CN107589700B - 一种脑电信号模拟发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种脑电信号模拟发生装置，主要包括操作单元、微控制器单元、脑电数据输入单元、指示单元、供电单元、信号转换单元以及信号调理输出单元。操作单元输出端与微控制器单元连接，微控制器单元与信号转换单元输入端相互连接，指示单元与微控制器单元连接，脑电数据输入单元与微控制器单元连接，信号转换单元输出端与信号调理输出单元输入端连接。本发明装置可实现多通道且通道独立的连续微弱脑电信号输出；各个信号输出通道之间相互串扰小、噪声低；可在脑电信号上加入多种人工噪声，满足一些神经科学研究场合的需求；可随时更改所需转换的脑电数据文件；运行参数可以在根据实验需求进行实时调整，以适应不同的实验范式。

Description

一种脑电信号模拟发生装置

技术领域

本发明属于生物医学领域，涉及一种脑电信号模拟发生装置，尤其涉及神经实验研究、脑电信号采集设备检测标定的脑电信号模拟发生装置。

背景技术

脑电信号是脑神经细胞电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映，信号微弱且复杂多变，包含了大量生理与病理信息,对脑电信号的分析处理,在疾病诊断、医疗康复、脑机接口等领域占有重要地位，对于认识大脑，开发大脑，利用大脑起重要作用。

不同于心电信号、脉搏信号等模式性周期信号，脑电信号是不具备各态历经性的非平稳随机信号，目前暂时无法人工模拟和仿真。因此在脑电信号的研究中，脑电信号绝大部分是从生物体上真实记录的，例如睡眠脑电信号和癫痫脑电信号，需要进行分析处理时，一般的方法是从已记录的脑电信号数据库中提取一段脑电信号数据进行分析，这时就需要一个脑电信号模拟发生装置将已存储的数字脑电信号文件转换成真实的微弱脑电模拟信号。

另外脑电信号的采集是脑电信号分析处理的基础，在神经科学研究中占有重要地位，目前市场上已有各类脑电信号采集设备，在脑电信号采集设备研发之初，需要对其精密度与可靠性进行验证与标定，一般的脑电采集设备采集通道较多，因此需要大量的脑电信号样本，但在实际操作中将这些脑电信号数据样本转化为真实脑电模拟信号操作起来较为繁琐，临床上又不便于直接在动物体上对脑电信号采集设备的性能指标进行验证，因此需要一个多通道且通道独立的、可随时调整的脑电信号模拟发生装置。

而对于传统的脑电信号模拟发生器，是在Flash芯片中固化存储了已有的脑电信号数据，进而读取后转换生成仿真的脑电信号，其所能产生的脑电信号持续时长有限，一般都是将一段脑电信号循环产生，虽然输出信号的通道数较多，但一般各输出通道之间的信号相同，其所能提供的脑电信号固定且不易改变，这在实际应用中大大限制了脑电信号模拟器的用途。

因此在神经实验研究、脑电信号采集设备检测标定等领域，需要一个多通道且通道独立、参数可设置、信号实时连续发生的脑电信号发生装置，这对于神经科学研究、检测设备标定等领域的发展具有积极意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于神经实验研究、脑电信号采集设备标定等领域的脑电信号模拟发生装置,解决目前脑电信号模拟器中存在的信号单一且各通道不独立、信号不实时连续、不可随时调整等问题。

本发明解决其问题所采取的技术手段是：该脑电信号模拟发生装置主要包括操作单元、微控制器单元、脑电数据输入单元、指示单元、信号转换单元、信号调理输出单元和供电单元七个部分。所述操作单元(1)输出端与微控制器单元(2)连接，微控制器单元(2)与信号转换单元(5)输入端相互连接，指示单元(4)与微控制器单元(2)连接，脑电数据输入单元(3)与微控制器单元(2)连接，信号转换单元5输出端与信号调理输出单元(6)输入端连接。

所述操作单元用于用户设置运行参数并传送给所述微控制器单元。

所述指示单元由微控制器单元控制，用于给用户提供提示界面。

所述供电单元用于给操作单元、微控制器单元、脑电数据输入单元、指示单元、信号转换单元供电。

所述脑电数据输入单元用于提供所需转换的脑电数据文件。

进一步地，本发明所述微控制器单元主要包括：实现本装置系统控制与对数字脑电数据进行处理的微控制器；用于微处理器与外部装置数据命令通信的接口电路。

所述对数字脑电数据进行处理的步骤包括：

步骤一：从脑电数据输入单元中读取脑电数据文件，将脑电数据文件进行解析，提取各通道的有效数据；

步骤二：将脑电数据按照信号转换单元的实际要求进行数据转换，以求其能满足信号转换单元要求的数值范围；

步骤三：在真实脑电数据基础上添加预设的人工噪声，从而合成新的信号；

步骤四：对所合成的信号按照信号转换单元的指令格式进行封装。

进一步地，所述信号转换单元主要包括：DA转换芯片和参考电压电路，所述DA转换芯片具有多通道输出，用于对脑电信号数据进行转换，产生多通道独立输出的脑电模拟信号；所述参考电压电路用于给所述多通道DA转换芯片提供转换参考电压。

进一步地，所述信号调理输出单元主要包括：用于给所述DA转换芯片输出端消除短时毛刺脉冲的毛刺消除电路；用于隔绝电路电源干扰的信号隔离电路；将信号衰减为微伏级微弱信号的衰减电路；所述毛刺消除电路与信号转换单元输出端相连；所述隔离电路与毛刺消除电路输出端连接，另一侧与衰减电路输入端相连。

所述微控制器为FPGA、STM32单片机或其他高性能处理器。

所述信号隔离电路采用0欧姆电阻进行电路隔离；

所述衰减电路采用电阻衰减网络实现信号衰减，衰减网络的电阻参数可以依据衰减倍数调整，不同的电阻参数设置实现不同的衰减倍数。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：(1)可实现多通道且通道独立的连续微弱脑电信号输出；(2)该装置各个信号输出通道之间相互串扰小、噪声低；(3)可在脑电信号上加入多种人工噪声，满足一些神经科学研究场合的需求；(4)该装置可随时更改所需转换的脑电数据文件；(5)该装置运行参数可以在根据实验需求进行实时调整，以适应不同的实验范式。

附图说明

图1为本发明脑电信号发生装置结构示意框图。

图2为本发明一种实施方式的工作原理框图。

图3为本发明一种实施方式的指示单元的电路原理图。

图4为本发明一种实施方式的操作单元的电路原理图。

图5为本发明一种实施方式的脑电数据输入单元的电路原理图。

图6为本发明一种实施方式的信号转换单元的电路原理图。

图7为本发明一种实施方式的信号调理输出单元的电路原理图。

具体实施方式

本发明结合附图和实施例作进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本发明的脑电信号模拟发生装置主要包括操作单元1、微控制器单元2、脑电数据输入单元3、指示单元4、信号转换单元5、信号调理输出单元6和供电单元7个部分，图中给出了各单元之间的连接关系，所述操作单元1输出端与微控制器单元2连接，微控制器单元2与信号转换单元5输入端相互连接，指示单元4与微控制器单元2连接，脑电数据输入单元3与微控制器单元2连接，信号转换单元5输出端与信号调理输出单元6输入端连接。

供电装置7用于给操作单元1、微控制器单元2、脑电数据输入单元3、指示单元4、信号转换单元5供电，本发明的一个实例为采用USB电源作为外部电源，电源管理芯片采用AMS1117-3.3以及TPS65131-Q1，可提供给微处理器的3.3V、信号处理单元的正负15V的稳定供电。

如图2所示，系统的工作原理为：在提示界面4的指示下，利用操作单元1对系统的相关参数进行输入设置，其中参数主要包括信号通道数、信号输出采样率、信号输入方式、附加噪声等。而后微控制器单元2控制指示单元4发送提示信息，用户在提示下可选择是否开始生成模拟脑电信号，如果是，则微控制器单元2的开始从脑电信号输入单元3中获取一段多通道的初始数字脑电数据，主控制装置依照先前的参数设置对数据进行处理，处理过程包括数据文件的解析、各通道数据的转换、人工噪声添加、命令封装等，而后将处理后的数字脑电信号数据接口电路发送至信号转换单元5，信号转换单元5将数字脑电数据进行DA转换，生成初始模拟脑电信号，该信号被传输至信号调理输出单元6，经降噪衰减后输出模拟的脑电信号，至此一段数字脑电数据转换完毕，如果用户不选择工作结束，则微控制器单元2将开始下一段脑电数据的读取与转换，因此在输出端可得到多通道且通道独立的、实时连续的、可随时调整模拟脑电信号。

本发明的微控制器可以由FPGA、STM32单片机或其他高性能处理器实现。微控制器有四个主要任务：一是实时从脑电数据输入单元3中接收初始数字脑电数据并数据处理；二是将脑电信号数据处理通过接口电路发至信号转换模块5；三是接收来自操作单元1的控制指令；四是将指示信息发至指示单元4显示。本发明的一个应用实例采用STM32F409系列单片机实现。

微处理器进行处理的具体实施步骤为：

步骤一：对脑电数据文件进行读取解析，提取各通道的有效数据，本实例的脑电数据文件是采样率为2K、16bit垂直分辨率的16通道ECoG信号；

步骤二：将脑电数据按照信号转换单元的实际要求进行数据转换，以求其能满足信号转换单元5要求的数值范围，本实例信号转换单元5为16通道、垂直分辨率为16bit的信号输出，处理后的数据大小范围为0x0000-0xffff；

步骤三：如果在图2所述工作过程的参数设置阶段设置了添加噪声的种类与噪声参数，则会在步骤二处理后的脑电数据基础上添加相应的人工噪声；

步骤四：对各通道数据按照信号处理单元5的指令格式进行封装，准备发至信号处理单元5。

图3所示为本发明一个实例的指示单元的电路原理图，指示单元显示运行状态和提供指示信息，本实例选用TFTLCD液晶，作为指示模块。

图4所示为本发明一个实例的操作单元的电路原理图，操作单元为外部输入装置，用于输入系统参数与控制系统操作，可选用按键、触摸板等方式，本实例选用按键方式，按键KEY0、KEY1、KEY2分别与微控制器的端口相连。

图5所示为本发明一个实例的脑电数据输入单元的电路原理图，脑电数据输入单元是存储和给系统输入脑电数据的单元，可以采用SD卡输入、U盘输入、USB通讯外部输入等输入方法，本次实例选用SD卡输入，SD卡中存储到了待转换的数字脑电信号，考虑到脑电信号数据存储量比较大，因此选用SDHC卡，等级CLASS10，支持SPI和SDIO两种总线模式，从读取速度考虑，最终选择了速度较快的SDIO通信模式，SDIO_D0、SDIO_D1、SDIO_D2、SDIO_D3、SDIO_CMD、SDIO_SCK接口分别于微控制单元的接口电路相连。

图6所示为本发明一个实例信号转换单元的电路原理图，利用SPI通讯协议从微控制器接收所生成的脑电数据后，通过DA转换实现模拟脑电信号输出。本应用实例所用DA转换芯片是AD5360、具有16个输出通道、16个bit的信号分辨率，参考电压电路采用的是LM4040，给DA转换芯片提供具有0.1％的稳压误差的2.5V参考电压，所以在本实例中，可将16个通道的、垂直分辨率为16bit的脑电信号数据转换为真实模拟脑电信号。

图7所示为本发明一个实例的信号调理输出单元的电路原理图，信号调理输出单元包括毛刺消除电路、隔离电路与衰减电路。如图所示，对于16个信号通道中的通道0，其中R1、C1组成的毛刺消除电路是为了消除DA输出信号的瞬态毛刺，电路输出电压为正负5V，其中隔离电路采用0欧姆进行电路隔离，以防止前端电源对衰减电路的影响，衰减电路要将信号转换单元生成的伏特级别的信号衰减为微伏级别信号，采用了如图所示的电阻网络衰减电路，电阻R3、R44、R34、R45为误差1％的精密电阻，其参数可以依据衰减倍数调整，此应用实例衰减倍数为10000倍，电阻R35为后端匹配电阻，其阻值可根据采集设备电极阻抗来调整。

本发明装置的工作过程说明如下：参照图2所示，给出了本发明装置实验工作流程。在系统工作运行之前，先用外部电源给供电单元7上电，在提示界面4的指示下利用操作单元1对系统的相关参数进行输入设置，其中参数主要包括信号通道数、信号输出采样率、信号输入方式、附加噪声等。而后微控制器单元2控制指示单元4发送提示信息，用户在提示下可选择是否开始生成模拟脑电信号，如果是，则微控制器单元2的开始从脑电信号输入单元3中获取一段多通道的初始数字脑电数据，主控制装置依照先前的参数设置对数据进行处理，而后将处理后的数字脑电信号数据接口电路发送至信号转换单元5，信号转换单元5将数字脑电数据进行DA转换，生成初始模拟脑电信号，该信号传输至信号调理输出单元6，一段数字脑电数据转换完毕，如果用户不通过操作单元1选择工作结束，则微控制器单元2将开始下一段脑电数据的读取与转换，因此在输出端可得到多通道且通道独立的，实时连续的模拟脑电信号。

Claims (2)

1.一种脑电信号模拟发生装置，其特征在于，包括操作单元（1）、微控制器单元（2）、脑电数据输入单元（3）、指示单元（4）、信号转换单元（5）、信号调理输出单元（6）和供电单元（7），所述操作单元（1）输出端与微控制器单元（2）连接，微控制器单元（2）与信号转换单元（5）输入端相互连接，指示单元（4）与微控制器单元（2）连接，脑电数据输入单元（3）与微控制器单元（2）连接，信号转换单元（5）输出端与信号调理输出单元（6）输入端连接；

所述指示单元（4）用于给用户提供提示界面；

所述脑电数据输入单元（3）用于提供所需转换的脑电数据文件，采用SD卡输入、U盘输入；

所述微控制器单元（2）包括：用于本装置系统控制和对脑电数据文件进行处理的微控制器，用于微处理器与外部装置数据命令通信的接口电路；

所述信号转换单元（5）包括：DA转换芯片和参考电压电路，所述DA转换芯片具有多通道输出，用于对脑电信号数据进行转换，产生多通道独立输出的脑电模拟信号；所述参考电压电路用于给所述DA转换芯片提供转换参考电压；

所述对脑电数据文件进行处理的步骤包括：

步骤一：从脑电数据输入单元（3）中读取脑电数据文件，将脑电数据文件进行解析，提取各通道的有效数据；

步骤二：将脑电数据按照信号转换单元的要求进行数据转换，使其能满足信号转换单元（5）要求的数值范围；

步骤三：在真实脑电数据基础上添加预设的人工噪声，从而合成新的信号；

步骤四：对所合成的新信号按照信号转换单元（5）的指令格式进行封装。

2.根据权利要求1所述的一种脑电信号模拟发生装置，其特征在于，所述微控制器为FPGA。