CN105982665A

CN105982665A - 一种从人耳耳道采集脑电波信号的方法

Info

Publication number: CN105982665A
Application number: CN201510075994.8A
Authority: CN
Inventors: 魏建明; 戚攀; 李彦海; 马皛源; 张富平; 李丹
Original assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Current assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2016-10-05

Abstract

本发明提供一种从人耳耳道采集脑电波信号的方法，包括以下步骤：步骤S1、从人耳耳道采集耳电波信号；步骤S2、对采集到的耳电波信号进行低通滤波和限幅处理；步骤S3、对处理后的信号进行放大、去共模处理，并转换为耳电波数字信号；步骤S4、将所述耳电波数字信号转换为脑电波信号。本发明的从人耳耳道采集脑电波信号的方法通过一个设置在耳内的耳内采集电极获取人体的脑电波信号，能够在多种环境下实现脑电波的采集；操作方便，适于长期舒适穿戴。

Description

一种从人耳耳道采集脑电波信号的方法

技术领域

本发明涉及生物信息的技术领域，特别是涉及一种从人耳耳道采集脑电波信号的方法。

背景技术

在医疗上，采集人体的脑电波可作为脑疾的诊断手段，也可以作为大脑或心理疾病治疗康复期间的长期辅助或者用于残疾人自助控制假肢。在军事上，采集人体的脑电波可以实时分析士兵在战场中的大脑精神状态，为战场指挥提供预警等辅助信息。另外，在儿童脑力训练、运动员训练、特定岗位人员疲劳监测、电子游戏、设备控制等各方面，脑电波也有很广泛的应用。因此，如何采集脑电波成为一个重要的课题。

现有技术中，进行脑电波采集时，基本上都是直接从头皮上采集信号。由于头皮角质层导致电极接入阻抗非常大，加上脑电信号非常微弱，只有几十微安量级且受到很大的工频共模干扰，所以需要对信号进行放大(一般为20000到60000倍)和滤波(除去工频干扰)处理，使得信号可以被转换为数字量，能够在进一步处理后获得脑电波信号。

因此，现有的脑电波采集方法具有以下缺陷：

(1)操作非常复杂，需要用导电凝胶把众多电极固定在头皮上，电极的摆放、电极阻抗的检查都需要经过训练的专业人员进行；

(2)导电凝胶容易干燥失去导电能力，使得长时间采集变得不易；

(3)每次采集前后都需要清洁头部，带来很多不便；

(4)分离式器件搭建的前端电路使得现有的脑电波采集设备大都体积笨重，接入电极的导线极长，不易携带；

(5)脑电波的采集被限制在特定的环境下，比如住院病人的监测或者实验室研究。

另外，目前也有一些简易的脑电波采集方法出现，都是通过使用干电极并减少电极数量来实现。然而，上述便携式脑电波采集方法仍然直接在头皮上采集信号，基本原理与传统脑电波采集方法相同，同样存在不适合长期舒适穿戴、不美观的缺陷，且由于日常行动会使得电极移动导致接入阻抗变化，使得测量不够准确。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种从人耳耳道采集脑电波信号的方法，采用在人耳耳内采集脑电波信号的方式代替传统的直接在在头皮上采集脑电波信号的方式，在满足脑电波信号相关应用需要的前提下，适用于多种环境。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种从人耳耳道采集脑电波信号的方法，包括以下步骤：步骤S1、从人耳耳道采集耳电波信号；步骤S2、对采集到的耳电波信号进行低通滤波和限幅处理；步骤S3、对处理后的信号进行放大、去共模处理，并转换为耳电波数字信号；步骤S4、将所述耳电波数字信号转换为脑电波信号。

根据上述的从人耳耳道采集脑电波信号的方法，其中：所述步骤S1中，通过设置在耳内的耳内采集电极采集耳电波信号。

进一步地，根据上述的从人耳耳道采集脑电波信号的方法，其中：所述耳内采集电极包括三个电极，其中两个电极用来提取差分生理电信号，另一个电极作为参考电极用于后续去除共模干扰。

根据上述的从人耳耳道采集脑电波信号的方法，其中：所述步骤S2中，通过预处理电路对采集到的耳电波信号进行低通滤波和限幅处理；所述预处理电路包括相连的二阶无源低通滤波器和限幅电路。

根据上述的从人耳耳道采集脑电波信号的方法，其中：所述步骤S3中，通过模数转换放大电路对处理后的信号进行放大、去共模处理，并转换为耳电波数字信号。

根据上述的从人耳耳道采集脑电波信号的方法，其中：所述步骤S4中，通过处理器将所述耳电波数字信号转换为脑电波信号。

进一步地，根据上述的从人耳耳道采集脑电波信号的方法，其中：所述处理器采用DSP。

如上所述，本发明的从人耳耳道采集脑电波信号的方法，具有以下有益效果：

(1)通过一个设置在耳内的耳内采集电极获取人体的脑电波信号，能够在多种环境下实现脑电波的采集；

(2)操作方便，适于长期舒适穿戴。

附图说明

图1显示为本发明的从人耳耳道采集脑电波信号的方法的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

参照图1，本发明的从人耳耳道采集脑电波信号的方法包括以下步骤：

步骤S1、从人耳耳道采集耳电波信号。

具体地，通过设置在耳内的耳内采集电极采集耳电波信号。耳内采集电极包括三个电极，其中两个电极用来提取差分生理电信号，另一个电极作为参考电极用于后续去除共模干扰。在可能的情况下，应使得三个电极的距离尽量大，这样可以采集到更好的耳电波信号。

步骤S2、对采集到的耳电波信号进行低通滤波和限幅处理。

具体地，通过预处理电路对采集到的耳电波信号进行低通滤波和限幅处理。预处理电路包括相连的二阶无源低通滤波器和限幅电路，分别完成对耳电波信号的低通滤波及限幅处理。由于生理电信号的频率在10到30Hz之间，所以低通滤波器的截止频率可以设计为稍大于30Hz。经过预处理电路后，信号被滤除高频成分，是耳电波信号和共模干扰的混合信号。

步骤S3、对处理后的信号进行放大、去共模处理，并转换为耳电波数字信号。

具体地，通过模数转换放大电路对处理后的信号进行放大、去共模处理，并转换为耳电波数字信号。信号的放大、去共模干扰以及模数转换都可以基于一块专用的模数转换器芯片ADS1299完成。ADS1299在采样频率不超过8kHz时模/数转换精度达到24位，再结合其集成的具有高共模抑制比的差分输入可编程增益放大器，在参考电压为4.5V的情况下分辨率最小可以达到0.0536微安；搭配其内置的偏置驱动放大器只要外接简单的电路就可以完成连接参考电极的的偏置驱动电路，可以有效去除共模干扰。经过ADS1299处理之后输出的是没有噪声或噪声很小的耳电波的数字信号。

步骤S4、将耳电波数字信号转换为脑电波信号。

脑电波是由所有大脑神经元放电产生的一种总的生理电现象。事实上，即使是传统的在头皮上采集信号的电极采集到的信号相互之间也是不一样的，遵循的基本关系是，两个电极之间的距离越远那么采集到的信号一致性越差。这是因为大脑产生的电信号经过体液、皮肤传导的过程中一直在衰减同时也收到其它干扰。研究发现人耳道采集到的电信号与从人头部颞区采集的电信号极其相似，可以通过算法完成两种信号之间的转换。只是由于衰减的路径比较长，所以耳电波的幅度比大部分头皮电极采集到的信号要小不少。基于上述情况，首先采用数字陷波器去掉工频干扰。然后，检测脑电波中是否存在棘波。由于耳电波衰减比较严重，信号幅度小，棘波没有头皮上采集到的信号那么明显，需要选择合适的阈值针对特定的功能要求对耳电波的幅度和频率进行修改处理，把棘波明显的体现出来。比如如果考虑耳电波的衰减之后，发现其幅度在一段时间内多次达到棘波的级别，就可以预测棘波是存在的，可以对耳电波修改处理。

本发明中，根据上述原理，通过处理器将耳电波数字信号转换为脑电波信号。优选地，处理器采用处理速度更快的DSP。DSP连接在ADS1299的SPI接口输出端，将耳电波数字信号转换为脑电波信号。需要说明的是，处理器最后输出的是脑电波信号可以是数字信号，也可以是模拟信号。

综上所述，本发明的从人耳耳道采集脑电波信号的方法通过一个设置在耳内的耳内采集电极获取人体的脑电波信号，能够在多种环境下实现脑电波的采集；操作方便，适于长期舒适穿戴。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种从人耳耳道采集脑电波信号的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1、从人耳耳道采集耳电波信号；

步骤S2、对采集到的耳电波信号进行低通滤波和限幅处理；

步骤S3、对处理后的信号进行放大、去共模处理，并转换为耳电波数字信号；

步骤S4、将所述耳电波数字信号转换为脑电波信号。

2.根据权利要求1所述的从人耳耳道采集脑电波信号的方法，其特征在于：所述步骤S1中，通过设置在耳内的耳内采集电极采集耳电波信号。

3.根据权利要求2所述的从人耳耳道采集脑电波信号的方法，其特征在于：所述耳内采集电极包括三个电极，其中两个电极用来提取差分生理电信号，另一个电极作为参考电极用于后续去除共模干扰。

4.根据权利要求1所述的从人耳耳道采集脑电波信号的方法，其特征在于：所述步骤S2中，通过预处理电路对采集到的耳电波信号进行低通滤波和限幅处理；所述预处理电路包括相连的二阶无源低通滤波器和限幅电路。

5.根据权利要求1所述的从人耳耳道采集脑电波信号的方法，其特征在于：所述步骤S3中，通过模数转换放大电路对处理后的信号进行放大、去共模处理，并转换为耳电波数字信号。

6.根据权利要求1所述的从人耳耳道采集脑电波信号的方法，其特征在于：所述步骤S4中，通过处理器将所述耳电波数字信号转换为脑电波信号。

7.根据权利要求6所述的从人耳耳道采集脑电波信号的方法，其特征在于：所述处理器采用DSP。