CN108904975A - 一种经颅电刺激中阻抗检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于经颅电刺激的阻抗检测系统，其特征在于，其包括：控制模块、驱动电路、保护模块、阻抗检测模块，另外包括接触人体的海绵电极。所述控制模块：包括DA模块，MCU单元，AD采样模块；DA模块主要用于驱动DA芯片进行数模转换；MCU单元用于通过信号输出和反馈的不同状态进行控制；AD采样模块用于驱动AD芯片进行模数转换；其原理主要是通过MCU进行驱动DA产生模拟信号，驱动后对信号进行峰值检测及相关控制，从而通过AD产生数字信号进行反馈。
Description
本发明涉及经颅电刺激中阻抗检测系统领域，具体地说，是一种应用于多种刺激模式下的经颅电刺激中刺激电极与头皮之间的阻抗检测系统。
背景技术
目前国内外市场上有很多公司生产经颅电刺激设备，最大输出电压±9～±40V左右，输出电流在±500～±4500μA左右。设备内部为恒流源，可在最大输出电压范围内输出一种或多种电流波形。在刺激过程中如果电极与头皮接触不充分，局部电流增大，将会造成皮肤灼伤。因此经颅电刺激设备中需要实时检测电极与头皮的接触阻抗，如果发现阻抗增大到一定程度，就需要立即切断输出，避免皮肤灼伤。
通过计算电极片与皮肤的接触阻抗，检测电极与头皮接触情况。经颅电刺激技术有多种形式的刺激，其中有直流刺激、交流刺激、噪声刺激等，传统的阻抗检测无法满足交流刺激或高频刺激的需求，因此我们提出了新型阻抗检测系统，用于实现多种刺激方式下的阻抗检测。
现有技术存在以下几个缺点：
1.目前阻抗检测主要应用于直流刺激模式，在交流或高频刺激方式下会出现较大误差。
2.使用现有的阻抗检测方式，如果想对交流或高频刺激有较高精度的检测效果，只能采用高速高精度的器件，这会导致成本大幅增加。
3.在阻抗检测时，大多数产品仅依赖阻抗检测的方法，当阻抗检测电路失效时，例如AD损坏，采样电阻脱落等；导致系统不能获得真实的电流。虽然计算阻抗值在正常范围内，但是也可能造成皮肤损伤。
本发明通过使用低成本器件设计新型阻抗检测方式，不仅能够满足直流刺激模式下的阻抗检测，还能满足包括交流刺激、噪声刺激、高频刺激在内的多种刺激模式下的阻抗检测。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明提供了一种适用于经颅电刺激的阻抗检测系统，其特征在于，其包括：控制模块、驱动电路、保护模块、阻抗检测模块，另外包括接触人体的海绵电极。
所述控制模块：包括DA模块，MCU单元，AD采样模块；DA模块主要用于驱动DA芯片进行数模转换；MCU单元用于通过信号输出和反馈的不同状态进行控制；AD采样模块用于驱动AD芯片进行模数转换；其原理主要是通过MCU进行驱动DA产生模拟信号，驱动后对信号进行峰值检测及相关控制，从而通过AD产生数字信号进行反馈。
所述驱动电路：主要包括功率运算放大器及相关电路；其主要用于对输入的信号进行驱动和放大。
所述保护模块，主要包括场效应管和采样电阻，其主要用检测电路中电流是否正常。若电流异于真实值时，系统会立即切断输出，关闭设备。
所述阻抗检测模块：包含电流监控单元，电压监控单元，峰值检测电路，和控制单元。电流监控单元主要用于对阻抗检测电路中的电流进行监控；电压监控单元主要用于对阻抗检测电路中的电压进行监控；峰值检测电路主要用于通过跟踪信号峰值，使输入信号保持在最大峰值，通过包络检波方法将高频部分滤波，低频部分保留，实现多种刺激模式下人体的阻抗检测；控制单元主要对监控的电压或电流存在异常时进行控制，关闭使能，并切断输出；其原理主要是通过对驱动后的模拟信号进行峰值检测，监控回路中电流和电压的大小。
所述海绵电极：包括一对电极外壳和一对海绵，通过将海绵电极放到需要的刺激定位点上，进行刺激。
本发明的思路在于：
(1)在直流阻抗检测中，阻抗值主要由两部分决定，一是采集的电流输出值，另一个是采集的电压输出值，因此检测精度由采集电压和电流的精度决定。如果想获得高精度的阻抗值，一种简单的方案是使用高成本的器件来提高它的采样精度；另外一种是本发明提出的，采用了最小二乘法模型对阻抗检测电路中的电压和电流进行校准，提高采集电压和电流的精度，这样使低成本器件拥有更高的检测精度。
(2)由于直流阻抗检测主要在低速度的采集下完成的，对带宽的要求不高。如果实际应用中需要交流刺激、噪声刺激等高频刺激模式进行阻抗检测时，这些刺激模式需要更高的带宽，势必对器件的采样频率要求更高，导致器件成本增加。当噪声刺激阻抗检测时，电压和电流变化速度快，低速度采集无法满足要求。另外在电流很小的情况下，会导致阻抗值偏差更大。本发明根据实际需求设计了峰值检测电路，对输入的检测信号进行采样保持，通过波形整流再进行低通滤波，得到低频信号，这样不仅降低了采样频率，也使低成本器件实现采样要求。
(3)针对阻抗检测电路失效时，电路中不能获得真实电流。本发明添加了互锁保护机制，该装置由场效应管等无源器件组成，可靠性更高。当电路中电流异常时，控制系统会立刻切断输出，避免造成皮肤损伤和对仪器设备的损坏。
本发明采用了线性回归分析的方法—最小二乘法，针对已知的数据进行线性拟合，由于AD采到的数据呈线性分布，因而通过直线方程可以得到一个近似的描述，使这些点的值更有效地接近真实值。设此直线方程为：
这里的为了区分真实值y，当x取值xi(i＝1,2,3......n)时，yi为真实值，近似值为其中(1)式叫做y对x的回归直线方程，b叫做回归系数。
所以我们只需确定a与回归系数b即可。
其中，Q为总离差，使之达到最小，通过对公式进行变形和求导，当Q为最小时，
通过程序计算描点作图可以看出，通过线性回归后，得到的近似值更加接近真实的观测值，该方法明显的提高了数据转换的精度，并且能够自动校正了元器件带来的误差。
本发明的优点：
1.采用了最小二乘法模型对阻抗检测电路中的电压和电流进行校准，提高采集电压和电流的精度，这样使低成本器件拥有更高的检测精度。
2.通过包络检波的方法将快变的交流信号转换为慢变的单极性信号，采集这种信号对采集器件要求大幅降低，以较低采样速度采集电压和电流，不仅降低了生产成本，还能满足包括直流刺激、交流刺激、噪声刺激在内的多种刺激模式下的阻抗检测。
附图说明
图1为本发明融合个体化脑节律比和前额肌电能量的神经反馈方法的流程示意图。
图2为本发明阻抗检测流程。
图3为校正电压与真实值。
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：
针对现有技术的缺点，本发明提供了一种适用于经颅电刺激的阻抗检测系统，其特征在于，其包括：控制模块、驱动电路、保护模块、阻抗检测模块，另外包括接触人体的海绵电极。
所述控制模块：包括DA模块，MCU单元，AD采样模块；DA模块主要用于驱动DA芯片进行数模转换；MCU单元用于通过信号输出和反馈的不同状态进行控制；AD采样模块用于驱动AD芯片进行模数转换；其原理主要是通过MCU进行驱动DA产生模拟信号，驱动后对信号进行峰值检测及相关控制，从而通过AD产生数字信号进行反馈。
所述驱动电路：主要包括功率运算放大器及相关电路；其主要用于对输入的信号进行驱动和放大。
所述保护模块，主要包括场效应管和采样电阻，其主要用检测电路中电流是否正常。若电流异于真实值时，系统会立即切断输出，关闭设备。
所述阻抗检测模块：包含电流监控单元，电压监控单元，峰值检测电路，和控制单元。电流监控单元主要用于对阻抗检测电路中的电流进行监控；电压监控单元主要用于对阻抗检测电路中的电压进行监控；峰值检测电路主要用于通过跟踪信号峰值，使输入信号保持在最大峰值，通过包络检波方法将高频部分滤波，低频部分保留，实现多种刺激模式下人体的阻抗检测；控制单元主要对监控的电压或电流存在异常时进行控制，关闭使能，并切断输出；其原理主要是通过对驱动后的模拟信号进行峰值检测，监控回路中电流和电压的大小。
所述海绵电极：包括一对电极外壳和一对海绵，通过将海绵电极放到需要的刺激定位点上，进行刺激。
传统的阻抗检测系统主要应用于直流刺激方式，本发明利用峰值检测电路跟踪信号峰值，其输出电压的大小，一直追随输入信号的峰值，而且保持在输入信号的最大峰值，通过波形整流后，进行低通滤波，实现阻抗检测目的。该检测手段不仅实现了直流模式下的阻抗检测，还能满足交流刺激、噪声刺激、高频刺激在内的多种刺激模式下的阻抗检测。
阻抗检测流程如图2所示。
本实施例采用了线性回归分析的方法—最小二乘法，针对已知的数据进行线性拟合，由于AD采到的数据呈线性分布，因而通过直线方程可以得到一个近似的描述，使这些点的值更有效地接近真实值。设此直线方程为：
这里的为了区分真实值y，当x取值xi(i＝1,2,3......n)时，yi为真实值，近似值为其中(1)式叫做y对x的回归直线方程，b叫做回归系数。
所以我们只需确定a与回归系数b即可。
其中，Q为总离差，使之达到最小，通过对公式进行变形和求导，当Q为最小时，
通过程序计算描点作图可以看出，通过线性回归后，得到的近似值更加接近真实的观测值，该方法明显的提高了数据转换的精度，并且能够自动校正了元器件带来的误差。
校正电压与真实值如图3所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种适用于经颅电刺激的阻抗检测系统，其特征在于，其包括：控制模块、驱动电路、保护模块、阻抗检测模块，另外包括接触人体的海绵电极。
2.权利要求1所述的检测系统，其特征在于：
所述控制模块：包括DA模块，MCU单元，AD采样模块；DA模块主要用于驱动DA芯片进行数模转换；MCU单元用于通过信号输出和反馈的不同状态进行控制；AD采样模块用于驱动AD芯片进行模数转换；其原理主要是通过MCU进行驱动DA产生模拟信号，驱动后对信号进行峰值检测及相关控制，从而通过AD产生数字信号进行反馈。
3.权利要求1所述的检测系统，其特征在于：
所述驱动电路：主要包括功率运算放大器及相关电路；其主要用于对输入的信号进行驱动和放大。
4.权利要求1所述的检测系统，其特征在于：
所述保护模块，主要包括场效应管和采样电阻，其主要用检测电路中电流是否正常。若电流异于真实值时，系统会立即切断输出，关闭设备。
5.权利要求1所述的检测系统，其特征在于：
所述阻抗检测模块：包含电流监控单元，电压监控单元，峰值检测电路，和控制单元。电流监控单元主要用于对阻抗检测电路中的电流进行监控；电压监控单元主要用于对阻抗检测电路中的电压进行监控；峰值检测电路主要用于通过跟踪信号峰值，使输入信号保持在最大峰值，通过包络检波方法将高频部分滤波，低频部分保留，实现多种刺激模式下人体的阻抗检测；控制单元主要对监控的电压或电流存在异常时进行控制，关闭使能，并切断输出；其原理主要是通过对驱动后的模拟信号进行峰值检测，监控回路中电流和电压的大小。
6.权利要求1所述的检测系统，其特征在于：
所述海绵电极：包括一对电极外壳和一对海绵，通过将海绵电极放到需要的刺激定位点上，进行刺激。
7.权利要求1所述的系统，其特征在于：本系统采用了线性回归分析的方法—最小二乘法，针对已知的数据进行线性拟合，由于AD采到的数据呈线性分布，因而通过直线方程可以得到一个近似的描述，使这些点的值更有效地接近真实值；
设此直线方程为：
这里的为了区分真实值y，当x取值xi(i＝1,2,3......n)时，yi为真实值，近似值为其中(1)式叫做y对x的回归直线方程，b叫做回归系数。
所以我们只需确定a与回归系数b即可。
其中，Q为总离差，使之达到最小，通过对公式进行变形和求导，当Q为最小时，
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