CN110327041B - 一种三明治结构的反射式光学脑电信号传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三明治结构的反射式光学脑电信号传感器，包括宽带光源(1)、光耦合器(2)、起偏器(3)、检偏器(4)、传感头(7)以及光电探测器(8)，光耦合器的第一至第四端口(21)(22)(23)(24)分别与宽带光源(1)、光电探测器(8)、起偏器(3)和检偏器(4)相连接；所述起偏器(3)和所述检偏器(4)再分别与传感头(7)连接，所述起偏器(3)产生的偏振光经过第一、第二自聚焦透镜(5)、(6)被传输到传感头(7)中；所述传感头(7)为三明治结构。本发明实现了一种结构微小、紧凑、简单，易于集成，成本低、响应速度快、抗干扰能力强以及信噪比高的脑电信号传感器。

Description

一种三明治结构的反射式光学脑电信号传感器

技术领域

本发明涉及属于生理电信号传感检测技术领域，特别涉及一种光学脑电信号传感器。

背景技术

脑电信号(EEG)是一种典型的生理电信号，是大脑皮层神经细胞电活动的总体反映，包含着大量与大脑活动相关的信息和状态参数，是临床检测的重要生理参数之一，也是脑机接口、认知科学和意念操纵等领域研究的重要对象。长期以来，脑电信号传感器在脑电检测系统中发挥着重要作用，高性能的传感器件不仅可以大大减少噪声的引入，获得高信噪比的脑电信号，而且能快速地检测脑电信号变化并做出响应，具有较高的灵敏度。这些良好的传感特性对准确分析大脑状态或疾病，实现人与计算机之间的准确交流等应用领域均具有重要意义。

目前，脑电信号传感器主要分为电学脑电信号传感器和光学脑电信号传感器。电学脑电信号传感器主要依靠传统的电极直接对头皮表面的脑电波进行采集，再通过放大器、滤波器等电学方式进行处理。电极主要包括湿电极、半干电极、有源干电极，干电极等，其中性能较为优良的是湿电极，但是湿电极由于有导电凝胶的存在容易引起测试者不适；半干电极存在电极易变形，寿命短以及存储性较差等缺点，通常还需要改善各种陶瓷材料，孔隙率和电解质浓度对电极性能的影响。长期以来，研究人员已经从采集电极、传感器结构设计和抗干扰等多个方面对电学脑电信号传感器的性能进行优化和提升，如有已授权专利CN105105747A《脑电波量测装置及电极帽》使用干电极及与该干电极固定连接的液压控制模块共同组成脑电波量测装置，在液压控制模块中利用导电液体调节干性电极与皮肤之间的压力，从而保证干性电极能够与人体皮肤稳定接触，导电液体可以吸收或者反射外界的干扰电波，从而减小干扰电波对脑电波信号的影响。已授权专利CN207928316U《生物电信号采集装置》设计了一种特殊的传感结构，利用套筒和固定件的卡接，使设在套筒上的离子导电体和附在固定件内壁上的电极挤压接触，电极与外电路连接，从而形成生物电信号测量回路，有效避免了因电子导体连接件磨损或腐蚀造成电路的不导通问题。已授权专利CN105943035A《全电磁屏蔽自导引自展开头皮微电极》发明了一种抗干扰能力强、无创、精确、实时的全电磁屏蔽头皮微电极。该发明在圆柱形电极柱外面套有电磁屏蔽橡胶，用来阻挡外部的电磁屏蔽干扰及微电极之间的电磁干扰，同时与电极柱连接的电极线线芯外部包裹着绝缘层和电磁屏蔽层，进一步提高了电极的抗干扰能力。这些方法均改良了传感器的传感特性，但由于脑电信号本质是一种极微弱的电信号，上述方法在应用于强电磁干扰环境下仍然存在着易受电磁干扰的缺点。

为了进一步解决这些问题，国内外许多研究人员均提出基于不同光学原理的光学脑电信号传感器，目前主要有基于线性电光效应原理的传感器，如现有技术中申请公开号为CN108968955A《一种基于光学晶体的头盔式脑电帽》，该专利将脑电信号加载在光学晶体(铌酸锂、碲化锌等)上，光学晶体受到电信号作用，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，即实现了脑电信号对光信号的相位调制，最后通过在输出端解调光信号的变化实现了脑电信号的检测。Stuart.A.Kingsley等人在"Photrodes^TMforphysiological sensing"一文中提出使用马赫-曾德结构电光调制器检测心电信号和脑电信号，将生理电信号加载在位于马赫曾德结构两臂上方的电极上，利用线性电光效应使两臂上的光信号产生相位差，最后通过干涉作用将相位调制转化为强度调制，实现了生理电信号的检测。基于该光学原理的方法提升了传感器的抗电磁干扰能力，但由于脑电信号低幅值(1μV-200μV)和低频率(0HZ-100HZ)的特点，使用该方法提高传感器的灵敏度时，需要降低调制器的半波电压，半波电压的值与电极间距，电光作用长度以及晶体的电光系数有关。可以通过增加电光作用长度达到降低半波电压的目的，但在马赫曾德结构中就意味着装置尺寸的增加，这种做法在某些领域，如可穿戴装置中，不能满足脑电传感器小型化的发展需求，因此汲取光学传感的优点继续设计和改进脑电信号传感器是迫切需要的。

发明内容

为了改善光学传感器件的灵敏度，本发明提出一种三明治结构的反射式光学脑电信号传感器，利用脑电信号和光学分子极化之间的关系，通过测量透光材料反射光强的变化，实现对脑电信号的传感测量。

本发明的一种三明治结构的反射式光学脑电信号传感器，包括宽带光源1、光耦合器2、起偏器3、检偏器4、传感头7以及光电探测器8，光耦合器的第一至第四端口21、22、23、24分别与宽带光源、光电探测器、起偏器和检偏器相连接；所述起偏器3和所述检偏器4再分别与传感头7连接；所述传感头7为三明治结构，包括由位于上层的环形电极71、位于中层的光学材料薄层72和位于下层的平板电极73组成的，所述环形电极71用于连接参考电极，平板电极73用于连接脑电信号电极；所述起偏器3产生的偏振光经过第一自聚焦透镜5入射到传感头7中，在传感头7中依次通过环形电极71和铁电液晶72，被平板电极73反射后，最后经第二自聚焦透镜6出射；

当脑电信号加载在传感头7上时，传感头中的光学材料薄层72与脑电信号产生相互作用，使入射光偏振态发生变化，进而使反射光强发生变化，光电探测器8测量反射光信号的光强变化，从而获得脑电信号。

所述平板电极是一种柔性金属材料薄层。

所述柔性金属材料薄层可选柔性金属材料薄层可选柔韧度高和反射率高的金属。

所述柔性金属材料薄层选择金或银其中之一的金属材料。

所述环形电极71是一种金属微环。

所述金属微环的材料可选任意导电性能良好的金属。

所述光学材料薄层72使用电活性材料。

所述电活性材料至少可选螺旋形变铁电液晶或水凝胶材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)所设计的传感模块结构微小、紧凑、简单，易于集成，可实现可穿戴测量；

(2)传感模块加载的脑电信号电压与反射光强成线性关系，响应速度可达到秒，而且此时每单位电压变化时反射率也有很大的改变即有较高的灵敏度；

(3)光学系统抗电磁干扰，抗振性能及温度性能优越。

附图说明

图1为本发明的一种三明治结构的反射式光学脑电信号传感器结构示意图；

图2为在集成可穿戴实例中的传感器局部放大结构示意图；

图3为传感头结构示意图；

图4为传感头剖视图。

附图标记：

1、宽带光源，2、光耦合器，3、起偏器，4、检偏器，5、6、第一、第二自聚焦透镜，7、传感头，8、光电探测器，9、单模光纤、10、参考电极，11、参考电极引线，12、头皮脑电电极引线，21、22、23、24、光耦合器的第一至第四端口，71、环形电极，72、铁电液晶，73、平板电极。

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。

如图1所示，为本发明的一种三明治结构的反射式光学脑电信号传感器结构示意图。该传感器包括宽带光源1、光耦合器2、起偏器3、检偏器4、第一、第二自聚焦透镜5、6、传感头7、光电探测器8、单模光纤9、参考电极10、参考电极引线11以及头皮脑电电极引线12。其中：宽带光源1的输出端与光耦合器2的第一端口21连接，光耦合器2的第三、第四端口23、24分别通过单模光纤9与起偏器3的输入端、检偏器4的输出端连接，起偏器3和检偏器4分别与传感头7的输入端和输出端连接；光耦合器2的第二端口22与光电探测器8的输入端连接；该传感器结构的核心是传感头7，它是由位于上层的环形电极71、位于中层的铁电液晶72和位于下层的平板电极组成的三明治结构，参考电极10通过电极引线11与环形电极71连接，脑电信号电极通过头皮脑电电极引线12与平板电极73连接。该传感器工作过程描述如下：

宽带光源1发出的光信号由单模光纤9传输，经过起偏器3后成为偏振光，偏振光经过第一自聚焦透镜5入射到传感头7中，在传感头7中依次通过环形电极71和铁电液晶72，被平板电极73反射后，最后经第二自聚焦透镜6反射，检偏器4和光耦合器2耦合到光电探测器中。当脑电信号电压加载在环形电极71和铁电液晶72上时，其产生的电场与铁电液晶72相互作用，调节合适的光的偏振方向与铁电液晶分子轴向间的夹角，此时脑电信号电压与光电探测器8检测的反射光强成良好的线性关系，由光电探测器8探测得到反射光强，最后通过信号处理以及计算得到脑电信号。该传感器响应速度高达1微秒。

所述平板电极73同时作为宽带反射镜使用。

传感头为由金属微环、光学材料薄层和柔性金属薄层依次组成三明治结构。本发明实施例中，由环形电极71为金属微环，所述平板电极73为Au薄膜。

所述光学材料薄层可使用电活性材料，如螺旋形变铁电液晶或水凝胶等材料。

柔性金属薄层可选金属金、银等柔韧度高，反射率高的金属。

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 (8)

1.一种三明治结构的反射式光学脑电信号传感器，其特征在于，包括宽带光源(1)、光耦合器(2)、起偏器(3)、检偏器(4)、传感头(7)以及光电探测器(8)，光耦合器的第一至第四端口(21)(22)(23)(24)分别与宽带光源(1)、光电探测器(8)、起偏器(3)和检偏器(4)相连接；所述起偏器(3)和所述检偏器(4)再分别与传感头(7)连接；所述传感头(7)为三明治结构，包括由位于上层的环形电极(71)、位于中层的光学材料薄层(72)和位于下层的平板电极(73)组成的，所述环形电极(71)用于连接参考电极，平板电极(73)用于连接脑电信号电极；所述起偏器(3)产生的偏振光经过第一自聚焦透镜(5)入射到传感头(7)中，在传感头(7)中依次通过环形电极(71)和光学材料薄层(72)，被平板电极(73)反射后，最后经第二自聚焦透镜(6)出射；

当脑电信号加载在传感头(7)上时，传感头中的光学材料薄层(72)与脑电信号产生相互作用，使入射光偏振态发生变化，进而使反射光强发生变化，光电探测器(8)测量反射光信号的光强变化，从而获得脑电信号。

2.如权利要求1所述的一种三明治结构的反射式光学脑电信号传感器，其特征在于，所述平板电极(73)是一种柔性金属材料薄层。

3.如权利要求2所述的一种三明治结构的反射式光学脑电信号传感器，其特征在于，所述柔性金属材料薄层可选柔韧度高和反射率高的金属。

4.如权利要求3所述的一种三明治结构的反射式光学脑电信号传感器，其特征在于，所述柔性金属材料薄层选择金或银其中之一的金属材料。

5.如权利要求1所述的一种三明治结构的反射式光学脑电信号传感器，其特征在于，所述环形电极(71)是一种金属微环。

6.如权利要求5所述的一种三明治结构的反射式光学脑电信号传感器，其特征在于，所述环形电极(71)的材料可选任意导电性能良好的金属。

7.如权利要求1所述的一种三明治结构的反射式光学脑电信号传感器，其特征在于，所述光学材料薄层(72)使用电活性材料。

8.如权利要求7所述的一种三明治结构的反射式光学脑电信号传感器，其特征在于，所述电活性材料至少可选螺旋形变铁电液晶或水凝胶材料。

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