收发器中，Cortre-M3处理内核将脑电信号打包成数据包的格式为：数据包头、数据包体和数据包尾；

所述的数据包头和包尾均为2个8位的数据同步字节；所述的数据包体包括5个字节，其中，第1个字节为数据信息位，第2～4个字节为数据位，用于携带脑电信号，第5个字节为校验位，用于数据包的校验。

4.根据权利要求3所述的脑电采集装置，其特征在于，所述的数据包体中，通过校验位进行校验的方法为：

在发送时，计算校验位的校验值check，计算方式为：

$\mathrm{check}=\mathrm{datainf}\⊕\mathrm{data}1\⊕\mathrm{data}2\⊕\mathrm{data}3$

其中，datainf为数据信息位，data1、data2和data3为数据包体中的数据位；

在接收时，以相同方式计算接收到的数据包校验位的校验值check，并与该数据包中接收得到校验值比对，如果比对结果相同，则接受该数据；如果比对结果不同，则舍弃该数据。