CN108968955A - 一种基于光学晶体的头盔式脑电帽 - Google Patents

一种基于光学晶体的头盔式脑电帽 Download PDF

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赵静
王睿航
张红霞
刘铁根
綦宏志
明东
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Abstract

本发明公开了一种基于光学晶体的头盔式脑电帽，大量所述光学晶体(2)排布于柔性头盔外壳1内，各个光学晶体(2)之间由光纤(4)相连；所述柔性干电极阵列(3)设置于光学晶体(2)的两极；光源(5)提供输入光波，输入光波经光耦合器(6)进入第一传输光纤(7)，连接到光学晶体(2)的输入端，光学晶体(2)的输出端经第二传输光纤(8)，由光电探测器(9)接收调制后的输出光波，最后经由信号处理模块(10)输出至显示器(11)及存储器(12)。与现有技术相比，本发明有效解决了现有脑电检测系统易受电磁干扰、信噪比低的问题；可直接佩戴，无需涂抹导电膏，柔性干电极本身具有一定弹性，可以更好地与受试者头皮接触，且不会引起其不舒适感；可以在头部需采集部位紧密布置，从而获得脑电信号分布状态。

Description

一种基于光学晶体的头盔式脑电帽
技术领域
本发明涉及一种脑电信号检测装置，特别是涉及一种基于光学晶体线性电光效应原理的头盔式脑电帽。
背景技术
脑电图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，脑电信号中包含着大量生理与疾病信息。在现代临床医学方面，对于脑电信号的监测逐渐应用于日常民用领域，不仅为某些脑疾提供诊断依据，还为某些脑疾提供有效的治疗手段。一般临床及日常监测应用的是头皮电极脑电图，即通过电极从头皮上将脑部的自发性电活动加以放大记录。
目前一般的头皮电极脑电图检测方法是将金属电极按照“国际标准导联10-20系统”的脑电极定位方法固定在有弹力的帽子上，在金属电极与受试者头皮之间涂抹导电膏。如此操作存在着佩戴流程复杂、舒适度较差等缺点，且导电膏和受试者头皮接触容易造成过敏、感染伤口等问题。由于脑电信号的电压变化是微伏量级，难以检测，且其背景噪声很强，导致脑电信号的信噪比低，主要噪声有头部运动、面部肌肉运动造成的干扰、接触不良引发的干扰和电磁辐射引发的干扰等。随着测量环境的复杂化和多样化，为获取极易受干扰的微弱脑电信号，目前主要通过改善电极与头皮之间的接触电阻、放大采集信号以及对脑电信号的软件分析和处理来获得信噪比更高的脑电数据。
申请公开号为CN106344010A的发明专利《一种用于脑电生物信号采集的头箍》公开了一种可以形变的头箍结构，头箍上的支撑环固定着电极传感器，以确保电极传感器与佩戴者的头部皮肤保持良好的接触，获得高质量的脑电信号。该专利所设计的头箍包含两个电极传感器，可以获得前额脑电信号和眨眼信号。申请公开号为CN106963375A的发明专利提出了《一种磁吸式连接的便携式脑电采集装置》，应用磁吸组件改变长度的发带，通过调整磁吸组件的位置，使得电极传感器可以贴合受试者的头部确保良好的接触。该专利布设多个电极传感器来获得前额部分的脑电信号。上述专利通过一定措施促使电极与受试者头皮接触更贴合，以使得脑电信号采集质量稳定；但这种方式对脑电信号采集质量的提高非常有限，所获得的脑电信号量不足以应用于临床或日常中的疾病监测和诊断。申请公开号为CN107788977A的发明专利提出了一种《可伸缩干电极结构的脑电及头皮肌电传感器》，通过电位器式位移传感器实现的，使得电极紧随头皮运动，解决电极与头皮接触不良的问题。该专利可以采集到脑电信号和头皮肌电信号，但由于头皮位移微弱，通过电位器或电容器采集到的头皮肌电信号的准确性不高，且容易引入新的误差。申请公开号为CN107088066A的发明专利《一种头盔式麻醉深度监护仪的脑电导联》公开了头盔式脑电导联，其中头盔式外壳设有屏蔽层、内部设有贴合人体头部形状的衬里、衬里上对应头部前额设有电极阵列。该专利用于监测病人的麻醉深度，无需注入导电膏，佩戴后不易脱落，可检测到前额脑电信号。申请公开号为CN106880354A的发明专利《一种充气式多电极脑电帽》公开了一种附有可充气式内囊头盔式外壳的脑电帽结构，该内囊内置电极，通过手动或自动充气膨胀使得可伸缩的电极更好的接触到测量皮肤，该头盔外壳设置铜网用于电磁屏蔽。该专利不需要手动放置电极，可检测到多电极位置的脑电信号。上述发明应用屏蔽层来解决电磁干扰的问题，当电磁干扰频谱范围较宽时，需要采用不同的金属材料或结构组成多层屏蔽层，不仅导致脑电帽体积重量增加，而且屏蔽效果不佳。
尽管上述发明专利在采集电极、结构设计及系统电磁屏蔽等方面做出了改进，但这些脑电信号传感器仍是采用放大器、滤波器等电学方式进行测量及信号传输，适用范围有所局限。在强电磁干扰下(如强的电刺激信号)利用电学方法检测到的信号会不可避免地引入噪声伪迹或产生严重失真，且在测试过程中对测试者可能存在一定风险。由于光学传感器件的无源、对电磁的不敏感性，应用其进行脑电测量，从传感器基本硬件结构上提出创新性的改变。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提出了一种基于光学晶体的头盔式脑电帽，应用对电磁干扰不敏感的光学传感器，利用光学晶体的Pockels效应实现人体脑电信号对光信号的调制，通过对输出端光信号的解调即可获取原始脑电信号，实现人体脑电信号的采集。
本发明的一种基于光学晶体的头盔式脑电帽，将光学晶体作为传感元件，所述头盔式脑电帽包括柔性头盔外壳1、光学晶体2、柔性干电极阵列3、光纤4、光源5、光耦合器6、第一传输光纤7、第二传输光纤8、光电调测器9、信号处理模块10、显示器11和存储器12，其中：
所述光学晶体2排布于柔性头盔外壳1内，各个光学晶体2之间由光纤4相连；所述光学晶体2内设置MZ干涉型的光波导通路；所述柔性干电极阵列3设置于光学晶体2的两极，即通过在每个MZ型干涉臂支路上镀柔性干电极阵列，构成两极结构、与光学晶体2之间形成附着的膜层结构；光源5提供输入光波，输入光波经光耦合器6进入第一传输光纤7，连接到光学晶体2的输入端，光学晶体2的输出端经第二传输光纤8，由光电探测器9接收调制后的输出光波，最后经由信号处理模块10输出至显示器11及存储器12。
与现有脑电信号检测技术相比，本发明具有以下优势：
(1)光信号具有高灵敏度、抗干扰、高精度的优点，有效解决了现有脑电检测系统电信号易受干扰、信噪比低的问题；通过传感器实现原理上创新，解决电磁干扰、电极与头皮接触不良以及电极与传感器间传输损耗造成的脑电信号数据受损问题，提高采集信号信噪比，为脑电图检测和分析研究领域提供有效可靠的脑电数据，适用于复杂环境中的脑电信号的采集；
(2)产品轻便、可穿戴，受试者直接佩戴，无需涂抹导电膏，柔性干电极本身具有一定弹性，可以更好地与受试者头皮接触，且不会引起其不舒适感；
(3)采集到的信号丰富，光学晶体及柔性干电极阵列体积小，可以在头部需采集部位紧密布置，获得脑部各位置的脑电信号，从而显著提高脑电信号采集质量，获得脑电信号分布状态，满足脑神经科学精确认识的需求。
附图标记
图1为基于光学晶体的头盔式脑电帽的结构示意图；
图2为基于光学晶体的头盔式脑电帽逻辑框图示意图；
附图标记：
1、柔性头盔外壳，2、光学晶体，3、柔性干电极阵列，4、光纤或光波导，5、光源，6、光耦合器，7、第一传输光纤，8、第二传输光纤，9、光电探测器，10、信号处理模块，11、显示器，12、存储器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。
本发明提出的级联式光纤呼吸传感器测试系统包括柔性头盔外壳1、光学晶体2、柔性干电极阵列3、光纤或光波导4、光源5、光耦合器6、第一传输光纤17、第二传输光纤8、光电调测器9、信号处理模块10、显示器11和存储器12；
由光源5发出的光信号经过光耦合器6后，分成多路经传输光纤进入到光学晶体中，受试者头皮上的电信号经柔性干电极阵列3加载在光学晶体2上，光学晶体2受到电信号作用，其折射率发生变化，进而导致晶体中的光信号产生相位延迟，即实现了电信号对光信号的相位调制。不同位置的脑电信号对光信号的调制不同，通过光学晶体2内的光学干涉作用，将相位延迟的变化转变为光信号光强的变化，即实现了两位置电压差对光信号的强度调制。强度调制后的光信号被传输到光电探测器9中，由探测器9转化为电信号，送到信号处理模块18进行处理，最后显示并存储下来。
所述大量光学晶体2包含于柔性头盔外壳1内，所述光学晶体2的两极设置有柔性干电极阵列3，以增加有效接触面积、降低接触压力；所述柔性干电极阵列3与光学晶体2之间通过镀膜等工艺附着特定的膜层结构，光学晶体2和柔性干电极阵列3为一体式，结构紧凑，有效避免外界干扰信号通过传输导线引入到系统中。光学晶体2按照10-20脑电极定位方法排布，在光学晶体内设计MZ干涉型的光波导通路，通过在每个MZ型干涉臂支路上镀柔性干电极阵列，构成两极结构，晶体上镀电极可由溅射、蒸镀、电镀、喷胶等工艺实现。光学晶体2之间由光纤或光波导4相连，光源5提供输入光波，输入光波经光耦合器6进入第一传输光纤7，连接到光学晶体2的输入端，光学晶体2的输出端经第二传输光纤8，由光电探测器9接收调制后的输出光波，最后经由信号处理模块10输出至显示器11及存储器12。
柔性头盔外壳1可选择常规的塑料、纤维织物等材料制成，也可选择聚对萘二甲酸乙二酯(PEN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等柔性聚合物材料制成。
光学晶体2可选择电光系数较大的晶体材料或薄膜材料，如LiNbO3、ZnTe、GaAsP/Si等。
柔性干电极阵列3可选择聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为基底和探头，探头经过导电材料修饰。
柔性干电极阵列3与所述光学晶体2间的膜层结构可为单层或多层，柔性干电极阵列直接与受试者头皮接触。
尽管应用光学晶体的脑电信号检测经过了电光转化过程，但光信号具有高灵敏度、抗干扰的优点，脑电信号由柔性干电极阵列获取后，经膜层结构直接进入光学晶体，阻抗低，采集过程中不产生电流回路，且不会引入电磁环境影响。可按照检测要求布置附有柔性干电极阵列的光学晶体，光学晶体体积小，可以实现多电极位置的脑电信号测量。考虑到不同脑电信号形成的电场不同，每个光学晶体内部的干涉单元之间有隔离层，防止相邻电场互相干扰。柔性干电极阵列无需加涂导电膏，电极探头可跟随受试者头皮形状发生形变，保持良好的接触的同时，降低接触压力，适用于较长时间的脑电监测以及复杂电磁环境中的脑电信号检测。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种基于光学晶体的头盔式脑电帽，将光学晶体作为传感元件，其特征在于，所述头盔式脑电帽包括柔性头盔外壳(1)、光学晶体(2)、柔性干电极阵列(3)、光纤(4)、光源(5)、光耦合器(6)、第一传输光纤(7)、第二传输光纤(8)、光电调测器(9)、信号处理模块(10)、显示器(11)和存储器(12)，其中：
所述光学晶体(2)排布于柔性头盔外壳(1)内，各个光学晶体(2)之间由光纤(4)相连；所述光学晶体(2)内设置MZ干涉型的光波导通路；所述柔性干电极阵列(3)设置于光学晶体(2)的两极，即通过在每个MZ型干涉臂支路上镀柔性干电极阵列，构成两极结构、与光学晶体(2)之间形成附着的膜层结构；光源(5)提供输入光波，输入光波经光耦合器(6)进入第一传输光纤(7)，连接到光学晶体(2)的输入端，光学晶体(2)的输出端经第二传输光纤(8)，由光电探测器(9)接收调制后的输出光波，最后经由信号处理模块(10)输出至显示器(11)及存储器(12)。
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