CN106725464A - 检测脑电信号的干电极系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种检测脑电信号的干电极系统，包括：信号采集模块，用于采集并输出原始脑电信号；前置放大模块，用于放大所述原始脑电信号，并输出脑电放大信号；电源模块，用于为前置放大模块供电，并将脑电放大信号输出至外界。本发明解决了常规脑电干电极接触电阻大，易受环境干扰的问题，同时能够方便、高效、准确地检测脑电信号，在神经性疾病诊疗、脑机接口及肢体康复方面具有广泛的应用前景。

Description

检测脑电信号的干电极系统
技术领域
本发明属于集成电路领域，特别涉及一种检测脑电信号的干电极系统。
背景技术
目前，在临床上，EEG(脑电信号)已经用于癫痫、脑外伤、脑血管疾病、颅内炎症及睡眠障碍等神经性疾病的诊治中，此外在精神分裂、抑郁、躁狂等精神疾病的辅助诊疗中。随着医学神经科学认知心理学和人工智能研究的深入发展，EEG检测分析正在被越来越多地应用到功能康复、神经生物学研究及脑科学研究等领域。脑电检测历史悠久，但由于脑电信号本身、被测对象以及测量环境等因素的特殊性，仍然是棘手的难题。首先，脑电信号幅值十分微小，输出阻抗却很高，并含有接近直流的低频成分；第二，EEG信号信噪比低，易受工频信号、肌电信号及环境噪声的影响；第三，脑电检测必须考虑被测者的生理自然性和保证操作安全性等。目前，脑电采集通常采用湿电极，被试者在进行脑电采集前，必须涂抹导电介质以降低角质层的超高阻抗，使放大器可以正常工作，但该过程需要在外人辅助下进行，时间花费较长。另外，传统脑电采集系统普遍采用有线脑电放大仪器，受环境制约较大，一般只能在特定场合进行脑电采集。对于需要EEG检测的患者，需要到医院脑电检测的科室专门检测，同时由于脑电信号的非周期性，EEG中病理信号随机出现，因此为了获得准确的诊断结果，需要进行较长时间的EEG检测，这给患者造成了经济负担、时间损失，同时漫长的就诊流程也为医院的门诊带来巨大的负荷。目前常规脑电干电极接触电阻大，易受环境干扰的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种检测脑电信号的干电极系统，旨在解决上述的至少一项技术问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种检测脑电信号的干电极系统，包括：
信号采集模块，用于采集并输出原始脑电信号；
前置放大模块，用于放大所述原始脑电信号，并输出脑电放大信号；
电源模块，用于为前置放大模块供电，并将脑电放大信号输出至外界。
优选地，所述信号采集模块包含至少一个弹簧探针，每个弹簧探针内部设置有一个弹簧。
优选地，所述弹簧探针的探针头的直径为1-2mm，长度为10-20cm。
优选地，所述前置放大模块包括：第一电路板和连接插座，
连接插座，位于第一电路板的一个面上，用于连接电源模块；
第一电路板，通过位于其另一面上的探针孔与所述信号采集模块连接，用于放大所述原始脑电信号。
优选地，所述第一电路板包括运放AD620，放大倍数为10-100倍。
优选地，所述电源模块包括：连接插针、外接插座和第二电路板，
连接插针，位于第二电路板的一个面上，用于连接所述放大模块的连接插座；
外接插座，位于第二电路板的另一个面上，用于连接外界仪器；
第二电路板，通过所述连接插座和连接插针与所述第一电路板连接。
优选地，所述电源模块包含实现电压反转的电压变换器。
(三)有益效果
本发明相较于现有技术有以下优点：
1、脑电信号极为微弱，为微伏级信号，检测过程中易受到环境干扰，因此采用前置放大器，微弱脑电信号经过前置放大后进行传输，可以最大限度的减小干扰，提高检测准确度。
2、采用双层电路板，结合金属探针形成封闭的法拉第笼，放大电路位于笼中，可以减小环境电磁信号对脑电信号的干扰。
3、干电极接触电阻远大于湿电极，本发明采用了具有高输入阻抗高共模抑制比的放大器使得本发明能够精确地感知脑电细微的变化，满足干电极检测的需求。
附图说明
图1为本发明实施例的系统示意图；
图2为本发明实施例的前置放大模块的结构示意图；
图3为本发明实施例的前置放大模块的运放电路图；
图4为本发明实施例的电源模块示意图；
图5为本发明实施例的电源模块的电压变换器电路图；
图6为本发明的电路原理图；
图7为本发明实施例的干电极的总体效果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
脑的发育和衰老、学习与记忆、高级认知功能与人类密切相关，了解脑的结构和功能是对人类认识世界、认识自我的最终挑战，脑研究被认为是当今最令人兴奋的研究领域、制高点和最活跃的前沿之一，不仅具有重大理论意义，而且对提高国民的健康水平、生活质量、创新能力、心理和精神状态都有重要的现实意义。脑认知的关键是脑神经信息的检测。头皮脑电信号(EEG)是大脑皮层神经细胞集群自发电活动传递至头皮上的皮层电位，EEG信号的检测分析对脑功能的研究、神经性疾病诊疗及功能恢复和脑机接口都十分有意义。
针对已有脑电信号检测的技术问题，本发明提供了一种检测脑电信号的干电极系统。图1为本发明实施例的系统示意图，如图1所示，所述检测脑电信号的干电极系统包括：信号采集模块、前置放大模块和电源模块。
所述信号采集模块，用于采集并输出原始脑电信号，可以采用微针技术，通过穿越角质层采集得到脑电信号；超高输入的阻抗放大器；弹簧探针，通过探头和头皮紧密接触，采集脑电信号。影响脑电信号采集的主要因素有头发、头皮分泌物，以及信号采集模块与头皮的接触状态及两者之间较大的阻抗。本发明实施例中采用了弹簧探针作为信号采集模块，所述信号采集模块包含至少一个弹簧探针，每个弹簧探针内部设置有一个小型弹簧，使得探针具有弹性。弹簧探针的探针头的直径尺寸选为1-2mm，长度10-20cm。弹簧探针可以保证探针穿过头发接触到头皮，同时其大小不会刺穿头皮毛引起疼痛感。弹簧的应力可以选择，保证足够大以确保探针能够和脑头皮紧密接触，同时需要防止过大以至于造成皮肤表面的损伤。
所述前置放大模块用于降低噪声干扰，其原始信号输入端与弹簧探针相连，对原始脑电信号进行放大，并输出脑电放大信号。图2为本发明实施例的前置放大模块的结构示意图，如图2所示，根据本发明实施例，前置放大模块包括第一电路板和四个连接插座，连接插座位于第一电路板的一个面上，用于和电源转接模块进行通讯，4个接口分别传输GND、负电压、正电压和放大脑电信号。
第一电路板通过位于其另一面上的探针孔与所述信号采集模块连接，其中，所述探针孔用于放置弹簧探针，主要实现原始脑电信号放大，由于前置放大器的噪声水平在很大程度上决定的整个系统的噪声水平，因此在设计前置放大器的时候，放大器的输入噪声就成了首要的考虑因素；同时，前置放大器应该能够无损的获取微电极中的信号，因此需要前置放大器具有高输入阻抗高共模抑制比，使得其输入阻抗远大于传感器的输出阻抗，因此选择等效输入电压噪声低输入阻抗大的运放AD620。
图3为本发明实施例的前置放大模块的运放电路图，核心芯片为AD620。AD620是一种低功耗差分仪表放大器，输入的原始脑电信号和GND信号进行差分放大，获得放大脑电信号。电路如图3所示，运放AD620的引脚3即输入端接收原始脑电信号，提供引脚6即输出端输出放大脑电信号。引脚1通过电阻R与引脚8连接，前置放大模块的放大倍数由R调节，强制放大倍数可以为10-100倍。运放的引脚2连接电源模块的地电压，引脚7接电源模块的正电压，引脚4接电源模块的负电压，三者为芯片工作提供能源。同时引脚5悬空。
所述电源模块的正电压输入端与外界相连，正电压输出端和负电压输出端和前置放大模块相连，用于将外界输入的单向直流电压转换为正负电压，为前置放大模块供电，同时将收到的前置放大器输出的脑电放大信号提供外部转接口输出至外界。其中电源模块中的电压变换器MAX860，可以实现电压反转，输出负电压。图4为本发明实施例的电源模块示意图，如图4所示，电源模块包括：连接插针、外接插针和第二电路板。连接插针，位于第二电路板的一个面上，用于连接所述放大模块的连接插座，其中连接插针有4个，与前置放大模块的连接插座配合，作用是传输数据和固定；外接插座，位于第二电路板的另一个面上，用于连接外界仪器；第二电路板，通过所述连接插座和连接插针与所述第一电路板连接，与所述第一电路板、信号采集模块形成封闭法拉第笼。第二电路板中的电压变换器，实现电压的反转，将外界输入的单向直流电流转换成正负电压。其中，外接插座有3个插针负责和外界仪器进行连接，包括GND、正电压和放大脑电信号三个通路。
图5为本发明实施例的电源模块的电压变换器电路图，如图5所示，其核心芯片为MAX860，MAX860是一种低噪声、直流电转换芯片，可以将输入的正电压转变为负电压。本发明中MAX860将输入的正电压转换为对应的负电压，然后将原始输入的正电压、转换后的负电压及GND作为输出与前置放大模块相连，为前置放大模块提供能源。同时前置放大模块输出的放大脑电信号通过电压变换器输出给外界。
图6为本发明的电路原理图，如图6所示，弹簧探针将采集到的原始脑电信号输出至前置放大模块，前置放大模块将原始脑电信号放大后输出脑电放大信号至电源模块，电源模块输出接收到的脑电放大信号至外界。同时外界输出正电压和地电压至电源模块，电源模块将单向直流电压转换成正、负电压，将正、负电压和地电压输出至前置放大模块以供电。
通过以下步骤制备干电极：
步骤1、设计制备前置放大模块的第一电路板和电源转接模块电路板，其中第一电路板采用高性能高阻抗PCB材料，GND和原始脑电信号走线保持平行，长度基本一致。
步骤2、将电阻电容、芯片和连接部件(连接插针、连接插座和外接插座等)等电子元器件组装到PCB板上，完成前置放大模块和电源模块的构建。
步骤3、将前置放大模块和电源转接模块通过连接插针、连接插座进行组装，将弹簧探针插入预留的探针孔，焊好，完成干电极的制备。
图7为本发明实施例的干电极的总体效果示意图，如图7所示，弹簧探针通过探针孔连接到前置放大模块的第一电路板上，前置放大模块通过连接插针、连接插座与电源模块的第二电路板连接，电源模块通过外接插座与外界连接。同时，第一电路板、第二电路板和金属探针形成封闭的法拉第笼，前置放大电路位于笼中，可以减小环境电磁信号对脑电信号的干扰。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种检测脑电信号的干电极系统，包括：
信号采集模块，用于采集并输出原始脑电信号；
前置放大模块，用于放大所述原始脑电信号，并输出脑电放大信号；
电源模块，用于为前置放大模块供电，并将脑电放大信号输出至外界。
2.根据权利要求1所述的干电极系统，其特征在于，所述信号采集模块包含至少一个弹簧探针，每个弹簧探针内部设置有一个弹簧。
3.根据权利要求2所述的干电极系统，所述弹簧探针的探针头的直径为1-2mm，长度为10-20cm。
4.根据权利要求1所述的干电极系统，其特征在于，所述前置放大模块包括：第一电路板和连接插座，
连接插座，位于第一电路板的一个面上，用于连接电源模块；
第一电路板，通过位于其另一面上的探针孔与所述信号采集模块连接，用于放大所述原始脑电信号。
5.根据权利要求4所述的干电极系统，其特征在于，所述第一电路板包括运放AD620，放大倍数为10-100倍。
6.根据权利要求4所述的干电极系统，其特征在于，所述电源模块包括：连接插针、外接插座和第二电路板，
连接插针，位于第二电路板的一个面上，用于连接所述放大模块的连接插座；
外接插座，位于第二电路板的另一个面上，用于连接外界仪器；
第二电路板，通过所述连接插座和连接插针与所述第一电路板连接。
7.根据权利要求1所述的干电极系统，其特征在于，所述电源模块包含实现电压反转的电压变换器。
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