CN107898456A - 一种基于有源电极的脑电采集装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于有源电极的脑电采集装置,其包括有源电极、脑电信号采集器和电极线,电极线连接于有源电极和脑电信号采集器之间,有源电极内置有脑电电极和单位增益放大器,脑电信号采集器包括有依次连接的差分放大器、数据转换器、数字信号处理器和接口电路,其中:脑电电极用于获取脑电信号;单位增益放大器用于对脑电信号进行放大处理后;差分放大器用于将单位增益放大器输出的电信号差分放大至预设倍数;数据转换器用于将差分放大器输出的电信号转换为数字信号;数字信号处理器用于接收数据转换器输出的数字信号并通过接口电路上传至上行设备。本发明提高了抗干扰性与信号采集质量,同时具有小型化、便携化等特点。
Description
技术领域
本发明涉及脑电信号采集装置,尤其涉及一种基于有源电极的脑电采集装置及方法。
背景技术
脑电信号包含了大量的生理与病理信息,通过对脑电信号的处理,不仅可以为医生提供临床诊断的依据,还可以为某些脑疾病提供有效的辅助治疗手段。国内外对于脑电信号进行特性分析和特征提取的研究已经取得了重大的进展和成果。脑电信号的主要特点为:脑电信号幅度为5uV~100uV,一般只有50uV左右;频率范围为0.5Hz~35Hz,具有极强的工频50Hz干扰和极化电压干扰;内阻从几千欧姆到几百千欧姆不等且易于变化。
市场上主流的脑电采集系统或者设备,都是采用分离元器件搭建而成,体积大,笨重不便携;而且这些方案基本上都采用单片机作为数据转换和控制器,采集到信号精度相对较低。传统的脑电采集电路中,由于人体内阻较大以及接触电阻的因素,采集电极大多采用湿电极,接触电阻大大降低,对后级的阻抗要求也同样降低,因此该方案中可不采用射随器提高采集电路的输入阻抗,但采用湿电极使得被采集者采集部位残留大量导电膏,造成很大不便。
现有技术中,结合图1和图2所示,采用干电极的采集方案中,脑电采集电极100通过电极线101而连接于采集电路板106,采集电路板106包括有依次连接的射随器102、仪表放大器103、数据转换器104和单片机105,该方案中,在采集电路板106的前端加入射随器102,以提高采集电路的输入阻抗,但是在通常情况下,从脑电采集电极100到射随器102之间有较长的电极线101,会导致采集到的信号产生较大的波动。而且该方案采用单片机作为数据转换和控制器,采集到信号精度相对较低。
由此可见,现有技术中的两种方案,由于脑电信号幅度很低,射随器及仪表放大器的等效输入噪声都会降低信号采集电路的信噪比,而且大多采用单片机进行数据转换和处理,造成信号精度相对较低。同时,目前市场中脑电采集方案主要采用分立元器件搭建而成,体积大并且采集方式不简便。此外,若采用湿电极方案,虽然可以得到较稳定准确的信号,但采集后残留大量导电膏,造成很大不便。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术的不足,提供一种利用有源电极提高采集装置的抗干扰性与信号采集质量,同时实现采集设备小型化、便携化、采集过程简便化的基于有源电极的脑电采集装置及方法。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案。
一种基于有源电极的脑电采集装置,其包括有源电极、脑电信号采集器和电极线,所述电极线连接于有源电极和脑电信号采集器之间,所述有源电极内置有脑电电极和单位增益放大器,所述脑电信号采集器包括有依次连接的差分放大器、数据转换器、数字信号处理器和接口电路,其中:所述脑电电极用于获取脑电信号并传输至单位增益放大器;所述单位增益放大器用于对脑电电极采集的脑电信号进行放大处理后,通过电极线传输至差分放大器;所述差分放大器用于将单位增益放大器输出的电信号差分放大至预设倍数后传输至数据转换器;所述数据转换器用于将差分放大器输出的电信号转换为数字信号并传输至数字信号处理器;所述数字信号处理器用于接收数据转换器输出的数字信号并通过接口电路上传至上行设备。
优选地,所述脑电信号采集器包括有用于供电的电源模块。
优选地,所述差分放大器的输入端串联有第一斩波电路。
优选地,所述第一斩波电路包括有第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管,所述第一MOS管的漏极和第二MOS管的漏极相互连接后作为第一斩波电路的一个输入端,所述第三MOS管的漏极和第四MOS管的漏极相互连接后作为第一斩波电路的另一个输入端,所述第二MOS管的源极和第四MOS管的源极相互连接后作为第一斩波电路的一个输出端,所述第一MOS管的源极和第三MOS管的源极相互连接后作为第一斩波电路的另一个输出端,所述第一MOS管的栅极、第二MOS管的栅极、第三MOS管的栅极和第四MOS管的栅极分别用于接入时钟信号,藉由所述时钟信号而控制第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管的通断状态,以令所述第一斩波电路对差分放大器输入端的电信号进行斩波调制。
优选地,所述差分放大器的输出端串联有第二斩波电路,所述第二斩波电路的电路结构与第一斩波电路相同。
优选地,所述脑电信号采集器包括有时钟电路,所述时钟电路用于为第一斩波电路和第二斩波电路提供时钟信号。
一种基于有源电极的脑电采集方法,该方法基于一装置实现,所述装置包括有源电极、脑电信号采集器和电极线,所述电极线连接于有源电极和脑电信号采集器之间,所述有源电极内置有脑电电极和单位增益放大器,所述脑电信号采集器包括有依次连接的差分放大器、数据转换器、数字信号处理器和接口电路,所述方法包括:步骤S1,所述脑电电极获取脑电信号并传输至单位增益放大器;步骤S2,所述单位增益放大器对脑电电极采集的脑电信号进行放大处理后,通过电极线传输至差分放大器;步骤S3,所述差分放大器将单位增益放大器输出的电信号差分放大至预设倍数后传输至数据转换器;步骤S4,所述数据转换器将差分放大器输出的电信号转换为数字信号并传输至数字信号处理器;步骤S5,所述数字信号处理器接收数据转换器输出的数字信号并通过接口电路上传至上行设备。
优选地,所述脑电信号采集器包括有电源模块,利用所述电源模块为有源电极和脑电信号采集器供电。
优选地,所述差分放大器的输入端串联有第一斩波电路,所述差分放大器的输出端串联有第二斩波电路。
优选地,所述脑电信号采集器包括有时钟电路,且由所述时钟电路为第一斩波电路和第二斩波电路提供时钟信号。
本发明公开的基于有源电极的脑电采集装置,通过采用超高输入阻抗的有源电极,去掉了电极线以及人体脑部的内阻,消除脑电电极与人体之间的接触电阻等对信号的影响,同时在脑电信号采集器中集成了低噪声的差分放大器和高精度的数据转换器,大大提高了信号采集电路的信噪比,且提高了采集装置的抗干扰性与信号采集质量,同时本发明无需较多的分立元器件搭建,使得脑电采集装置更具小型化、便携化特点。
附图说明
图1为现有技术中脑电采集装置的组成框图。
图2为现有技术中脑电采集装置的信号处理流程图。
图3为本发明脑电采集装置的组成框图。
图4为第一斩波电路的原理图。
图5为本发明脑电采集装置的信号处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种基于有源电极的脑电采集装置,请参照图3,其包括有源电极1、脑电信号采集器2和电极线3,所述电极线3连接于有源电极1和脑电信号采集器2之间,所述有源电极1内置有脑电电极10和单位增益放大器11,所述脑电信号采集器2包括有依次连接的差分放大器20、数据转换器21、数字信号处理器22和接口电路23,其中:
所述脑电电极10用于获取脑电信号并传输至单位增益放大器11;
所述单位增益放大器11用于对脑电电极10采集的脑电信号进行放大处理后,通过电极线3传输至差分放大器20;
所述差分放大器20用于将单位增益放大器11输出的电信号差分放大至预设倍数后传输至数据转换器21;
所述数据转换器21用于将差分放大器20输出的电信号转换为数字信号并传输至数字信号处理器22;
所述数字信号处理器22用于接收数据转换器21输出的数字信号并通过接口电路23上传至上行设备。
上述脑电采集装置,通过采用超高输入阻抗的有源电极1,去掉了电极线以及人体脑部的内阻,消除脑电电极10与人体之间的接触电阻等对信号的影响,同时在脑电信号采集器2中集成了低噪声的差分放大器20和高精度的数据转换器21,大大提高了信号采集电路的信噪比,且提高了采集装置的抗干扰性与信号采集质量,同时本发明无需较多的分立元器件搭建,使得脑电采集装置更具小型化、便携化特点。
本实施例中,所述脑电信号采集器2包括有用于供电的电源模块24。
实际应用中,由于脑电信号幅度为5uV~100uV,一般只有50uV左右;频率范围为0.5Hz~35Hz,在这个低频频带范围内,器件的1/f闪烁噪声显得尤为重要,直接限制了可以处理的有效信号电平幅度。因此,本实施例在采集前端差分放大器部分引入斩波调制电路,具体是指:
结合图3和图4所示,所述差分放大器20的输入端串联有第一斩波电路25。进一步地,所述第一斩波电路25包括有第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第四MOS管Q4,所述第一MOS管Q1的漏极和第二MOS管Q2的漏极相互连接后作为第一斩波电路25的一个输入端,所述第三MOS管Q3的漏极和第四MOS管Q4的漏极相互连接后作为第一斩波电路25的另一个输入端,所述第二MOS管Q2的源极和第四MOS管Q4的源极相互连接后作为第一斩波电路25的一个输出端,所述第一MOS管Q1的源极和第三MOS管Q3的源极相互连接后作为第一斩波电路25的另一个输出端,所述第一MOS管Q1的栅极、第二MOS管Q2的栅极、第三MOS管Q3的栅极和第四MOS管Q4的栅极分别用于接入时钟信号,藉由所述时钟信号而控制第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第四MOS管Q4的通断状态,以令所述第一斩波电路25对差分放大器20输入端的电信号进行斩波调制。
本实施例中,所述差分放大器20的输出端串联有第二斩波电路26,所述第二斩波电路26的电路结构与第一斩波电路25相同。
上述斩波电路中,第一斩波电路25将有源电极1采集到的信号,通过斩波频率fchop调制到较高频率处,如几KHz,同时闪烁噪声和系统误差offset也都会被调制到该频率范围处,此频率范围内仅器件白噪声起主要作用,因此系统整体噪声大大降低,而后第二斩波电路26再将差分放大器20的输出信号调制回信号基本频率范围内,达到低输入噪声的设计目标。
本实施例中,所述脑电信号采集器2包括有时钟电路27,所述时钟电路27用于为第一斩波电路25和第二斩波电路26提供时钟信号。
本发明公开的基于有源电极的脑电采集装置中,有源电极1结合内置单位增益放大器的有源电极,实现人体脑电信号采集的功能,脑电信号采集器2包括全片内集成带有斩波功能且低噪声的差分放大器20、高精度的数据转换器21、数字信号处理器22、时钟电路27、共模驱动电路28、电源模块24和接口电路23。其中,脑电信号采集电极和单位增益的放大器,组成有源电极,该电极适用于干湿电极方案,单位增益放大器置于电极后,直接采集电极上电位信号,由于其强驱动能力,该电位信号具有较强的抗干扰能力,通过电极导联线,送到脑电信号采集器片前端;该信号经过具有斩波功能的差分放大器放大一定倍数后,由数据转换器转化为数字信号,通过特定的数字电路处理后,由接口电路传输出去给后端主控。本发明通过将单位增益放大器与采集电极集成的方式,将该放大器直接置于采集电极片之后,提高输入阻抗,并减小接触电阻等寄生效应对信号采集的影响,进而形成了有源采集电极。
为了更好地描述本发明的技术方案,本发明还公开了一种基于有源电极的脑电采集方法,结合图3至图5所示,该方法基于一装置实现,所述装置包括有源电极1、脑电信号采集器2和电极线3,所述电极线3连接于有源电极1和脑电信号采集器2之间,所述有源电极1内置有脑电电极10和单位增益放大器11,所述脑电信号采集器2包括有依次连接的差分放大器20、数据转换器21、数字信号处理器22和接口电路23,所述方法包括:
步骤S1,所述脑电电极10获取脑电信号并传输至单位增益放大器11;
步骤S2,所述单位增益放大器11对脑电电极10采集的脑电信号进行放大处理后,通过电极线3传输至差分放大器20;
步骤S3,所述差分放大器20将单位增益放大器11输出的电信号差分放大至预设倍数后传输至数据转换器21;
步骤S4,所述数据转换器21将差分放大器20输出的电信号转换为数字信号并传输至数字信号处理器22;
步骤S5,所述数字信号处理器22接收数据转换器21输出的数字信号并通过接口电路23上传至上行设备。
上述方法中,所述脑电信号采集器2包括有电源模块24,利用所述电源模块24为有源电极1和脑电信号采集器2供电。
上述方法还包括斩波处理过程:所述差分放大器20的输入端串联有第一斩波电路25,所述差分放大器20的输出端串联有第二斩波电路26。进一步地,所述脑电信号采集器2包括有时钟电路27,且由所述时钟电路27为第一斩波电路25和第二斩波电路26提供时钟信号。
本发明公开的基于有源电极的脑电采集装置及方法,相比现有技术而言,本发明采用集成化脑电采集装置的实现方式,使得采集设备小型化,便携化,采集过程简便化;同时,本发明将单位增益放大器与采集电极集成,形成有源电极,提高采集系统抗干扰性与信号采集质量;此外,本发明在采集前端电路差分放大器前后引入斩波电路,用以降低系统噪声,提高采集信噪比。
以上所述只是本发明较佳的实施例,并不用于限制本发明,凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等,均应包含在本发明所保护的范围内。
Claims (10)
1.一种基于有源电极的脑电采集装置,其特征在于,包括有源电极(1)、脑电信号采集器(2)和电极线(3),所述电极线(3)连接于有源电极(1)和脑电信号采集器(2)之间,所述有源电极(1)内置有脑电电极(10)和单位增益放大器(11),所述脑电信号采集器(2)包括有依次连接的差分放大器(20)、数据转换器(21)、数字信号处理器(22)和接口电路(23),其中:
所述脑电电极(10)用于获取脑电信号并传输至单位增益放大器(11);
所述单位增益放大器(11)用于对脑电电极(10)采集的脑电信号进行放大处理后,通过电极线(3)传输至差分放大器(20);
所述差分放大器(20)用于将单位增益放大器(11)输出的电信号差分放大至预设倍数后传输至数据转换器(21);
所述数据转换器(21)用于将差分放大器(20)输出的电信号转换为数字信号并传输至数字信号处理器(22);
所述数字信号处理器(22)用于接收数据转换器(21)输出的数字信号并通过接口电路(23)上传至上行设备。
2.如权利要求1所述的基于有源电极的脑电采集装置,其特征在于,所述脑电信号采集器(2)包括有用于供电的电源模块(24)。
3.如权利要求1所述的基于有源电极的脑电采集装置,其特征在于,所述差分放大器(20)的输入端串联有第一斩波电路(25)。
4.如权利要求3所述的基于有源电极的脑电采集装置,其特征在于,所述第一斩波电路(25)包括有第一MOS管(Q1)、第二MOS管(Q2)、第三MOS管(Q3)和第四MOS管(Q4),所述第一MOS管(Q1)的漏极和第二MOS管(Q2)的漏极相互连接后作为第一斩波电路(25)的一个输入端,所述第三MOS管(Q3)的漏极和第四MOS管(Q4)的漏极相互连接后作为第一斩波电路(25)的另一个输入端,所述第二MOS管(Q2)的源极和第四MOS管(Q4)的源极相互连接后作为第一斩波电路(25)的一个输出端,所述第一MOS管(Q1)的源极和第三MOS管(Q3)的源极相互连接后作为第一斩波电路(25)的另一个输出端,所述第一MOS管(Q1)的栅极、第二MOS管(Q2)的栅极、第三MOS管(Q3)的栅极和第四MOS管(Q4)的栅极分别用于接入时钟信号,藉由所述时钟信号而控制第一MOS管(Q1)、第二MOS管(Q2)、第三MOS管(Q3)和第四MOS管(Q4)的通断状态,以令所述第一斩波电路(25)对差分放大器(20)输入端的电信号进行斩波调制。
5.如权利要求4所述的基于有源电极的脑电采集装置,其特征在于,所述差分放大器(20)的输出端串联有第二斩波电路(26),所述第二斩波电路(26)的电路结构与第一斩波电路(25)相同。
6.如权利要求5所述的基于有源电极的脑电采集装置,其特征在于,所述脑电信号采集器(2)包括有时钟电路(27),所述时钟电路(27)用于为第一斩波电路(25)和第二斩波电路(26)提供时钟信号。
7.一种基于有源电极的脑电采集方法,其特征在于,该方法基于一装置实现,所述装置包括有源电极(1)、脑电信号采集器(2)和电极线(3),所述电极线(3)连接于有源电极(1)和脑电信号采集器(2)之间,所述有源电极(1)内置有脑电电极(10)和单位增益放大器(11),所述脑电信号采集器(2)包括有依次连接的差分放大器(20)、数据转换器(21)、数字信号处理器(22)和接口电路(23),所述方法包括:
步骤S1,所述脑电电极(10)获取脑电信号并传输至单位增益放大器(11);
步骤S2,所述单位增益放大器(11)对脑电电极(10)采集的脑电信号进行放大处理后,通过电极线(3)传输至差分放大器(20);
步骤S3,所述差分放大器(20)将单位增益放大器(11)输出的电信号差分放大至预设倍数后传输至数据转换器(21);
步骤S4,所述数据转换器(21)将差分放大器(20)输出的电信号转换为数字信号并传输至数字信号处理器(22);
步骤S5,所述数字信号处理器(22)接收数据转换器(21)输出的数字信号并通过接口电路(23)上传至上行设备。
8.如权利要求7所述的基于有源电极的脑电采集方法,其特征在于,所述脑电信号采集器(2)包括有电源模块(24),利用所述电源模块(24)为有源电极(1)和脑电信号采集器(2)供电。
9.如权利要求7所述的基于有源电极的脑电采集方法,其特征在于,所述差分放大器(20)的输入端串联有第一斩波电路(25),所述差分放大器(20)的输出端串联有第二斩波电路(26)。
10.如权利要求9所述的基于有源电极的脑电采集方法,其特征在于,所述脑电信号采集器(2)包括有时钟电路(27),且由所述时钟电路(27)为第一斩波电路(25)和第二斩波电路(26)提供时钟信号。
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