CN106361326A - 脑电波采集及传输的终端 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种脑电波采集及传输的终端，包括：头部佩戴装置和监测手环；所述头部佩戴装置与所述监测手环通过蓝牙连接；所述头部佩戴装置包括头带、监测臂、前额传感器、第一蓝牙模块和耳夹，所述监测手环包括ARM内核系统、脑电前端放大电路、脑电滤波电路、电源电路、后备电池系统、按键电路、LED显示电路、第二蓝牙模块、USB‑C接口电路和时钟电路。本发明的脑电波采集及传输的终端可以佩戴于头部，利用蓝牙和智能手机联结，该终端通过头部外置电极采集脑电波信息，经过放大、滤波及数字话处理后，经蓝牙传输到智能手机。可以对用户的脑电波信息进行分析及存储。以期达到医学监测，健康分析，疲劳提醒等目的。

Description

脑电波采集及传输的终端
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种脑电波采集及传输的终端。
背景技术
电信号是与反映大脑神经活动有关的生物电位，由皮层内大量神经元突出后电位同步总和所形成的，是许多神经元共同活动的结果。对它进行检测可用于神经诊断和认知生理心理学研究，以及康复领域。现在已明确，在头皮上引导的脑电波振幅，在正常情况下，从波峰到波底为5～200μV(而从大脑皮层上引导的电位变化可达到1mV)，其频率范围从小于1Hz到100Hz，波形因不同的脑部位置而异，并与觉醒和睡眠的水平相关，且存在很大的个体差异，也就是说脑电波在不同的正常人中也存在着不同的表现，因而脑电信号放大和采集的实现仍是一个难题。而实现脑电信号放大的主要困难在于高增益放大的同时去除各种干扰。
通过电极和导线从头皮上或者从大脑皮层上直接将大脑产生的节律性电位变化，传送至脑电图机上记录下来，形成动态曲线，这就是通常称为的脑电图(EEG)，脑电图反应了大脑皮质的自发脑电活动。
脑电信号是由脑神经活动产生并且始终存在于中枢神经系统的自发性电位活动，含有丰富的大脑活动信息，它作为一种特殊而复杂的生物电信号，反应了大脑的功能状态，是大脑研究、生理研究、临床脑疾病诊断的重要手段。通过一定的方式检测这些脑电活动可以有效地提取人脑中蕴藏的丰富的信息，对这些信息的分析有助于深入了解大脑的功能，同时可发现大脑的异常病变从而及时诊断大脑疾病。因此脑电信号的提取具有非常重要的临床意义。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种脑电波采集及传输的终端，可以采集脑电波并进行无线传输。
为了实现上述目的，本发明提供一种脑电波采集及传输的终端，包括：头部佩戴装置和监测手环；所述头部佩戴装置与所述监测手环通过蓝牙连接；
所述头部佩戴装置包括头带、监测臂、前额传感器、第一蓝牙模块和耳夹，所述头带内部设置有前额传感器、电源模块和第一蓝牙模块，所述头带的前端设置有半圆弧形的监测臂，所述头带的外壁上设置有LED信号灯，所述监测臂的一端与头带的端部铰接，所述监测臂的另一端安装有所述前额传感器的电极；
所述监测手环包括ARM内核系统、脑电前端放大电路、脑电滤波电路、电源电路、后备电池系统、按键电路、LED显示电路、第二蓝牙模块、USB-C接口电路和时钟电路；
所述脑电前端放大电路、所述脑电滤波电路和所述时钟电路的信号输出端与所述ARM内核系统的信号接收端连接，将监测到的脑电信号输出给所述ARM内核系统进行分析记录；
所述按键电路的控制信号输出端与所述ARM内核系统的控制端连接，通过所述按键电路对所述ARM内核系统发出控制指令；
所述LED显示电路的信号接收端与所述ARM内核系统的信号输出端连接，通过所述LED显示电路将监测到的脑电信号对外显示；
所述第二蓝牙模块和所述USB-C接口电路与所述ARM内核系统的通信端连接，通过第二蓝牙模块接收所述头部佩戴装置中第一蓝牙模块传输的信号；
所述电源电路和所述后备电池系统的供电端与ARM内核系统的电源端连接。
进一步的，所述头带上还设置有耳夹，通过耳夹与接地端连接。
进一步的，所述ARM内核系统又包括CPU处理器、随机存储器和只读存储器，所述CPU处理器的存储端分别与所述随机存储器和所述只读存储器连接。
进一步的，所述ARM内核系统中的CPU处理器选用型号为STM32F103的ARM芯片。
进一步的，所述脑电滤波电路包括低通滤波器电路和带通滤波器电路，所述低通滤波器电路采用的芯片型号为MAX922芯片；带通滤波器电路采用MAX908芯片。
进一步的，所述电源电路包括稳压器、第四二极管、第三十一电容器、第三十二电容器、第三十三电容器，所述稳压器的输入端与所述第四二极管的负极连接，所述第四二极管的正极与所述USB-C接口电路中USB芯片的电源输入端连接，所述稳压器的输出端与电源端VCC连接、在稳压器与零电势点GND之间分别并联有第三十一电容器C31、第三十二电容器C32和第三十三电容器C33。
进一步的，所述后备电池系统采用主控芯片为的TP4057芯片锂电池充电电路。
本发明的脑电波采集及传输的终端可以佩戴于头部，利用蓝牙和智能手机联结，该终端通过头部外置电极采集脑电波信息，经过放大、滤波及数字话处理后，经蓝牙传输到智能手机。然后脑电波信息可以通过智能传输到后台专家系统，可以对用户的脑电波信息进行分析及存储。以期达到医学监测，健康分析，疲劳提醒等目的。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明智能脑电波传感器中头部佩戴装置的立体图；
图2为本发明智能脑电波传感器中监测手环的电路结构框图；
图3为本发明智能脑电波传感器中脑电前端放大电路的结构图；
图4为本发明智能脑电波传感器中低通滤波器电路的结构图；
图5为本发明智能脑电波传感器中带通滤波器电路的结构图；
图6为本发明智能脑电波传感器中电源电路的结构图；
图7为本发明智能脑电波传感器中锂电池充电电路的结构图；
图8为本发明智能脑电波传感器中按键电路的结构图；
图9为本发明智能脑电波传感器中LED显示电路的结构图；
图10为本发明智能脑电波传感器中时钟电路的结构图；
图11为本发明智能脑电波传感器中USB-C接口外接电路的结构图；
图12为本发明智能脑电波传感器中USB-C接口保护电路的结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供一种脑电波采集及传输的终端，参考附图1，包括：头部佩戴装置和监测手环；头部佩戴装置与监测手环通过蓝牙连接；
头部佩戴装置包括头带1、监测臂16、前额传感器、第一蓝牙模块3和耳夹2，头带1内部设置有前额传感器、电源模块和第一蓝牙模块3，头带1的前端设置有半圆弧形的监测臂16，监测臂16的一端与头带1的端部铰接，监测臂16的另一端安装有前额传感器的电极5，头带1的外壁上设置有LED信号灯2，通过LED信号灯2对外显示头部佩戴装置的工作状态。头带1上还设置有耳夹4，通过耳夹4与接地端连接。
如图2所示，监测手环包括ARM内核系统6、脑电前端放大电路7、脑电滤波电路8、电源电路9、后备电池系统10、按键电路11、LED显示电路12、第二蓝牙模块13、USB-C接口电路14和时钟电路15，脑电前端放大电路7、脑电滤波电路8和时钟电路15的信号输出端与ARM内核系统6的信号接收端连接，将监测到的脑电信号输出给ARM内核系统6进行分析记录。
将前额传感器佩戴于脑部，传感器干电极贴于额头部位，电平参考点置于左耳，脑电信号通过传感器内部电路放大及滤波后及数字化后，通过微功耗蓝牙传输到智能手机显示并存储。另外，脑电波信息可以自动通过手机3G及互联网存储到云服务器同步。
按键电路11的控制信号输出端与ARM内核系统6的控制端连接，通过按键电路11对ARM内核系统6发出控制指令。
LED显示电路12的信号接收端与ARM内核系统6的信号输出端连接，通过LED显示电路12将监测到的脑电信号对外显示。
第二蓝牙模块13和USB-C接口电路14与ARM内核系统6的通信端连接，通过第二蓝牙模块13接收头部佩戴装置中第一蓝牙模块3传输的信号，并通过USB-C接口电路14与其他通讯装置进行信号传输。
电源电路9和后备电池系统10的供电端与ARM内核系统6的电源端连接。
ARM内核系统6又包括CPU处理器、随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)，CPU处理器的存储端分别与随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)连接，CPU处理器采用STM32F103芯片,STM32F103芯片基于ARM内核，具备32位运算能力，具有UART接口、GPIO接口和USB接口，便于与其他模块连接，STM32F103芯片具有128K闪存空间和20K随机存储空间，能够满足嵌入式系统要求，STM32F103芯片基的供电电压为2.0-3.6V，适合直接采用电池供电。
如图3所示，为本发明智能脑电波传感器中脑电前端放大电路的结构图。
图3中，脑电前端放大电路选用max4194作为核心元件，最低工作电压为2.7V，最小功耗470mW，具有轨—轨的特性，输出幅度可接近电源电压。因为前置放大器的增益大一些对抑制放大器件本身噪声有利。
脑电波放大器的技术指标为：
输入阻抗大于10MΩ；
共模抑制比大于80dB(即共模抑制比大于10000:1)；
频带宽度0～150Hz；
系统噪声小于3μV；
前置放大级的电源纹波电压小于0.5mV。
在脑电前端放大电路中，为了使输入出现5000V高压时不会损坏电路，两个二极管D1，D2可以选用低漏电的微型二极管IN4148，其最大允许通过电流为100mA，R＝50KΩ，从而这样输入端可以承受高达5000V的高压而不被破坏后级电路。
无源高通截至频率为0.5Hz，计算取值R3＝R4＝100K，C＝4.7μF，符合要求，主要用于滤出直流偏置电流；
此外，脑电前端放大电路采用共模驱动电路，提高共模抑制比；提取共模信号的电阻不可取的过大，否则会影响仪用放大器的信号输入；电源两侧并联一大电容一小电容，目的是滤除高频干扰和低频干扰。
脑电滤波电路8又包括低通滤波器电路和带通滤波器电路，如图4所示，为本发明智能脑电波传感器中低通滤波器电路的结构图，采用六阶低通滤波电路，六阶低通滤波电路采用的芯片型号为MAX922芯片。能够对频率为30Hz的信号具有良好的滤波效果，而且能够有效的抑制工频为50Hz的信号，从而省去对50Hz工频的陷波环节，避免了因陷波中心不准而造成的无法有效抑制工频干扰的情况。
如图5所示，为本发明智能脑电波传感器中带通滤波器电路的结构图，带通滤波器电路采用MAX908芯片，MAX908芯片的同相输入端接入零电势点GND，MAX908芯片的反相输入端与带通滤波器电路的信号输入端连接，MAX908芯片的输出端与带通滤波电路的信号输出端连接，在MAX908芯片的反相输入端与带通滤波器电路信号输入端之间依次串联有第二十一电容器C21和第二十一电阻R21，在MAX908芯片的反相输入端与MAX908芯片的输出端之间设置有第二十三电阻R23，在第二十一电容器C21与第二十一电阻R21之间引出第二十一导线，第二十一导线的另一端与MAX908芯片的输出端连接，在第二十一导线上设置有第二十二电容器C22。在第二十一电容器C21与第二十一电阻R21之间引出第二十二导线，第二十二导线的另一端接入零电势点GND，第二十二导线上设置有第二十二电阻R22。通过带通滤波器电路可对任意带宽RWx的响应进行计算，计算公式为：
其中带宽的响应为3dB时，BW3dB＝Fo/Q，
其中已知公式为：R3＝2R1，可求的Fo和Q的值，从而计算得出带通滤波器电路对任意带宽RWx的响应dB值。本发明的一个实施例中带通滤波器电路还可采用采用MAX291芯片。
如图6所示，为本发明智能脑电波传感器中电源电路的结构图，稳压器的输入端与第四二极管D4的负极连接，第四二极管的正极与USB芯片的电源输入端连接，稳压器的输出端与电源端VCC连接，在供电过程中第四二极管防止电流反向。在稳压器与零电势点GND之间分别并联有第三十一电容器C31、第三十二电容器C32和第三十三电容器C33，各电容器起到滤波的作用。稳压器的芯片型号为AS1360，在供电过程中起到稳压作用。
后备电池系统10采用锂电池充电电路，如图7所示，为本发明智能脑电波传感器中锂电池充电电路的结构图，包括充电芯片、升压电路和电压调节芯片，充电芯片的两个电流输入端分别通过第四十一导线和第四十二导线与第四十三导线的一端连接，第四十三导线的另一端接入外接电源VBUS，第四十一导线和第四十二导线上分别设置有第一发光二极管LED1和第二发光二极管LED2，在第四十三导线上串联有第五二极管D5和第四十一电阻R41，第五二极管D5靠近外接电源一侧。充电芯片的接地端通过第四十四导线接入零电势点GND，在第四十四导线上设置有第四十二电阻R42。充电芯片的电流输出端与电压调节芯片的输入端连接，电压调节芯片的输出端与可充电电池的电源端连接，充电芯片的电流输出端还通过第四十五导线与外接电源VBUS连接，第四十五导线上设置有第四十三电阻R43，外接电源可不经过充电芯片直接向可充电电池进行供电。在充电芯片与电压调节芯片之间引出第四十六导线和第四十七导线，第四十六导线的另一端与电源芯片的供电端连接，在第四十六导线上串联有第四十三电感L1、第六二极管D6和第七二极管D7，在第四十六导线上还设置有升压电路；第四十七导线的另一端接入零电势点GND，在第四十七导线上设置有第四十九电容C49。充电芯片采用的型号为TP4057，升压电路采用的信号为BL8530，电压调节芯片采用的信号为SG3525，电源芯片采用的信号为AS1360，外接电源VBUS采用为USB电源或者适配器电源。
本充电电路的工作原理为：通过USB电源或者适配器电源向电路中供电，电流依次经过充电芯片和电压调节芯片后对可充电电池进行充电，保证可充电电池内电量充足，充电芯片在有电流流过的过程中，点亮第一发光二极管LED1和第二发光二极管LED2，提示工作人员可充电电池正在充电。在充电芯片出现故障的情况下，USB电源或者适配器电源中的电流还可直接通过第四十五导线直接流入电压调节芯片，并为可充电电池进行充电，防止充电芯片出现故障无法充电。电源芯片通过升压电路向充电芯片菏泽电压调节芯片供电，保证电路中的电气元件正常工作。
如图8所示，为本发明智能脑电波传感器中按键电路的结构图，按键S1通过第六十一导线与控制端连接，在按键S1与控制端之间设置有第六十一电阻R61，通过按键S1对智能脑电波传感器的开关机进行控制。如图9所示，为本发明智能脑电波传感器中LED显示电路的结构图，LED显示电路采用FSTN显示方式，智能脑电波传感器的控制端分别通过第六十二导线和第六十三导线与电源端VCC连接，在第六十二导线上串联有第六十二电阻R62和第十二发光二极管LED12，在第六十三导线上串联有第六十三电阻R63和第十一发光二极管LED11，通过LED显示电路对采集的数据结果进行显示。
如图10所示，为本发明智能脑电波传感器中时钟电路的结构图，
USB-C接口电路14又包括USB-C接口外接电路和USB-C接口保护电路，如图11所示，为本发明智能脑电波传感器中USB-C接口外接电路的结构图。如图12所示，为本发明智能脑电波传感器中USB-C接口保护电路的结构图。
本发明的脑电波采集及传输的终端可以佩戴于头部，利用蓝牙和智能手机联结，该终端通过头部外置电极采集脑电波信息，经过放大、滤波及数字话处理后，经蓝牙传输到智能手机。然后脑电波信息可以通过智能传输到后台专家系统，可以对用户的脑电波信息进行分析及存储。以期达到医学监测，健康分析，疲劳提醒等目的。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (7)

1.一种脑电波采集及传输的终端，其特征在于，包括：头部佩戴装置和监测手环；所述头部佩戴装置与所述监测手环通过蓝牙连接；
所述头部佩戴装置包括头带、监测臂、前额传感器、第一蓝牙模块和耳夹，所述头带内部设置有前额传感器、电源模块和第一蓝牙模块，所述头带的前端设置有半圆弧形的监测臂，所述头带的外壁上设置有LED信号灯，所述监测臂的一端与头带的端部铰接，所述监测臂的另一端安装有所述前额传感器的电极；
所述监测手环包括ARM内核系统、脑电前端放大电路、脑电滤波电路、电源电路、后备电池系统、按键电路、LED显示电路、第二蓝牙模块、USB-C接口电路和时钟电路；
所述脑电前端放大电路、所述脑电滤波电路和所述时钟电路的信号输出端与所述ARM内核系统的信号接收端连接，将监测到的脑电信号输出给所述ARM内核系统进行分析记录；
所述按键电路的控制信号输出端与所述ARM内核系统的控制端连接，通过所述按键电路对所述ARM内核系统发出控制指令；
所述LED显示电路的信号接收端与所述ARM内核系统的信号输出端连接，通过所述LED显示电路将监测到的脑电信号对外显示；
所述第二蓝牙模块和所述USB-C接口电路与所述ARM内核系统的通信端连接，通过第二蓝牙模块接收所述头部佩戴装置中第一蓝牙模块传输的信号；
所述电源电路和所述后备电池系统的供电端与ARM内核系统的电源端连接。
2.如权利要求1所述的脑电波采集及传输的终端，其特征在于：所述头带上还设置有耳夹，通过耳夹与接地端连接。
3.如权利要求1所述的脑电波采集及传输的终端，其特征在于：所述ARM内核系统又包括CPU处理器、随机存储器和只读存储器，所述CPU处理器的存储端分别与所述随机存储器和所述只读存储器连接。
4.如权利要求3所述的脑电波采集及传输的终端，其特征在于：所述ARM内核系统中的CPU处理器选用型号为STM32F103的ARM芯片。
5.如权利要求1所述的脑电波采集及传输的终端，其特征在于：所述脑电滤波电路包括低通滤波器电路和带通滤波器电路，所述低通滤波器电路采用的芯片型号为MAX922芯片；带通滤波器电路采用MAX908芯片。
6.如权利要求1所述的脑电波采集及传输的终端，其特征在于：所述电源电路包括稳压器、第四二极管、第三十一电容器、第三十二电容器、第三十三电容器，所述稳压器的输入端与所述第四二极管的负极连接，所述第四二极管的正极与所述USB-C接口电路中USB芯片的电源输入端连接，所述稳压器的输出端与电源端连接、在稳压器与零电势点GND之间分别并联有第三十一电容器、第三十二电容器和第三十三电容器。
7.如权利要求1所述的脑电波采集及传输的终端，其特征在于：所述后备电池系统采用主控芯片为的TP4057芯片锂电池充电电路。
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