CN107714035A - 一种可穿戴式数字化脑电监测头盔 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种可穿戴式数字化脑电监测头盔，包括采集电极、发射系统、头盔的异常脑电识别及报警系统、盔壳、盔壳内侧固定连接采集电极，盔壳两侧固定连接发射系统，盔壳内部固定设置头盔的识别及报警系统；监控终端系统，远程高级脑电图癫样放电自动分析识别及预警系统，克服常规脑电图发现癫样发作的阳性率低，无针对患者痫样监测和报警的作用，从而不能及时有效的采取防护和救治措施，本发明通过简易报警及远程高级分析识别报警的双重预警，可及时精准的发现患者癫痫即将发作、正在发作，提高检出痫样放电的阳性率，起到预防和报警的作用，从而及时有效的采取防护和救治措施，保障患者的自身安全。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种可穿戴式数字化脑电监测头盔。
背景技术
癫痫是最常见的神经系统疾病之一，已被世界卫生组织列为全球重点防治的五大神经精神疾病。目前全世界约有5千万人罹患癫痫，我国现有900万以上的患者，同时以每年新发40-60万例的速度递增。其致残率高，治愈困难，患者多需终生服药。脑电图是反映脑电活动最直观、便捷的常规检查方法，是诊断癫痫发作、确定发作类型最重要的辅助手段。目前常规脑电图发现癫样发作的阳性率低，国内外同类产品主要应用于控制外界实物或调节佩戴者情绪，没有针对患者痫样放电监测和报警的同类产品。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中常规脑电图发现癫样发作的阳性率低，没有针对患者痫样放电监测和报警的作用，不能及时有效的采取防护和救治措施。
为此，本发明提供了一种可穿戴式数字化脑电监测头盔，包括采集电极，采集用户的脑电信号；发射系统，发射所述用户的脑电信号；头盔的识别及报警系统，分析所述用户的脑电信号，识别可疑信号并报警；盔壳，盔壳内侧固定连接采集电极，盔壳两侧固定连接发射系统，盔壳内部固定设置头盔的识别及报警系统；监控终端系统，接收所述用户的脑电信号并通过有线或无线发送至终端，实时显示脑电信号；远程高级脑电图癫样放电自动分析识别及预警系统，对脑电信号进行量化分析和模式识别，自动检测癫样放电并设置报警。
所述的采集电极数量为4个，分别被放置在国际10-20系统定义的电极位置Fp1、Fp2、T3、T4处。
所述的采集电极可拆卸且距离可调节，采集电极采用干式电极。
所述的发射系统包括脑电放大滤波模块、模/数转换模块和无线收发模块，脑电放大模块依次连接模/数转换模块和无线收发模块，模/数转换模块采用模/数转换器ADS1298。
所述的无线收发模块包括电源电路、程序接口电路、无线收发芯片、晶振电路、发射接收转换电路和天线，无线收发芯片分别连接电源电路、程序接口电路、晶振电路和发射接收转换电路，发射接收转换电路连接天线，天线为F天线且内置于盔壳内部，电源电路的电源为纽扣电池，电源电路的电路中加入零欧姆电阻。
所述监控终端系统包括患者手机APP监控端、远程手机APP脑电监测终端和远程脑电监测中心计算机终端，无线收发模块将数字信号发送到患者手机APP监控端，患者手机APP监控端将接收到的数字信号分别发送到远程手机APP脑电监测终端和远程脑电监测中心计算机终端。
所述的远程高级脑电图癫样放电自动分析识别及预警系统包括降噪模块、特征提取模块、分类器和报警模块，降噪模块将脑电信号进行分析和降噪处理，特征提取模块将降噪后的脑电信号分解为不同频率子带，以EV和MUSIC方法得到每一子带的功率谱，并从每个子带的功率谱中提取相应的均值、标准差、熵、移动性参数，将发作间期和发作期脑电功率谱参数输入到分类器构建算法中得到分类器，分类器将发病信号发送到报警模块，报警模块进行报警
本发明的有益效果：本发明提供的这种本发明提供的这种可穿戴式数字化脑电监测头盔，整合脑电采集、记录及放大系统与简易头盔于一体，研制便捷高效的可穿戴式数字化脑电监测头盔，不需要专业人员，患者自己便可操作完成，简化和方便患者的脑电监测；该头盔集脑电监测与分析和报警于一体，通过报警提醒患者、家属及医务人员即将或正在发生癫痫，已及时采取防护或救治措施；该头盔经发射系统2，将脑电信息发送至患者手机APP终端，再经Wifi发送至家属、医生的手机APP终端及医疗机构的脑电监测中心，实现远程实时监测，进行高级分析识别与报警；通过可穿戴式脑电监测头盔简易报警及远程高级分析识别报警的双重预警，可及时精准的发现患者即将发作、正在发作或夜间发作，提高检出痫样放电的阳性率，起到预警癫痫发作和发作报警的作用，及时有效的采取防护和救治措施，保障患者的自身安全。
附图说明
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1是可穿戴式数字化脑电监测头盔的原理示意图；
图2是头盔的结构示意图；
图3是佩戴头盔时采集电极的位置示意图；
图4是采集电极的结构示意图；
图5是脑电放大模块的原理示意图；
图6是无线收发模块的原理示意图；
图7是远程高级脑电图癫样放电自动分析识别及预警系统的原理示意图。
附图说明：1、采集电极；2、发射系统；3、头盔的识别及报警系统；4、盔壳；Fp1、左侧额极；Fp2、右侧额极；T3、左侧中颞；T4、右侧中颞。
具体实施方式
实施例1：
如图1和图2所示，一种可穿戴式数字化脑电监测头盔，包括采集电极1，采集用户的脑电信号；发射系统2，发射所述用户的脑电信号；头盔的识别及报警系统3，分析所述用户的脑电信号，识别可疑信号并报警；盔壳4，盔壳4内侧固定连接采集电极1，盔壳4两侧固定连接发射系统2，盔壳4内部固定连接头盔的识别及报警系统3；监控终端系统，接收所述用户的脑电信号并通过有线或无线发送至终端，实时显示脑电信号；远程高级脑电图癫样放电自动分析识别及预警系统，对脑电信号进行量化分析和模式识别，自动检测癫样放电并设置报警。所述的采集电极1分别连接发射系统2和头盔的识别及报警系统3，采集电极1将采集的脑电信号分别传输给发射系统2和头盔的识别及报警系统3，再经发射系统2发送给监控终端系统和远程高级脑电图癫样放电自动分析识别及预警系统，所述的可穿戴式数字化脑电监测头盔整合脑电采集、记录及放大系统与简易头盔于一体，研制便捷高效的可穿戴式数字化脑电监测头盔，不需要专业人员，患者自己便可操作完成，简化和方便患者的脑电监测，实现简约化的特点；该头盔集脑电监测与分析和报警于一体，通过报警提醒患者、家属及医务人员即将或正在发生癫痫，已及时采取防护或救治措施，实现一体化和智能化的特点，同时制备模块化集成脑电采集和发射系统2、识别及报警系统为一体的头盔，它与传统头盔相比，不仅舒适性好、佩戴稳定性好，而且与脑电采集、记录、发射装置和识别及报警系统综合使用后，配置新型简易装备的头盔具备脑电监测与远程信息传输功能。
如图2、图3和图4所示，所述的采集电极1数量为4个，分别被放置在国际10-20系统定义的电极位置Fp1、Fp2、T3、T4处，所述的采集电极1可拆卸且距离可调节，采集电极1采用干式电极。由于额叶和颞叶是癫痫发作最常见的部位，我们根据10-20国际脑电记录系统，选取双侧额极(Fp1、Fp2)和双侧中颞(T3、T4)，定制4导电极的头盔，电极固定于头盔内侧，其距离可以调节，并可拆卸、更换，以放置快速、部位准确为原则，根据头围，设计大、中、小三种型号，结构简单，适用范围广；采用干式电极，干式电极电极直接接触头皮，不需要涂抹或灌注导电膏，在银/氯化银材质基础上进一步优化，达到信号质量可靠，电极接触伪差小，保证脑电采集的精度、灵敏度，保持电极与皮肤间的低阻抗≤10kΩ，电位漂移≤25μV/小时，好处即下边所讲：非专业人员即可完成穿戴，不需导电膏，不需剃除毛发，不损伤皮肤。
实施例2：
如图2和图5所示，在实施例1的基础上，所述的发射系统2包括脑电放大模块、模/数转换模块和无线收发模块，脑电放大滤波模块依次连接模/数转换模块和无线收发模块，模/数转换模块采用模/数转换器ADS1298；脑电放大模块将采集电极1采集的脑电信号放大到模/数输入电压范围，模/数转换模块将放大后的脑电信号转化为数字信号，无线收发模块将数字信号发送到监控端。由可穿戴式脑电监测头盔采集的患者脑电信号，通过前置放大电路放大到200-400mV左右再经多路开关切换选通(切换频率为125Hz×20＝2.5KHz)，然后由后级放大电路进行第二级放大后，经模/数转换模块转换为数字信号，由无线收发模块发送，制备模块化集成脑电采集及无线传输装置的头盔，它与传统头盔相比，不仅舒适性好、佩戴稳定性好，而且与脑电采集、记录及发射装置综合使用后，配置新型简易装备的头盔具备脑电监测与远程信息传输功能。
如图5所示，所述的放大模块包括前置放大器、高通滤波电路、工频陷波电路、低通滤波电路和后级放大电路，前置放大器依次连接高通滤波电路、工频陷波电路、低通滤波放大电路和后级放大电路，采集的脑电信号依次通过前置放大器、高通滤波电路、工频陷波电路、低通滤波电路和后级放大电路进行放大；前置放大器选用美国布尔(BB)公司的仪表放大器INA128，该放大器是一种专门用于生物电信号采集的军工产品级别的集成仪表放大器；低通滤波电路选择有源低通滤波方式，集成放大器选用通用的OP07，选择截止频率为40Hz；50Hz陷波电路采用的是双T型阻容网络；后级放大电路由通用OP07组成的放大结构。所述的模/数转换模块采用模/数转换器ADS1298；采用模/数转换器ADS1298，ADS1298芯片是TI公司设计的专门用于生物电位测量的低功耗、8通道、24位模拟前端。与普通的模/数转换芯片相比，ADS1298更多的优势在于其便携性、紧凑性、低功耗性。该芯片的集成特性包括8路独立的PGA和24b ADC，右腿驱动电路以及电极检测等，这些功能极大地方便了脑电信号采集系统的设计。
如图6所示，所述的无线收发模块包括电源电路、程序接口电路、无线收发芯片、晶振电路、发射接收转换电路和天线，无线收发芯片分别连接电源电路、程序接口电路、晶振电路和发射接收转换电路，发射接收转换电路连接天线，天线为F天线且内置于盔壳4内部，电源电路的电源为纽扣电池，电源电路的电路中加入零欧姆电阻。无线收发模块包括蓝牙的远程数据采集和无线传输终端系统，利用蓝牙技术建立一个具有主从网络结构的蓝牙无线数据采集系统，设计采用基于BC219159蓝牙芯片的蓝牙模块，从设备以AT89C2051为控制器，将采集的脑电信号处理后送入蓝牙芯片进行无线发送，主设备选用77E58作为控制器，实现对从设备的自动搜索连接和数据的接收。无线收发模块的硬件设计主要包括天线设计、电源设计、晶振的选择。天线设计是无线模块设计中一个重要方面，尤其是在低功率和高密度的电路要求下，天线的好坏直接影响到传感器节点的通信质量和通讯距离，F天线具有结构紧凑性、全向性、高效性和简单性，应用广泛，选用F天线，并将其内置于脑电监测头盔内部，使头盔兼具天线功能。电源采用纽扣电池供电，提高供电质量，消除噪声干扰，电路中加入了OR(零欧姆)电阻，OR电阻相当于很窄的电流通路，能有效的限制环路电流，消除噪声干扰。
实施例3
在实施例2的基础上，所述监控终端系统包括患者手机APP监控端、远程手机APP脑电监测终端和远程脑电监测中心计算机终端，无线收发模块将数字信号发送到患者手机APP监控端，患者手机APP监控端将接收到的数字信号分别发送到远程手机APP脑电监测终端和远程脑电监测中心计算机终端；所述的远程脑电图癫样放电自动分析识别及预警系统运用小波分析对原始脑电进行分析、降噪、抑制，并采用人工神经网络交叉识别网络输出峰值分布曲线的分析。患者手机APP监控端基于蓝牙无线收发模块接收脑电信号，接收到脑电信号后再通过Wifi无线发送至患者家属及相关医务人员手机APP终端及脑电监测中心计算机终端，实时显示脑电信号。脑电监测终端系统的建立包括远程手机APP脑电监测终端和远程脑电监测中心计算机终端。利用可穿戴式数字化脑电监测头盔采集，患者手机APP监控端基于蓝牙无线收发模块接收头盔脑电信号，接收到脑电信号后再通过Wifi无线发送至患者家属及相关医务人员手机APP终端及脑电监测中心计算机终端，实时显示脑电信号，达到实时远程监测患者脑电的目的。根据我们的脑电昏迷、PCCEM昏迷量表、TMSEN量表等工作基础，结合脑电Young国际分级标准，建立无线脑电远程评估平台，对其实时脑电进行有效评估，并及时发出发作报警或预警即将出现的发作，从而进行有效防护。
脑电自动分析识别及预警系统包括两部分：可穿戴式脑电监测头盔的简易识别及报警，远程高级脑电图癫样放电自动分析识别及预警系统。
头盔的简易识别和报警，通过对脑电频率和波形的初步分析，对可疑癫样放电，给予报警提醒，促使其采取防护或救治措施。
远程高级脑电图癫样放电自动分析识别及预警系统，所述的远程高级脑电图癫样放电自动分析识别及预警系统包括降噪模块、特征提取模块、分类器和报警模块，降噪模块将脑电信号进行分析和降噪处理，特征提取模块将降噪后的脑电信号分解为不同频率子带，以EV和MUSIC方法得到每一子带的功率谱，并从每个子带的功率谱中提取相应的均值、标准差、熵、移动性参数，将发作间期和发作期脑电功率谱参数输入到分类器构建算法中得到分类器，分类器将发病信号发送到报警模块，报警模块进行报警，采用人工神经网络交叉识别网络输出峰值分布曲线的分析，建立一套全自动脑电图分析识别体系，对脑电信号进行模式识别，从而自动检测癫样放电并设置报警，更为及时精准的发现癫痫发作或预警发作。所述的降噪模块、特征提取模块、分类器、报警模块均为现有技术，EV和MUSIC方法为现有方法。
患者的6种常见癫样放电形式：棘波、尖波、棘-慢复合波、尖-慢复合波、多棘-慢复合波和多棘波。
棘波：突发一过性脑电图变化，明显突出于背景，多为负相，亦可为正相或双相、三相。其波幅多在100uV以上，80ms以内。
尖波：突发一过性脑电图变化，上升支与棘波相似，较陡直，而下降支较缓，其周期在80～200ms之间，波幅100～200uV，常为负相。
棘-慢复合波：由棘波和周期为200～500ms慢波所组成的，均为负相波。波幅较高105～300uV，甚者超过500uV。常两侧同步阵发出现，额区最明显。
尖-慢复合波：尖波后跟一个慢波，一般为1.5～2.5Hz，亦可见4～6Hz。多呈不规则同步爆发。
多棘-慢复合波：由数个棘波和一个慢波组成，常成串连续出现或不规则出现。棘波波幅高低不一，一般不超过慢波。
异常癫样放电脑电信号的识别：运用小波分析对原始脑电进行分析、降噪、抑制，并采用人工神经网络交叉识别网络输出峰值分布曲线的分析，建立一套全自动脑电图分析识别体系，对脑电信号进行模式识别，从而自动检测癫样放电并设置报警。实现远程化、智能化、一体化的技术效果。
本发明的应用前景：
①癫痫的监测与预报
癫痫是最常见的神经系统疾病之一，已被世界卫生组织列为全球重点防治的五大神经精神疾病。目前全世界约有5千万人罹患癫痫，我国现有900万以上的患者，同时以每年新发40-60万例的速度递增。其致残率高，治愈困难，患者多需终生服药。脑电图是反映脑电活动最直观、便捷的常规检查方法，是诊断癫痫发作、确定发作类型最重要的辅助手段。目前常规脑电图发现癫样发作的阳性率低。
通过可穿戴式脑电监测头盔简易报警及远程高级分析识别报警的双重预警，可及时精准的发现患者即将发作、正在发作或夜间发作，提高检出癫样放电的阳性率。起到预警癫痫发作和发作报警的作用，及时有效的采取防护和救治措施，保障患者的自身安全。国内外同类产品主要应用于控制外界实物或调节佩戴者情绪，没有针对患者癫样放电监测和报警的同类产品。
②高危行业的监控与预警
该监测头盔和监测设备也可应用于高空作业、石油化工、航空运输及长途运输等高危行业，通过对高危作业人员的脑电监测，及时发现其发生思睡、睡眠及异常病理状态，自动识别并发出报警，从而及时纠正异常状况或采取应急补救措施，最大限度的减少不良事故的发生，确保各项作业任务安全顺利完成，保障高危作业人员的自身安全，减少经济财产损失，具有极大的应用前景。
③战场伤员脑功能快速评估
④意识障碍脑功能监测与评估
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
Claims (7)
1.一种可穿戴式数字化脑电监测头盔，其特征在于：包括
采集电极(1)，采集用户的脑电信号；
发射系统(2)，发射所述用户的脑电信号；
头盔的识别及报警系统(3)，分析所述用户的脑电信号，识别可疑信号并报警；
盔壳(4)，盔壳(4)内侧固定连接采集电极(1)，盔壳(4)两侧固定连接发射系统(2)，盔壳(4)内部固定设置头盔的癫样放电识别及报警系统(3)；
监控终端系统，接收所述用户的脑电信号并通过无线发送至终端，实时显示脑电信号；
远程高级脑电图癫样放电自动分析识别及预警系统，对脑电信号进行量化分析和模式识别，自动检测癫样放电并设置报警。
2.如权利要求1所述的可穿戴式数字化脑电监测头盔，其特征在于：所述的采集电极(1)数量为4个，分别被放置在国际10-20系统定义的电极位置Fp1、Fp2、T3、T4处。
3.如权利要求2所述的可穿戴式数字化脑电监测头盔，其特征在于：所述的采集电极(1)可拆卸且距离可调节，采集电极(1)采用干式电极。
4.如权利要求3所述的可穿戴式数字化脑电监测头盔，其特征在于：所述的发射系统(2)包括脑电放大模块、模/数转换模块和无线收发模块，脑电放大滤波模块依次连接模/数转换模块和无线收发模块，模/数转换模块采用模/数转换器ADS1298。
5.如权利要求4所述的可穿戴式数字化脑电监测头盔，其特征在于：所述的无线收发模块包括电源电路、程序接口电路、无线收发芯片、晶振电路、发射接收转换电路和天线，无线收发芯片分别连接电源电路、程序接口电路、晶振电路和发射接收转换电路，发射接收转换电路连接天线，天线为F天线且内置于盔壳(4)内部，电源电路的电源为纽扣电池，电源电路的电路中加入零欧姆电阻。
6.如权利要求5所述的可穿戴式数字化脑电监测头盔，其特征在于：所述监控终端系统包括患者手机APP监控端、远程手机APP脑电监测终端和远程脑电监测中心计算机终端，无线收发模块将数字信号发送到患者手机APP监控端，患者手机APP监控端将接收到的数字信号分别发送到远程手机APP脑电监测终端和远程脑电监测中心计算机终端。
7.如权利要求6所述的可穿戴式数字化脑电监测头盔，其特征在于：所述的远程高级脑电图癫样放电自动分析识别及预警系统包括降噪模块、特征提取模块、分类器和报警模块，降噪模块将脑电信号进行分析和降噪处理，特征提取模块将降噪后的脑电信号分解为不同频率子带，以EV和MUSIC方法得到每一子带的功率谱，并从每个子带的功率谱中提取相应的均值、标准差、熵、移动性参数，将发作间期和发作期脑电功率谱参数输入到分类器构建算法中得到分类器，分类器将发病信号发送到报警模块，报警模块进行报警。
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