CN108095719A - 一种用于检测人体脑电信号的采集系统及方法 - Google Patents

一种用于检测人体脑电信号的采集系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于检测人体脑电信号的采集系统，其包括有：脑电信号采集装置，用于感应人体脑电波并输出电信号；模拟前端，电性连接于脑电信号采集装置，所述模拟前端用于接收脑电信号采集装置输出的电信号；中央处理单元，电性连接于模拟前端，所述中央处理单元用于对模拟前端接入的电信号进行处理后输出结果数据；蓝牙模块，电性连接于中央处理单元，所述蓝牙模块用于将中央处理单元输出的结果数据通过无线方式发出；上位机，无线连接于蓝牙模块，所述上位机用于接收和显示蓝牙模块发出的结果数据。本发明具有小型化、便携性特点，并且抗干扰能力强、结构简化、可靠性好。

Description

一种用于检测人体脑电信号的采集系统及方法
技术领域
本发明涉及脑电信号采集处理技术领域，尤其涉及一种用于检测人体脑电信号的采集系统及方法。
背景技术
现有技术中，常见的脑电测量方式是通过分离器件搭建而成的，请参照图1，采用仪表运放+带通滤波+陷波器+高精度ADC+MCU+PC模式，其中，仪表运放:一个特殊的差动放大器，具有超高输入阻抗，极其良好的CMRR，低输入偏移，低输出阻抗，能放大那些在共模电压下的信号。每一个通道信号都需要一路仪表运放。PGA：可编程增益放大器(programmablegain amplifier，PGA)，其放大倍数可以根据需要用程序进行控制。采用这种放大器，可通过程序调节放大倍数，使A/D转换器满量程信号达到均一化，因而大大提高测量精度。所谓量程自动转换就是根据需要对所处理的信号利用可编程增益放大器进行倍数的自动调节，以满足后续电路和系统的要求。数字滤波器：数字滤波器由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种算法或装置。数字滤波器的功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。ADC：Analog-to-Digital Converter的缩写，指模/数转换器或者模数转换器。是指将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的器件。MCU：微控制单元，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)或者单片机，是把中央处理器(Central Process Unit；CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机。串口：串行接口简称串口，也称串行通信接口或串行通讯接口(通常指COM接口)，是采用串行通信方式的扩展接口。串行接口(Serial Interface)是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信(可以直接利用电话线作为传输线)，从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。
上述电路的模拟前端复杂，容易产生不稳定因素，而且容易耦合工频信号到有用信号中，导致信噪比太低从而无法提取有用信号。
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，提供一种具有小型化、便携性特点，并且抗干扰能力强、结构简化、可靠性高的用于检测人体脑电信号的采集系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种用于检测人体脑电信号的采集系统，其包括有：脑电信号采集装置，用于感应人体脑电波并输出电信号；模拟前端，电性连接于脑电信号采集装置，所述模拟前端用于接收脑电信号采集装置输出的电信号；中央处理单元，电性连接于模拟前端，所述中央处理单元用于对模拟前端接入的电信号进行处理后输出结果数据；蓝牙模块，电性连接于中央处理单元，所述蓝牙模块用于将中央处理单元输出的结果数据通过无线方式发出；上位机，无线连接于蓝牙模块，所述上位机用于接收和显示蓝牙模块发出的结果数据。
优选地，包括有用于供电的电源模块。
优选地，还包括有数据存储单元，所述数据存储单元电性连接于中央处理单元，所述数据存储单元用于存储中央处理单元输出的结果数据。
优选地，所述数据存储单元包括有TF卡。
优选地，所述中央处理单元内置有数据滤波模块，所述数据滤波模块用于滤除脑电信号采集装置输出电信号中的干扰数据。
优选地，所述上位机是计算机或手机。
优选地，所述中央处理单元包括有STM32处理器。
一种用于检测人体脑电信号的采集方法，该方法基于一系统实现，所述系统包括有脑电信号采集装置、模拟前端、中央处理单元、蓝牙模块和上位机，所述方法包括如下步骤：步骤S1，所述脑电信号采集装置感应人体脑电波并输出电信号至模拟前端；步骤S2，所述模拟前端接收脑电信号采集装置输出的电信号并传输至中央处理单元；步骤S3，所述中央处理单元对模拟前端接入的电信号进行处理后输出结果数据至蓝牙模块；步骤S4，所述蓝牙模块将中央处理单元输出的结果数据通过无线方式上传至上位机；步骤S5，所述上位机接收和显示结果数据。
优选地，所述中央处理单元电性连接有数据存储单元，所述中央处理单元输出的结果数据存储于所述存储单元。
优选地，所述中央处理单元内置有数据滤波模块，藉由所述数据滤波模块而滤除脑电信号采集装置输出电信号中的干扰数据。
本发明公开的用于检测人体脑电信号的采集系统中，脑电信号采集装置感应人体脑电波并输出电信号至模拟前端，所述模拟前端接收脑电信号采集装置输出的电信号并传输至中央处理单元，所述中央处理单元对模拟前端接入的电信号进行处理后输出结果数据至蓝牙模块，所述蓝牙模块将中央处理单元输出的结果数据通过无线方式上传至上位机，所述上位机接收和显示结果数据。基于该系统，使得本发明实现了脑电采集设备的小型化，以及采集方式的简便化，同时提高了采集系统的抗干扰能力、稳定性和可靠性，适合在脑电信号采集技术领域推广应用，并具有较好的应用前景。
附图说明
图1为现有技术中脑电测量方法的流程图。
图2为本发明系统的组成框图。
图3为本发明方法的流程图。
图4为本发明优选实施例中脑电信号采集装置的立体图。
图5为本发明优选实施例中脑电信号采集装置的侧视图。
图6为本发明优选实施例中脑电信号采集装置的仰视图。
图7为采集头的下端面结构图。
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。
本发明公开了一种用于检测人体脑电信号的采集系统，请参照图2，其包括有：
脑电信号采集装置100，用于感应人体脑电波并输出电信号；
模拟前端101，电性连接于脑电信号采集装置100，所述模拟前端101用于接收脑电信号采集装置100输出的电信号；
中央处理单元102，电性连接于模拟前端101，所述中央处理单元102用于对模拟前端101接入的电信号进行处理后输出结果数据；
蓝牙模块103，电性连接于中央处理单元102，所述蓝牙模块103用于将中央处理单元102输出的结果数据通过无线方式发出；
上位机104，无线连接于蓝牙模块103，所述上位机104用于接收和显示蓝牙模块103发出的结果数据。
上述系统中，脑电信号采集装置100感应人体脑电波并输出电信号至模拟前端101，所述模拟前端101接收脑电信号采集装置100输出的电信号并传输至中央处理单元102，所述中央处理单元102对模拟前端101接入的电信号进行处理后输出结果数据至蓝牙模块103，所述蓝牙模块103将中央处理单元102输出的结果数据通过无线方式上传至上位机104，所述上位机104接收和显示结果数据。基于该系统，使得本发明实现了脑电采集设备的小型化，以及采集方式的简便化，同时提高了采集系统的抗干扰能力、稳定性和可靠性，适合在脑电信号采集技术领域推广应用，并具有较好的应用前景。
上述系统包括有用于供电的电源模块105。
为了实现数据存储，本实施例还包括有数据存储单元106，所述数据存储单元106电性连接于中央处理单元102，所述数据存储单元106用于存储中央处理单元102输出的结果数据。进一步地，所述数据存储单元106包括有TF卡。
为了提高数据处理精度，所述中央处理单元102内置有数据滤波模块，所述数据滤波模块用于滤除脑电信号采集装置100输出电信号中的干扰数据。关于接收端，所述上位机104是计算机或手机。
作为一种优选方式，所述中央处理单元102包括有STM32处理器。该中央处理器STM32通过SPI串行总线发送命令配置模拟前端。设置PGA放大器为24倍、通道个数为8通道、采样率为250Hz、导联脱离提醒。配置成功后发送启动测量。当模拟前端采集到的数据就绪后会通过GPIO口的形式通知CPU，CPU通过SPI获取脑电信号后再进行滤波处理并通过蓝牙把脑电数据上传给PC机，同时把数据储存在TF卡中便于后期数据备份。
为了更好地描述本发明的技术方案，本发明还公开了一种用于检测人体脑电信号的采集方法，结合图2和图3所示，该方法基于一系统实现，所述系统包括有脑电信号采集装置100、模拟前端101、中央处理单元102、蓝牙模块103和上位机104，所述方法包括如下步骤：
步骤S1，所述脑电信号采集装置100感应人体脑电波并输出电信号至模拟前端101；
步骤S2，所述模拟前端101接收脑电信号采集装置100输出的电信号并传输至中央处理单元102；
步骤S3，所述中央处理单元102对模拟前端101接入的电信号进行处理后输出结果数据至蓝牙模块103；
步骤S4，所述蓝牙模块103将中央处理单元102输出的结果数据通过无线方式上传至上位机104；
步骤S5，所述上位机104接收和显示结果数据。
上述方法中，所述中央处理单元102电性连接有数据存储单元106，所述中央处理单元102输出的结果数据存储于所述存储单元106。进一步地，所述中央处理单元102内置有数据滤波模块，藉由所述数据滤波模块而滤除脑电信号采集装置100输出电信号中的干扰数据。
本发明公开的系统及方法，其测量人体的脑电波时，采用集成模拟前端的方式，摈弃了前述采用分离器件的复杂测量过程，另外输出传输采样蓝牙传输方式，不仅使得测量设备很大程度的小型化、便携化，而且使得采集的数据稳定可靠。
作为本发明的一种应用举例，结合图2、图4至图7所示，所述脑电信号采集装置100包括有弧形的支架1，所述支架1的两端通过束带2连接，所述支架1的中间处形成有向上延伸的挡板3，所述挡板3向支架1的内侧倾斜，且该挡板3的内侧壁呈弧形，所述支架1上设有多个弧形支杆4，所述弧形支杆4分设于挡板3的两侧，且所述弧形支杆4向支架1的内侧倾斜，所述弧形支杆4的端部和挡板3的内侧壁分别固定有采集头5，所述采集头5的下端面设有EEG电极6，藉由所述支架1、束带2和挡板3的配合作用而将所述脑电信号采集装置佩戴于人体头部，藉由所述弧形支杆4和挡板3的弧形内侧壁而令所述采集头5上的EEG电极6贴紧于人体脑部。
上述脑电信号采集装置中，利用支架1、束带2和挡板3组成的结构可佩戴于人体脑部，支架1上的弧形支杆4向脑部的需要采集信号的位置延伸，在挡板3和弧形支杆4的作用下，令多个采集头5分布于脑部的相应位置，并使得EEG电极6贴紧于人体脑部，进而实现了脑电波信号的采集。该装置采用可穿戴式结构，相比现有技术中依赖导电胶或者有创植入的方式而言，该装置在使用时方便快捷、安全无创，同时在束带2的作用下，使得该装置能根据头部大小进行调节，此外该装置采用EEG电极6作为感应器件，具有稳定可靠、采集精度高等特点。基于上述特性，使得该脑电信号采集装置适合应用于脑电采集处理系统中，并具有较好的应用前景。
作为一种优选方式，所述支架1的中间处形成有向下延伸的凸出部7。该凸出部7的一个作用在于卡接在额头处，使得该装置在佩戴后更加稳定，其另一个作用是能够在内部放置线路板、电子器件等，本实施例中，所述凸出部7的下端设有开关8、指示灯9和存储卡槽10。
作为一种优选方式，所述支架1上设有6个弧形支杆4。本实施例在挡板3的两侧分别设置3个弧形支杆4，进而对左脑和右脑进行信号采集，该弧形支杆4设置为弧形结构，可使得采集头5的端面能保持在与头部相抵接的状态，进而提高信号采集过程的稳定性。
本实施例中，所述EEG电极6呈蜂窝状布设于所述采集头5的下端面。进一步地，所述支架1为轻合金材质的支架，所述弧形支杆4为轻合金材质的支杆。
本实施例中的脑电信号采集装置，采集EEG信号的过程稳定可靠，采用了佩戴简单、舒适的头戴式结构，且电极可拆卸更换。其中，EEG电极采用干电极方式，解决了湿电极配戴不方便和使用后难以清理的问题，电极部分采用了蜂窝式电极接触方式，消除了平面电极与毛发部位的头皮接触不良等问题。同时，通过韧性极高的合金材质等实现对电极的稳定支撑，保证电极既能稳定接触头皮层采集脑电信号，同时降低电极重力作用在头部的压力，降低电极接触引入的噪声信号。此外，以左右分布电极的方式分别采集左右脑电信号，只需佩戴头戴式信号采集装置即可准确定位到脑电采集部位，为后台分析提供实时有效的脑电信号。
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)

1.一种用于检测人体脑电信号的采集系统，其特征在于，包括有：
脑电信号采集装置(100)，用于感应人体脑电波并输出电信号；
模拟前端(101)，电性连接于脑电信号采集装置(100)，所述模拟前端(101)用于接收脑电信号采集装置(100)输出的电信号；
中央处理单元(102)，电性连接于模拟前端(101)，所述中央处理单元(102)用于对模拟前端(101)接入的电信号进行处理后输出结果数据；
蓝牙模块(103)，电性连接于中央处理单元(102)，所述蓝牙模块(103)用于将中央处理单元(102)输出的结果数据通过无线方式发出；
上位机(104)，无线连接于蓝牙模块(103)，所述上位机(104)用于接收和显示蓝牙模块(103)发出的结果数据。
2.如权利要求1所述的用于检测人体脑电信号的采集系统，其特征在于，包括有用于供电的电源模块(105)。
3.如权利要求1所述的用于检测人体脑电信号的采集系统，其特征在于，还包括有数据存储单元(106)，所述数据存储单元(106)电性连接于中央处理单元(102)，所述数据存储单元(106)用于存储中央处理单元(102)输出的结果数据。
4.如权利要求3所述的用于检测人体脑电信号的采集系统，其特征在于，所述数据存储单元(106)包括有TF卡。
5.如权利要求1所述的用于检测人体脑电信号的采集系统，其特征在于，所述中央处理单元(102)内置有数据滤波模块，所述数据滤波模块用于滤除脑电信号采集装置(100)输出电信号中的干扰数据。
6.如权利要求1所述的用于检测人体脑电信号的采集系统，其特征在于，所述上位机(104)是计算机或手机。
7.如权利要求1所述的用于检测人体脑电信号的采集系统，其特征在于，所述中央处理单元(102)包括有STM32处理器。
8.一种用于检测人体脑电信号的采集方法，其特征在于，该方法基于一系统实现，所述系统包括有脑电信号采集装置(100)、模拟前端(101)、中央处理单元(102)、蓝牙模块(103)和上位机(104)，所述方法包括如下步骤：
步骤S1，所述脑电信号采集装置(100)感应人体脑电波并输出电信号至模拟前端(101)；
步骤S2，所述模拟前端(101)接收脑电信号采集装置(100)输出的电信号并传输至中央处理单元(102)；
步骤S3，所述中央处理单元(102)对模拟前端(101)接入的电信号进行处理后输出结果数据至蓝牙模块(103)；
步骤S4，所述蓝牙模块(103)将中央处理单元(102)输出的结果数据通过无线方式上传至上位机(104)；
步骤S5，所述上位机(104)接收和显示结果数据。
9.如权利要求8所述的用于检测人体脑电信号的采集方法，其特征在于，所述中央处理单元(102)电性连接有数据存储单元(106)，所述中央处理单元(102)输出的结果数据存储于所述存储单元(106)。
10.如权利要求8所述的用于检测人体脑电信号的采集方法，其特征在于，所述中央处理单元(102)内置有数据滤波模块，藉由所述数据滤波模块而滤除脑电信号采集装置(100)输出电信号中的干扰数据。
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