CN105982666A - 耳戴式脑电波采集系统 - Google Patents

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魏建明
戚攀
李彦海
马皛源
张富平
李丹
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Shanghai Advanced Research Institute of CAS
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Abstract

本发明提供一种耳戴式脑电波采集系统，包括耳内采集电极、预处理电路、模数转换放大电路和处理器；所述耳内采集电极，固定在被测目标耳内，用于采集耳电波信号；所述预处理电路与所述耳内采集电极相连，用于对所述耳内采集电极采集到的信号进行低通滤波和限幅处理；所述模数转换放大电路与所述预处理电路相连，用于对预处理电路输出的信号进行模数转换和放大；所述处理器与所述模数转换放大电路相连，用于将所述模数转换放大电路传送来的信号转换为脑电波信号。本发明的耳戴式脑电波采集系统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，使脑电波采集设备可以长期舒适穿戴，能够在多种环境下实现多种不同的应用，且操作方便。

Description

耳戴式脑电波采集系统
技术领域
本发明涉及生物信息的技术领域，特别是涉及一种耳戴式脑电波采集系统。
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，脑电波的采集成为一个重要的课题。
现有技术中的脑电波采集设备基本上都是直接从头皮上采集信号，基本结构如图1所示。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，所以需要专门设计的前端放大滤波电路对信号进行放大(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，能够被处理器进一步处理。
然而，现有的脑电波采集设备具有以下缺陷：
(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)脑电波采集设备的应用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，目前也有一些便携式脑电波采集设备出现，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设备仍然直接在头皮上采集信号，基本原理与传统脑电波采集设备相同，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耳戴式脑电波采集系统，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简化脑电采集系统的整体结构，减小系统尺寸和体积，降低功耗，便于长期舒适穿戴。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种耳戴式脑电波采集系统，包括耳内采集电极、预处理电路、模数转换放大电路和处理器；所述耳内采集电极，固定在被测目标耳内，用于采集耳电波信号；所述预处理电路与所述耳内采集电极相连，用于对所述耳内采集电极采集到的信号进行低通滤波和限幅处理；所述模数转换放大电路与所述预处理电路相连，用于对预处理电路输出的信号的进行模数转换和放大；所述处理器与所述模数转换放大电路相连，用于将所述模数转换放大电路传送来的信号转换为脑电波信号。
根据上述的耳戴式脑电波采集系统，其中：所述耳内采集电极采用容性耦合非接触式电极。
进一步地，根据上述的耳戴式脑电波采集系统，其中：所述容性耦合非接触式电极包含金属电极和绝缘层；所述绝缘层为一层超薄聚酰亚胺胶布，所述超薄聚酰亚胺胶布设置在所述金属电极表面。
根据上述的耳戴式脑电波采集系统，其中：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。
进一步地，根据上述的耳戴式脑电波采集系统，其中：所述限幅电路包括两个并联的二极管，且一个二极管的正极与另一个二极管的负极在一端相连。
根据上述的耳戴式脑电波采集系统，其中：所述模数转换放大电路包括模数转换芯片与放大器。
根据上述的耳戴式脑电波采集系统，其中：所述处理器采用DSP。
如上所述，本发明的耳戴式脑电波采集系统，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，使脑电波采集设备可以长期舒适穿戴，能够在多种环境下实现多种不同的应用；
(2)操作方便，便于携带。
附图说明
图1显示为现有技术中的脑电波采集系统的结构示意图；
图2显示为本发明的耳戴式脑电波采集系统的结构示意图；
图3显示为本发明中容性耦合非接触式电极的结构示意图；
图4显示为本发明中预处理电路的结构示意图；
图5显示为本发明中模数转换电路与处理器的连接电路示意图。
元件标号说明
1 耳内采集电极
2 预处理电路
3 模数转换放大电路
4 处理器
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2，本发明的耳戴式脑电波采集系统包括耳内采集电极1、预处理电路2、模数转换放大电路3和处理器4。
耳内采集电极1，固定在被测目标耳内，用于采集耳电波信号。
参照图3，本发明中的耳内采集电极采用容性耦合非接触式电极，包含金属电极和绝缘层。通过金属电极、绝缘层和耳道皮肤构成的等效电容来取得耳内皮肤表面变化的生理电信号。其中，绝缘层为一层超薄聚酰亚胺胶布，该超薄聚酰亚胺胶布设置在金属电极表面。
预处理电路2与耳内采集电极1相连，用于对耳内采集电极1采集到的信号进行低通滤波和限幅处理。具体地，预处理电路2的输入端与耳内采集电极的输出端相连。
参照图4，预处理电路包括相连的二阶无源低通滤波器和限幅电路。其中，限幅电路包括两个并联的二极管，且一个二极管的正极与另一个二极管的负极在一端相连。
模数转换放大电路3，与预处理电路2相连，用于对预处理电路2输出的信号的进行模数转换和放大。具体地，模数转换放大电路3的输入端与预处理电路的输出端相连。
其中，模数转换放大电路包括模数转换芯片与放大器。
在本发明的一个优选实施例中，模数转换放大电路采用德州仪器的模数转换芯片ADS1299，以及由ADS1299内置偏置驱动放大器构成的偏置驱动电路。ADS1299通过SPI接口与处理器通信。该偏置驱动电路可以有效去除共模干扰。
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。因此可以在前端设计的模拟侧只保留抗混滤波电路(低通滤波及限幅)；而基线漂移、陷波等处理根据应用需要在数字侧实现。
处理器4，与模数转换放大电路3相连，用于将模数转换放大电路3传送来的信号转换为脑电波信号。具体地，处理器4的输入端与模数转换电路3的输出端相连。
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。
优选地，处理器采用处理速度更快的DSP，来实现耳电波到脑电波的转换。如图5所示，DSP连接在ADS1299的SPI接口输出端，将处理之后的耳电波数字信号转换为脑电波信号。
综上所述，本发明的耳戴式脑电波采集系统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，使脑电波采集设备可以长期舒适穿戴，能够在多种环境下实现多种不同的应用，且操作方便，便于携带。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 (7)

1.一种耳戴式脑电波采集系统，其特征在于：包括耳内采集电极、预处理电路、模数转换放大电路和处理器；
所述耳内采集电极，固定在被测目标耳内，用于采集耳电波信号；
所述预处理电路与所述耳内采集电极相连，用于对所述耳内采集电极采集到的信号进行低通滤波和限幅处理；
所述模数转换放大电路与所述预处理电路相连，用于对预处理电路输出的信号进行模数转换和放大；
所述处理器与所述模数转换放大电路相连，用于将所述模数转换放大电路传送来的信号转换为脑电波信号。
2.根据权利要求1所述的耳戴式脑电波采集系统，其特征在于：所述耳内采集电极采用容性耦合非接触式电极。
3.根据权利要求2所述的耳戴式脑电波采集系统，其特征在于：所述容性耦合非接触式电极包含金属电极和绝缘层；所述绝缘层为一层超薄聚酰亚胺胶布，所述超薄聚酰亚胺胶布设置在所述金属电极表面。
4.根据权利要求1所述的耳戴式脑电波采集系统，其特征在于：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4所述的耳戴式脑电波采集系统，其特征在于：所述限幅电路包括两个并联的二极管，且一个二极管的正极与另一个二极管的负极在一端相连。
6.根据权利要求1所述的耳戴式脑电波采集系统，其特征在于：所述模数转换放大电路包括模数转换芯片与放大器。
7.根据权利要求1所述的耳戴式脑电波采集系统，其特征在于：所述处理器采用DSP。
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