CN108143413A - 一种幼教用的儿童前额叶脑电活动采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种幼教用的儿童前额叶脑电活动采集装置。所述装置采用便携式和无线通信设计，可以同时采集多名儿童前额叶脑电，传输至云端服务器存储数据，异地可实时调用数据。其具体包括：信号采集模块、控制模块、Wi‑Fi通信模块、电源模块、头带、一次性电极。脑电信号通过一次性电极与头带连接，头带将脑电信号传输至信号采集模块进行放大滤波，然后进行AD转换，最后由Wi‑Fi通信模块将数据发送至云端服务器。本发明结构完整，功能齐全，能很好的保证儿童使用安全和信号质量，能够满足单人或多人的脑电采集应用。

Description

一种幼教用的儿童前额叶脑电活动采集装置

技术领域

本发明涉及脑科学信息采集处理领域，尤其是涉及一种适用于儿童的多人脑电采集装置。

背景技术

脑电波(EEG)是大脑在活动时，大量神经元同步发生的突触后电位经总和后形成的。它记录大脑活动时的电波变化，是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。现代科学研究已经知道，人脑工作时会产生自己的脑电波，可用电子扫描仪检测出。经过研究证实大脑在至少有五个不同的脑电波。

采集部分通常是用来收集脑电信号的装置，信号来源于人脑，装置的作用是将信号进行处理，对信号进行过滤，提取出纯正的脑电信号。目前脑电领域应用的一大难点是无法做到真正的有效采集，会有准确率上的限制(作者注：脑电的采集是一个过程，而不是一个个数值，从一个状态变为另外一个状态过程中的准确程度比较难以收集，单个状态较容易收集，准确度是整个过程的准确度)。提升采集精度主要有这几种办法可以解决：1、进行嵌(侵)入式采集，将大脑开颅植入传感器，这种方式不适合民用；2、提升采集通道的数量来提高准确度。多通道采集也不便于民用；或者是随着材料学等发展，逐渐走向民用。就目前的情况来看，民用设备(面向家用与娱乐)为了使用方便，通常使用较少通道、较低精度的采集方式，行业用途则使用多通道，高精度的方式。通过算法将脑电波解读为参数，来表示用户当前的精神状态。当采集的准确度不断提升后，识别部分也会不断提升。在进行脑神经信号采集并转换为参数后，可以根据参数进行两个方向行为的选择，一种是人机交互类的行为，也就是脑机接口，通过参数控制机器(或软件)进行交互；另一种则是认知科学(认知领域)，主要来探索人脑或心智的工作机制，研究人类感知和思维信息的处理过程。比方对脑电数据的分析，来进行医疗、消费心理等认知上的研究，这类研究要求很高的程序算法。

现有技术尚未公开过适用于儿童的多人脑电采集装置。

我国有近3亿儿童，儿童脑发育状况的研究成为热点，因此儿童的脑电采集有很大的市场需求，目前市场上脑电采集设备很多，但是没有一款针对儿童设计的。

儿童正在发育阶段，抵抗力较差，对采集设备的安全性要求高。一方面要降低重复、交叉使用电极导致的疾病传染风险，另一方面要避免脑电放大器在使用中对人身造成的伤害或潜在影响。常规的脑电放大器一般采用湿电极，在佩戴时需要在头皮和电极之间注入导电凝胶，不仅佩戴不便而且舒适度较差。电极重复、交叉使用增加了潜在疾病的传染风险。常规放大器一般采用市电供电，虽然有隔离防护措施，但在隔离器件失效时仍然有一定概率对人身造成伤害。

在脑电采集期间几乎任何身体部位的运动都会引起电极线摆动，普通电极在传输信号时由于信号源阻抗较高，传输线较长，电极线稍有摆动就会产生很大的运动伪迹。儿童活泼好动，该现象尤为明显，脑电信号中包含更多的运动伪迹。

对儿童脑电研究中，有时需要同时采集多人的脑电。常规脑电放大器实现群体采集通常有两种方法，一种为多人共用一个多通道脑电放大器，每人分配不同通道。但通常放大器只有一个参考电极，共用参考会导致人与人之间的信号串扰，影响采集结果的准确性；另一种方式为，每人使用一套独立的脑电放大器，完全独立运行。这样不仅会增加成本，而且设备间无法同步，无法进行多人协同、竞争等模式的采集。

常规的脑电放大器一般是离线设备，数据存储在本地，难以进行数据整合与分析。放大器功能无法升级，不利于设备维护。

本发明旨在开发一种适用于儿童使用、舒适、安全的多人脑电采集装置。

发明内容

针对上述情况，本发明提供一种适用于儿童使用、舒适、安全的多人脑电采集装置。

本发明的目的是针对儿童脑电采集所使用的常规脑电采集装置，安全性、舒适度、便捷性不高，对运动伪迹的抑制能力较差，难以进行多人同时采集，无法接入互联网，设计一种适用于儿童的多人脑电采集装置。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是设计一种适用于儿童的多人脑电采集装置，具体包括：信号采集模块、控制模块、Wi-Fi通信模块、电源模块、头带、一次性电极。

所述一次性电极片为自粘电极片，包括电极、衬底、导电胶、覆膜、卡扣；电极片有两种形式，一种为每个电极片上有三个电极，相邻电极的间距根据不同的头围在3厘米到5厘米之间变化，另一种为每个电极片上有一个电极；

电极片一面贴到额头采集脑电信号，另一面通过卡扣与头带连接；在未使用时，电极片有导电胶的一面贴有覆膜保护，使用时将覆膜揭开即可。

所述头带用于固定电极片、进行前置放大、传输信号，包括硅胶带、卡扣、前置放大模块、接口模块、魔术贴；

硅胶带采用医疗级硅胶材质，前置放大模块、卡扣和接口模块嵌入硅胶带内部；卡扣与电极片连接，相邻卡扣间距根据头围的不同在3厘米到5厘米之间变化；

前置放大模块用于对信号进行初级放大；接口模块提供前置放大器与外部的接口转接；

硅胶带戴到头上以后通过接头处的魔术贴进行长度调整和连接，针对不同的头围，魔术贴的长度在25厘米到35厘米之间变化。

所述用于信号放大和传输的脑电放大器，包括采集模块、控制模块、Wi-Fi通信模块、电源模块。

所述采集模块包含输入保护模块、放大滤波模块、AD转换模块；输入保护模块用于接口处的静电防护；放大滤波模块对信号进行放大和滤波；AD转换模块对信号进行模数转换。

所述控制模块用于系统的整体控制，包含AD控制模块、信号处理模块模块、状态监控、命令响应模块、通信控制模块；AD控制模块用于驱动AD芯片进行模数转换；信号处理模块用于对AD采集的信号进行数字滤波，信号校准等操作；状态监控模块用于监控整个系统的运行状态，包括电量监控、充放电监控、系统状态指示等；命令响应模块用于解析和响应云端命令；通信控制模块用于以特定协议与云端进行数据通信。

所述Wi-Fi通信模块用于放大器与外部的无线数据通信。

所述电源模块负责放大器电源管理，包含电池、稳压模块、充放电管理模块、电池保护模块；其中电池使用具有医疗级保护的锂电池；稳压模块用于提供系统所需的各种电压电源；充放电管理模块负责锂电池的充放电管理；电池保护模块用于锂电池的过压、过流、过温保护，当检测到锂电池电流异常时切断电池与外部的连接。

所述云端服务器负责提供数据的存储和分析，包含数据收发模块、数据管理模块、设备管理模块、算法服务模块、数据库模块；其中数据收发模块用于服务器与外部设备进行数据通信；数据管理模块用于执行数据的存储或转发。设备管理模块用于管理接入服务器的设备；算法服务模块用于提供脑电处理所需的算法；数据库模块用于脑电数据的存储和检索。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1.使用一次性电极，佩戴便捷性和舒适度有了很大提升，而且避免了重复使用造成的疾病交叉感染风险。

2.无线信号传输部件远离头部。无线电信号对人脑的影响目前还不明确，该设计将头带与放大器分离，使发射天线远离头部，确保儿童大脑发育不会受到潜在威胁的影响。

3.采用前置放大器技术，降低运动伪迹。前置放大器在电极处进行了信号调理，使脑电信号在进行长距离传输之前变为低阻抗信号，在传输过程中线动造成的干扰会大大降低。

4.放大器能够接入互联网与云端服务器通信，使整个系统的功能得到很大拓展。云端服务器可以提供数据存储和计算，有利于构建大数据库，利用云计算平台能够更好的支撑数据分析。云端服务器还可以对放大器进行固件升级和更新。

附图说明

附图1为图1为本发明装置的结构图。

其中：

1.一次性电极片

2.前置放大器

3.无线远离头部

4.可连接至云端。

附图2为一次性电极片样式1设计图。

附图3为一次性电极片样式2设计图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的具体实施例如以下说明。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述：

参照图1本发明装置的结构图。其中：

1.一次性电极片

2.前置放大器

3.无线远离头部

4.可连接至云端。

一种适用于儿童的多人脑电采集装置，其特征在于，其包括：

一次性电极片、包含前置放大器的头带、用于信号放大和传输的脑电放大器、用于数据存储、处理和转发的云端服务器。

所述一次性电极片为自粘电极片，包括电极、衬底、导电胶、覆膜、卡扣；电极片有两种形式，一种为每个电极片上有三个电极，相邻电极的间距根据不同的头围在3厘米到5厘米之间变化，另一种为每个电极片上有一个电极；

电极片一面贴到额头采集脑电信号，另一面通过卡扣与头带连接；在未使用时，电极片有导电胶的一面贴有覆膜保护，使用时将覆膜揭开即可。

所述头带用于固定电极片、进行前置放大、传输信号，包括硅胶带、卡扣、前置放大模块、接口模块、魔术贴；

硅胶带采用医疗级硅胶材质，前置放大模块、卡扣和接口模块嵌入硅胶带内部；卡扣与电极片连接，相邻卡扣间距根据头围的不同在3厘米到5厘米之间变化；

前置放大模块用于对信号进行初级放大；接口模块提供前置放大器与外部的接口转接；

硅胶带戴到头上以后通过接头处的魔术贴进行长度调整和连接，针对不同的头围，魔术贴的长度在25厘米到35厘米之间变化。

所述用于信号放大和传输的脑电放大器，包括采集模块、控制模块、Wi-Fi通信模块、电源模块。

所述采集模块包含输入保护模块、放大滤波模块、AD转换模块；输入保护模块用于接口处的静电防护；放大滤波模块对信号进行放大和滤波；AD转换模块对信号进行模数转换。

所述控制模块用于系统的整体控制，包含AD控制模块、信号处理模块模块、状态监控、命令响应模块、通信控制模块；AD控制模块用于驱动AD芯片进行模数转换；信号处理模块用于对AD采集的信号进行数字滤波，信号校准等操作；状态监控模块用于监控整个系统的运行状态，包括电量监控、充放电监控、系统状态指示等；命令响应模块用于解析和响应云端命令；通信控制模块用于以特定协议与云端进行数据通信。

所述Wi-Fi通信模块用于放大器与外部的无线数据通信。

所述电源模块负责放大器电源管理，包含电池、稳压模块、充放电管理模块、电池保护模块；其中电池使用具有医疗级保护的锂电池；稳压模块用于提供系统所需的各种电压电源；充放电管理模块负责锂电池的充放电管理；电池保护模块用于锂电池的过压、过流、过温保护，当检测到锂电池电流异常时切断电池与外部的连接。

所述云端服务器负责提供数据的存储和分析，包含数据收发模块、数据管理模块、设备管理模块、算法服务模块、数据库模块；其中数据收发模块用于服务器与外部设备进行数据通信；数据管理模块用于执行数据的存储或转发。设备管理模块用于管理接入服务器的设备；算法服务模块用于提供脑电处理所需的算法；数据库模块用于脑电数据的存储和检索。

Claims (9)

1.一种幼教用的儿童前额叶脑电活动采集装置，其特征在于，其包括：

一次性电极片、包含前置放大器的头带、用于信号放大和传输的脑电放大器、用于数据存储、处理和转发的云端服务器。

2.权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述一次性电极片为自粘电极片，包括电极、衬底、导电胶、覆膜、卡扣；电极片有两种形式，一种为每个电极片上有三个电极，相邻电极的间距根据不同的头围在3厘米到5厘米之间变化，另一种为每个电极片上有一个电极；

电极片一面贴到额头采集脑电信号，另一面通过卡扣与头带连接；在未使用时，电极片有导电胶的一面贴有覆膜保护，使用时将覆膜揭开即可。

3.权利要求1或2所述的装置，其特征在于：

所述头带用于固定电极片、进行前置放大、传输信号，包括硅胶带、卡扣、前置放大模块、接口模块、魔术贴；

硅胶带采用医疗级硅胶材质，前置放大模块、卡扣和接口模块嵌入硅胶带内部；卡扣与电极片连接，相邻卡扣间距根据头围的不同在3厘米到5厘米之间变化；

前置放大模块用于对信号进行初级放大；接口模块提供前置放大器与外部的接口转接；

硅胶带戴到头上以后通过接头处的魔术贴进行长度调整和连接，针对不同的头围，魔术贴的长度在25厘米到35厘米之间变化。

4.权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于：

所述用于信号放大和传输的脑电放大器，包括采集模块、控制模块、Wi-Fi通信模块、电源模块。

5.权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于：

所述采集模块包含输入保护模块、放大滤波模块、AD转换模块；输入保护模块用于接口处的静电防护；放大滤波模块对信号进行放大和滤波；AD转换模块对信号进行模数转换。

6.权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于：

所述控制模块用于系统的整体控制，包含AD控制模块、信号处理模块模块、状态监控、命令响应模块、通信控制模块；AD控制模块用于驱动AD芯片进行模数转换；信号处理模块用于对AD采集的信号进行数字滤波，信号校准等操作；状态监控模块用于监控整个系统的运行状态，包括电量监控、充放电监控、系统状态指示等；命令响应模块用于解析和响应云端命令；通信控制模块用于以特定协议与云端进行数据通信。

7.权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于：

所述Wi-Fi通信模块用于放大器与外部的无线数据通信。

8.权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于：

所述电源模块负责放大器电源管理，包含电池、稳压模块、充放电管理模块、电池保护模块；其中电池使用具有医疗级保护的锂电池；稳压模块用于提供系统所需的各种电压电源；充放电管理模块负责锂电池的充放电管理；电池保护模块用于锂电池的过压、过流、过温保护，当检测到锂电池电流异常时切断电池与外部的连接。

9.权利要求1-8任一项所述的装置，其特征在于：

所述云端服务器负责提供数据的存储和分析，包含数据收发模块、数据管理模块、设备管理模块、算法服务模块、数据库模块，其中数据收发模块用于服务器与外部设备进行数据通信；数据管理模块用于执行数据的存储或转发。设备管理模块用于管理接入服务器的设备，算法服务模块用于提供脑电处理所需的算法，数据库模块用于脑电数据的存储和检索。