CN110279413B - 一种具有微环-马赫曾德结构的脑电信号传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有微环‑马赫曾德结构的脑电信号传感器，包括光源(1)、分束器(2)、第一至第三波导(3)、(4)、(5)，微环谐振器(6)、电极(7)、合束器(8)及解调仪(9)，光波在传播中同时满足两环谐振条件的光发生谐振，全部或大部分从第三波导(5)输出，主谐振峰出现在同时满足两环谐振条件的波长处；脑电信号通过电极(7)加载第二微环谐振腔(62)上，第二微环谐振腔(62)的有效折射率随脑电信号的变化而变化，谐振波长发生变化，第二波导(4)与第三波导(5)输出光波发生干涉，谐振波长处干涉光强度发生突变，检测该光强的变化反推得到脑电信号。本发明更适合低幅值低频率脑电信号的测量，大大提高了灵敏度。

Description

一种具有微环-马赫曾德结构的脑电信号传感器

技术领域

本发明涉及生理电信号检测领域，特别是涉及一种具有微环-马赫曾德结构的脑电信号检测装置。

背景技术

脑电信号中包含着大量与大脑活动相关的信息和状态参数，因此检测脑电信号为分析大脑活动状态，评价大脑健康程度提供了一种有效的手段。因为脑电信号具有低幅值、低频率、非平稳性且极易受干扰的特征，所以实现脑电信号的检测通常需要包含信号处理系统，即对脑电信号进行放大、滤波和整形等操作，然而信号处理系统的输入端是整个脑电检测系统的前端即脑电信号传感器，高性能的传感器件可以大大减少噪声的引入，增加采集信号的信噪比，因此脑电信号传感器是脑电检测系统的核心部件。

目前，脑电信号传感器的实现方法有电学方法和光学方法。电学脑电信号传感器主要包括电极和电学传感器外围电路，电极将体液传导的离子电流转化成电子电流传导到外围电路，实现对头皮表面脑电波的直接记录，是传感器的重要组件。目前脑电电极主要分为两大类:一类是基于导电凝胶的湿电极，另一类是无需导电胶的干电极。由于湿电极技术中导电凝胶可以穿透头发使得皮肤角质层变得湿润，甚至可能穿透汗腺和毛孔渗透到皮肤的内层，因此具有良好的信噪比和较高的可靠性等优点。但是若直接采用在金属电极板和皮肤之间夹一层导电凝胶的方法，不仅存储的导电物质有限，缩短了电极使用周期，而且长时间使用将导致导电物质挥发，导致接触阻抗的不稳定，不利于生物电信号的采集。公开号CN103932695A的发明专利《湿电极储液箱以及具有这种储液箱的生物电信号采集湿电极》针对该问题提出了解决方案，该发明专利设计了一种能容纳导电液的储液箱，并将这种储液箱与湿电极组合设计。储液箱的底部设有和储液腔流体连通的皮肤接触组件，用于与头皮接触。在该储液腔的底部设有水封孔，连通到储液箱的外部，以通过动态平衡作用使储液腔可以稳定缓慢地释放导电液，使得皮肤和湿电极之间的接触阻抗稳定，大大延长了对生物电信号精确采集的时间。但是由于导电液不易清洗，容易引起测试者不适。干电极同样存在不足之处，如有源干电极采集脑电信号时易被环境中的噪声所影响；侵入式干电极刺破角质，容易造成刺痛感并带来感染风险；非侵入式干电极为减少头皮与电极之间的接触阻抗，多采用金属探针式结构，为使电极与头皮接触紧密，在使用过程中须施加压力，而金属探针非常坚硬，这让使用者感到不适。为保证舒适度就必须减小施加压力的大小，而减小压力会增加接触阻抗，不利于脑电信号的采集。研究人员针对该缺点做出了改进，如有专利号JP2013248306A的日本发明专利《BIOELECTRODE FOR MEASURING BRAIN WAVE》使用多个金属探头与被试验者的头皮接触，且在每个探头上加载了弹簧，当向电极施加较大压力使得金属探头接触到被试验者的头皮时，弹簧起到缓冲作用，大大减小了试验者的疼痛感。但是由于脑电信号本质是一种极微弱的电信号，这种方法仍然存在着易受电磁干扰的缺点。

为了解决电学装置中存在的上述问题，国内外研究人员均提出使用光学方法检测脑电信号。Ai-ichiro Sasaki等人在"Study of semiconductor electro-opticmodulators for sensing extremely-low-frequency electrical signals"一文中提出利用半导体材料的电光效应去检测生理电信号—心电信号，使用ZnTe和CdTe电光晶体制成脊形波导结构，将心电信号加载在位于脊形波导两侧的电极上，设计出了一种基于脊形波导的电光调制器，获得了清晰的心电信号。但是脑电信号作为生理电信号的一种，它具有比心电信号更低的幅值（0μV-200μV）和频率（0HZ-100HZ），因此传感器结构需要进一步优化设计，增加调制深度，使之适合于测量更低频的脑电信号。此外，该传感器尺寸较大，在某些领域，如可穿戴装置中，过大的尺寸不能满足脑电传感器小型化的发展需求。

发明内容

为了提高光学传感器的灵敏度、增加调制深度，本发明提出了一种微环—马赫曾德干涉结构的脑电信号传感器，利用微环谐振腔实现了共振波长处强度调制，最后通过检测该光强的变化反推得到脑电信号。

本发明的一种具有微环-马赫曾德结构的脑电信号传感器，包括宽带光源1、分束器2、第一至第三波导3、4、5，微环谐振器6、电极7、合束器8以及解调仪9，其中：

宽带光源1提供输入光波，经过分束器2进入马赫曾德结构的Y型分支后分成两部分，分别进入两分支波导即第一波导3和第二波导4，在第一波导3和第三波导5之间通过直接耦合的方式耦合上微环谐振器6，所述微环谐振器6由第一、第二微环谐振腔61、62串联组成，脑电信号通过电极7加载在第二微环谐振腔62上；通过第一波导3上传输的光波到达与第一微环谐振腔61的交叠区域，一部分输入光耦合进入第一微环谐振腔61中顺时针传输，另一部分输入光则继续沿着第一波导3传输；耦合进入第一微环谐振腔61的一部分光波在微环内传输了一半周长长度时再次发生近场耦合，将这一部分光波耦合进入第二微环谐振腔62中逆时针传输，剩余部分光波将继续在第一微环谐振腔61中传输；耦合进入第二微环谐振腔62中的这部分光信号将会在环内传输微环一半周长长度时，一部分光波耦合到第三波导5上沿着该波导向前传播，其他部分光信号则会继续在第二微环谐振腔62内传输；第三波导5上的光波与第二波导4上的光波进入合束器8发生干涉后输出，由解调仪9接收输出光波。

光波传播同时满足两个微环谐振腔中两环谐振条件的光在整个微环谐振器6中谐振，并全部或大部分从第三波导5输出，第三波导5的主谐振峰出现在能同时满足两环谐振条件的波长处。

所述第二微环谐振腔62的有效折射率随脑电信号的变化而变化，导致谐振波长发生变化，第二波导4与第三波导5中输出的光波发生干涉，谐振波长处干涉光强度发生突变。

微环谐振腔可选择串联或并联多个微环谐振腔的结构。

所述电极（7）包括行波电极和集总电极。

所述行波电极的分布形式包括条形电极、三角形电极、多边形电极或环形电极几种分布形式。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1）作为光学传感器，能够抗电磁干扰，具有较高的可靠性、精确性、稳定性，提高了采集信号的信噪比：

2）微环谐振腔有高度的相位敏感性，利用共振波长处强度调制的方法，提高了调制深度，相比于波长调制方法，更易于实现低幅值低频率脑电信号的测量，大大提高了传感器的灵敏度；

3）技传感器尺寸小，易于集成：

4）该传感器结构能够调节微环谐振腔的谐振波长，每一个微环谐振腔都具有不同的谐振波长，而不受其他波长光波的干扰，通过波分复用技术，可设计出多导联的脑电信号传感器。

附图说明

图1为本发明的一种具有微环-马赫曾德结构的脑电信号传感器的结构示意图；

附图标记：1、光源，2、分束器，3、4、5、第一、第二、第三波导，6、微环谐振器，61、62、第一、第二微环谐振腔，7、电极，8、合束器，9、解调仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

本发明所依据的原理是：当满足谐振条件时，谐振波长处的干涉峰值最大；当脑电信号通过线性电光效应改变了微环谐振腔波导的有效折射率时，谐振波长会发生移动，导致谐振波长处干涉峰值发生突变，由此干涉光强的突变便可检测到脑电信号，从而实现一种新型光学脑电信号传感器。

如图1所示，为本发明的一种具有微环-马赫曾德结构的脑电信号传感器的结构示意图，该结构包括光源1、分束器2、第一至第三波导3、4、5，微环谐振器6、电极7、合束器8以及解调仪9；宽带光源1提供输入光波，经过分束器2进入马赫曾德结构的第一个Y型分支分为两部分，分别进入两分支波导即第一波导3和第二波导4，在第一波导3和第三波导5之间通过直接耦合的方式耦合上由第一、第二微环谐振腔61、62串联组成的微环谐振器6，脑电信号通过电极7加载在第二微环谐振腔62上。通过第一波导3上传输的光波到达与第一微环谐振腔61的交叠区域时，由于传输光的倏逝波发生近场耦合，使得一部分输入光耦合进入第一微环谐振腔61中顺时针传输，另一部分输入光则继续沿着第一波导3传输，耦合进入第一微环谐振腔61的一部分光波在微环内传输了一半周长长度时再次发生近场耦合，将这一部分光波耦合进入第二微环谐振腔62中逆时针传输，剩余部分光波将继续在第一微环谐振腔61中传输；同样的，耦合进入第一微环谐振腔62中的这部分光信号将会在环内传输微环一半周长长度时，一部分光波耦合到第三波导5上沿着该波导向前传播，其他部分光信号则会继续在第二微环谐振腔62内传输；最后第三波导5上的光波与第二波导4上的光波进入合束器8发生干涉后输出，由解调仪9接收输出光波。

光波在如上所述的传播过程中，同时满足两环谐振条件的光在整个结构中谐振，并全部或大部分从第三波导5输出，第三波导5的主谐振峰出现在能同时满足两环谐振条件的波长处。当脑电信号通过电极7加载在第二微环谐振腔62上时，电极7产生的电场利用线性电光效应改变了微环波导材料的有效折射率，即第二微环谐振腔62的有效折射率将随脑电信号的变化而变化，这导致谐振波长发生变化，当第二波导4与第三波导5中输出的光波发生干涉时，谐振波长处干涉光强度发生突变，最后通过检测该光强的变化反推得到脑电信号。

由于脑电信号微弱，本发明采用强度调制的方法对其进行检测。

所述微环谐振器6采用两个串联的微环谐振腔结构，相比于单个微环谐振腔结构，提高了马赫曾德干涉两路光的消光比。具有串联式结构的微环谐振器6不限于此一种形式，也可使用单个微环或串联、并联多个微环谐振腔。可选的组成材料有具有线性电光效应的材料，如无机晶体材料（KDP、LiNbO3），III-V化合物半导体材料，有机聚合物材料等。

第一、第二、第三波导3、4、5选择使用硅波导。

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 (5)

1.一种具有微环-马赫曾德结构的脑电信号传感器，其特征在于，包括宽带光源（1）、分束器（2）、第一至第三波导（3）、（4）、（5），微环谐振器（6）、电极（7）、合束器（8）以及解调仪（9），其中：

宽带光源（1）提供输入光波，经过分束器（2）进入马赫曾德结构的Y型分支后分成两部分，分别进入两分支波导即第一波导（3）和第二波导（4），在第一波导（3）和第三波导（5）之间通过直接耦合的方式耦合上微环谐振器（6），所述微环谐振器（6）由第一、第二微环谐振腔（61）、（62）串联组成，脑电信号通过电极（7）加载在第二微环谐振腔（62）上；通过第一波导（3）上传输的光波到达与第一微环谐振腔（61）的交叠区域，一部分输入光耦合进入第一微环谐振腔（61）中顺时针传输，另一部分输入光则继续沿着第一波导（3）传输；耦合进入第一微环谐振腔（61）的一部分光波在微环内传输了一半周长长度时再次发生近场耦合，将这一部分光波耦合进入第二微环谐振腔（62）中逆时针传输，剩余部分光波将继续在第一微环谐振腔（61）中传输；耦合进入第二微环谐振腔（62）中的这部分光信号将会在环内传输微环一半周长长度时，一部分光波耦合到第三波导（5）上沿着该波导向前传播，其他部分光信号则会继续在第二微环谐振腔（62）内传输；第三波导（5）上的光波与第二波导（4）上的光波进入合束器（8）发生干涉后输出，由解调仪（9）接收输出光波。

2.如权利要求1所述的一种具有微环-马赫曾德结构的脑电信号传感器，其特征在于，光波传播同时满足两个微环谐振腔中两环谐振条件的光在整个微环谐振器（6）中谐振，并全部或大部分从第三波导（5）输出，第三波导（5）的主谐振峰出现在能同时满足两环谐振条件的波长处。

3.如权利要求1所述的一种具有微环-马赫曾德结构的脑电信号传感器，其特征在于，所述第二微环谐振腔（62）的有效折射率随脑电信号的变化而变化，导致谐振波长发生变化，第二波导（4）与第三波导（5）中输出的光波发生干涉，谐振波长处干涉光强度发生突变。

4.如权利要求1所述的一种具有微环-马赫曾德结构的脑电信号传感器，其特征在于，所述电极（7）包括行波电极和集总电极。

5.如权利要求4所述的一种具有微环-马赫曾德结构的脑电信号传感器，其特征在于，所述行波电极的分布形式包括条形电极、三角形电极、多边形电极或环形电极几种分布形式。

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