CN110353670B - 一种耳挂式脑电信号采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耳挂式脑电信号采集装置，整体外形简单，体积小，适合日常使用与携带；使用前无需在使用者头皮上打电极膏，使用方便，且可提高使用者使用时的舒适感；采用耳挂式可以提高使用者佩戴的稳定性，使采集的脑电信号更加稳定；通过在耳塞表面设置环形多点式分布的干电极，可以保证从耳内四周不同位置全方位获取多路脑电信号，使采集到的脑电信号更加完整、准确，提高脑电信号的可分析度和准确度；微型电路板可以对脑电信号进行实时采集并传输，通过将微型电路板设于耳挂内，可以使耳挂式脑电信号采集装置实现体积小、重量轻等特点；两个耳机分别与上位机独立连接，既可单独使用又可组合使用，可进行不同任务下的脑电信号实验的研究。

Description

一种耳挂式脑电信号采集装置

技术领域

本发明涉及脑电信号采集技术领域，尤其涉及一种耳挂式脑电信号采集装置。

背景技术

现如今，脑-机接口的研究越来越广泛。脑机接口是指在人或动物的大脑与外部设备之间建立的连接通路，可以实现大脑和外部设备间的双向信息交互。一个典型的脑-机接口系统由信号采集、信号处理和设备控制三部分构成。其中信号采集是系统的源头，也是非常重要的一环。信号采集的质量直接决定后续信号处理的难易程度和对设备控制的准确度。

目前，主要通过头戴式的脑电帽采集脑电信号，整体采集设备的体积较大，不方便日常使用与携带。并且，脑电帽上的电极类型分为干电极和湿电极两种，湿电极型的脑电帽在使用前需要在电极与使用者头皮之间加入电极膏以降低阻抗，这会花费很长的时间，并且给使用者带来不好的体验。此外，采用头戴式的脑电帽采集脑电信号，会存在由于头发的干扰导致电极难以接触头皮的问题，使得信号干扰较大，采集的脑电信号的准确度较低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种耳挂式脑电信号采集装置，用以解决现有的脑电信号采集装置使用、携带不便，使用者体验欠佳，以及信号容易受毛发干扰的问题。

因此，本发明提供了一种耳挂式脑电信号采集装置，包括分别用于左耳和右耳的两个独立的耳机；每个所述耳机包括：用于塞入耳内的耳塞、用于挂在耳廓背面的弧形耳挂、将所述耳塞和所述耳挂连接在一起的支撑体以及位于所述耳挂内的微型电路板；其中，

所述耳塞包括共底面的圆柱体和球冠；所述圆柱体的侧面具有多圈沿所述圆柱体的周向均匀排列的点状干电极，所述球冠的表面具有多圈沿所述球冠的圆周均匀排列的点状干电极；

所述微型电路板，用于处理所述耳塞上的各所述干电极传入的脑电信号，包括信号的模拟放大滤波、模-数转换采集和将采集的脑电信号通过蓝牙传输给上位机。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述耳挂式脑电信号采集装置中，所述耳塞上设置的干电极的圈数至少为4。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述耳挂式脑电信号采集装置中，所述耳塞的材料为聚二甲基硅氧烷；

各所述干电极的材料为银-氯化银材料，或者碳纳米管材料，或者金材料，或者石墨烯材料。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述耳挂式脑电信号采集装置中，所述耳挂的内凹表面具有多个半球体的突起，其中一个突起的顶部具有多个点状的地电极，其余每个突起的顶部具有多个点状的参考电极。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述耳挂式脑电信号采集装置中，具有所述参考电极的突起的数量为1～10个。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述耳挂式脑电信号采集装置中，各所述突起的材料为聚二甲基硅氧烷；

各所述地电极的材料为银-氯化银材料，或者碳纳米管材料，或者金材料，或者石墨烯材料；

各所述参考电极的材料为银-氯化银材料，或者碳纳米管材料，或者金材料，或者石墨烯材料。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述耳挂式脑电信号采集装置中，所述耳塞具有贯穿所述圆柱体和所述球冠的中空结构。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述耳挂式脑电信号采集装置中，所述耳挂与所述支撑体转动连接。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述耳挂式脑电信号采集装置中，所述微型电路板上集成有放大滤波模块、采集模块、FPGA控制电路模块、蓝牙模块以及电源模块；其中，

所述放大滤波模块，用于将所述耳塞上各所述干电极传入的脑电信号进行模拟电路的信号放大和滤波，利用陷波滤波消除肌电噪声干扰和50Hz工频干扰；

所述采集模块，用于通过模-数转换将模拟放大滤波后的脑电信号的模拟量转化为数字量并采集，通过所述蓝牙模块将采集的数字量传输给所述上位机；

所述FPGA控制电路模块，用于控制所述信号采集模块进行信号采集以及控制所述蓝牙模块进行信号传输；

所述电源模块，用于为所述放大滤波模块、所述采集模块、所述FPGA控制电路模块和所述蓝牙模块提供电源。

本发明提供的上述耳挂式脑电信号采集装置，整体外形简单，体积小，适合日常使用，携带方便，使用者可长时间佩戴，不影响工作、生活，可用于疾病(例如癫痫)的检测；使用前无需在使用者头皮上打电极膏，佩戴后即可使用，不仅使用方便，而且可以提高使用者使用时的舒适感；采用耳挂式可以提高使用者佩戴的稳定性，使采集的脑电信号更加稳定；耳塞塞入使用者耳内，耳塞表面的干电极与使用者耳部皮肤直接接触，与现有的头戴式的脑电帽相比，可以避免电极受头发干扰难以接触头皮导致信号干扰大的问题，并且，每个干电极即为脑电信号采集的一个通道，通过在耳塞表面设置环形多点式分布的干电极，可以保证从耳内四周不同位置全方位获取多路脑电信号，使采集到的脑电信号更加完整、准确，增加可处理的脑电信号的数量，经后端分析处理可获得更佳的效果，提高脑电信号的可分析度和准确度；微型电路板可以对脑电信号进行实时采集并传输，与上位机实现数据通信，利用上位机中的软件可以对采集的数据进行读取和分析处理，通过将微型电路板设于耳挂内，可以使微型电路板不占用额外空间，使耳挂式脑电信号采集装置实现体积小、重量轻、外形设计简洁小巧便携等特点；分别用于左耳和右耳的两个独立的耳机与上位机独立连接，在时间上可以通过设置实现数据同步传输，二者既可单独使用又可组合使用，由于左右耳位置不同，两个耳机采集到的同一脑区的脑电信号不同，可充分利用此特点进行不同任务下的脑电信号实验的研究，当用于日常的脑电信号检测时，比如癫痫脑电检测，可以只使用单个耳机，当用于特殊任务的脑电实验时，比如做左右手运动想象任务时，不同脑区会有不同的反应，可以同时使用两个耳机，由于做不同任务时人的左右脑区的反应具有差异，两个耳机采集到的脑电信号会因干电极的位置不同而不同，显然两个耳机更有优势。

附图说明

图1为本发明实施例提供的耳挂式脑电信号采集装置的结构示意图之一；

图2为本发明实施例提供的耳挂式脑电信号采集装置中耳塞的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的耳挂式脑电信号采集装置中耳塞的侧面示意图；

图4为本发明实施例提供的耳挂式脑电信号采集装置中微型电路板的结构示意图；

图5(a)为本发明实施例提供的耳挂式脑电信号采集装置中设有地电极的突起的正视图；

图5(b)为本发明实施例提供的耳挂式脑电信号采集装置中设有地电极的突起的侧视图；

图6(a)为本发明实施例提供的耳挂式脑电信号采集装置中设有参考电极的突起的正视图；

图6(b)为本发明实施例提供的耳挂式脑电信号采集装置中设有参考电极的突起的侧视图；

图7为本发明实施例提供的耳挂式脑电信号采集装置的结构示意图之二。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。

本发明实施例提供的一种耳挂式脑电信号采集装置，如图1所示，包括分别用于左耳和右耳的两个独立的耳机1；每个耳机1包括：用于塞入耳内的耳塞2、用于挂在耳廓背面的弧形耳挂3、将耳塞2和耳挂3连接在一起的支撑体4以及位于耳挂3内的微型电路板；其中，

如图2所示，耳塞2包括共底面的圆柱体5和球冠6；如图3所示，圆柱体5的侧面具有多圈沿圆柱体5的周向均匀排列的点状干电极7，球冠6的表面具有多圈沿球冠6的圆周均匀排列的点状干电极7；

如图4所示，微型电路板8，用于处理耳塞2上的各干电极7传入的脑电信号，包括信号的模拟放大滤波、模-数转换采集和将采集的脑电信号通过蓝牙传输给上位机9。

本发明实施例提供的上述耳挂式脑电信号采集装置，整体外形简单，体积小，适合日常使用，携带方便，使用者可长时间佩戴，不影响工作、生活，可用于疾病(例如癫痫)的检测；使用前无需在使用者头皮上打电极膏，佩戴后即可使用，不仅使用方便，而且可以提高使用者使用时的舒适感；采用耳挂式可以提高使用者佩戴的稳定性，使采集的脑电信号更加稳定；耳塞塞入使用者耳内，耳塞表面的干电极与使用者耳部皮肤直接接触，与现有的头戴式的脑电帽相比，可以避免电极受头发干扰难以接触头皮导致信号干扰大的问题，并且，每个干电极即为脑电信号采集的一个通道，通过在耳塞表面设置环形多点式分布的干电极，可以保证从耳内四周不同位置全方位获取多路脑电信号，使采集到的脑电信号更加完整、准确，增加可处理的脑电信号的数量，经后端分析处理可获得更佳的效果，提高脑电信号的可分析度和准确度；微型电路板可以对脑电信号进行实时采集并传输，与上位机实现数据通信，利用上位机中的软件可以对采集的数据进行读取和分析处理，通过将微型电路板设于耳挂内，可以使微型电路板不占用额外空间，使耳挂式脑电信号采集装置实现体积小、重量轻、外形设计简洁小巧便携等特点；分别用于左耳和右耳的两个独立的耳机与上位机独立连接，在时间上可以通过设置实现数据同步传输，二者既可单独使用又可组合使用，由于左右耳位置不同，两个耳机采集到的同一脑区的脑电信号不同，可充分利用此特点进行不同任务下的脑电信号实验的研究，当用于日常的脑电信号检测时，比如癫痫脑电检测，可以只使用单个耳机，当用于特殊任务的脑电实验时，比如做左右手运动想象任务时，不同脑区会有不同的反应，可以同时使用两个耳机，由于做不同任务时人的左右脑区的反应具有差异，两个耳机采集到的脑电信号会因干电极的位置不同而不同，显然两个耳机更有优势。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述耳挂式脑电信号采集装置中，为了保证采集的脑电信号的数量，使采集到的脑电信号更加完整、准确，提高脑电信号的可分析度和准确度，可以在耳塞上设置至少四圈干电极，例如，如图3所示，可以在球冠6的表面设置两圈沿球冠6的圆周均匀排列的干电极7，在圆柱体5的侧面设置两圈沿圆柱体5的周向均匀排列的干电极7。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述耳挂式脑电信号采集装置中，为了提高使用者使用时的舒适感，塞入使用者耳内的耳塞可以选择质地软、可塑性强的材料，例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS)；为了保证脑电信号采集的稳定性和灵敏度，各干电极的材料可以为银-氯化银材料，或者，各干电极的材料也可以为碳纳米管(CNT)材料，或者，各干电极的材料也可以为金材料，或者，各干电极的材料还可以为石墨烯材料。当然，各干电极还可以选择其他导电材料，在此不做限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述耳挂式脑电信号采集装置中，如图1所示，可以在耳挂3的内凹表面设置多个半球体的突起10，图1以在耳挂3的内凹表面设置三个突起10为例，如图5(a)和图5(b)所示，图5(a)和图5(b)分别为设有地电极11的突起10a的正视图和侧视图，其中一个突起10a的顶部具有多个点状的地电极11，如图6(a)和图6(b)所示，图6(a)和图6(b)分别为设有参考电极12的突起10b的正视图和侧视图，其余每个突起10b的顶部具有多个点状的参考电极12，通过将地电极11与参考电极12设置在耳挂3内凹表面突起10的顶部，既可以使地电极11与参考电极12和使用者耳廓背部充分贴合，保证脑电信号采集的稳定性，又可以充分节约耳机的空间资源，提高整体实用性和美观度。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述耳挂式脑电信号采集装置中，为了保证脑电信号采集的稳定性，可以将具有参考电极的突起的数量设置为1～10个，如图1所示，耳挂3的内凹表面设有三个突起10，其中一个突起10用于设置地电极，另外两个突起10用于设置参考电极。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述耳挂式脑电信号采集装置中，为了提高使用者使用时的舒适感，耳挂内凹表面与使用者耳廓背部接触的各突起可以选择质地软、可塑性强的材料，例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS)；为了保证脑电信号采集的稳定性和灵敏度，各地电极的材料可以为银-氯化银材料，或者，各地电极的材料也可以为碳纳米管(CNT)材料，或者，各地电极的材料也可以为金材料，或者，各地电极的材料还可以为石墨烯材料。当然，各地电极还可以选择其他导电材料，在此不做限定；同样，各参考电极的材料可以为银-氯化银材料，或者，各参考电极的材料也可以为碳纳米管(CNT)材料，或者，各参考电极的材料也可以为金材料，或者，各参考电极的材料还可以为石墨烯材料。当然，各参考电极还可以选择其他导电材料，在此不做限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述耳挂式脑电信号采集装置中，如图2所示，耳塞2具有贯穿圆柱体5和球冠6的中空结构13，即塞入使用者耳内的耳塞2为空心结构，这样，可以保证使用者佩戴耳挂式脑电信号采集装置后仍然能够听见外部的声音，不影响使用者完成需要运用听觉的脑电实验。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述耳挂式脑电信号采集装置中，如图1所示，耳挂3与支撑体4固定连接，即耳挂3是不能活动、不可调节的，不能适应不同使用者的耳廓形状进行调节。基于此，如图7所示，耳挂3可以与支撑体4转动连接，例如，耳挂3可以通过铰链与支撑体4实现转动连接，这样，可调节的耳挂3能够充分适应不同使用者的耳廓形状，佩戴之后可以保证耳机稳定不易晃动，从而可以使采集到的脑电信号更加稳定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述耳挂式脑电信号采集装置中，如图4所示，可以将放大滤波模块14、采集模块15、FPGA控制电路16、蓝牙模块17以及电源模块18集成在微型电路板8上，这样，可以对脑电信号进行实时采集并与上位机9实现数据通信；其中，放大滤波模块14，用于将耳塞上各干电极传入的脑电信号进行模拟电路的信号放大和滤波，利用陷波滤波消除肌电噪声干扰和50Hz工频干扰；采集模块15，用于通过模-数转换将模拟放大滤波后的脑电信号的模拟量转化为数字量并采集，通过蓝牙模块17将采集的数字量传输给上位机9；FPGA控制电路模块16作为核心处理单元，用于控制采集模块15进行信号采集以及控制蓝牙模块17进行信号传输；电源模块18，用于为放大滤波模块14、采集模块15、FPGA控制电路模块16和蓝牙模块17提供电源。

本发明实施例提供的上述耳挂式脑电信号采集装置，整体外形简单，体积小，适合日常使用，携带方便，使用者可长时间佩戴，不影响工作、生活，可用于疾病(例如癫痫)的检测；使用前无需在使用者头皮上打电极膏，佩戴后即可使用，不仅使用方便，而且可以提高使用者使用时的舒适感；采用耳挂式可以提高使用者佩戴的稳定性，使采集的脑电信号更加稳定；耳塞塞入使用者耳内，耳塞表面的干电极与使用者耳部皮肤直接接触，与现有的头戴式的脑电帽相比，可以避免电极难以接触头皮导致信号干扰大的问题，并且，每个干电极即为脑电信号采集的一个通道，通过在耳塞表面设置环形多点式分布的干电极，可以保证从耳内四周不同位置全方位获取多路脑电信号，使采集到的脑电信号更加完整、准确，增加可处理的脑电信号的数量，经后端分析处理可获得更佳的效果，提高脑电信号的可分析度和准确度；微型电路板可以对脑电信号进行实时采集并传输，与上位机实现数据通信，利用上位机中的软件可以对采集的数据进行读取和分析处理，通过将微型电路板设于耳挂内，可以使微型电路板不占用额外空间，使耳挂式脑电信号采集装置实现体积小、重量轻、外形设计简洁小巧便携等特点；分别用于左耳和右耳的两个独立的耳机与上位机独立连接，在时间上可以通过设置实现数据同步传输，二者既可单独使用又可组合使用，由于左右耳位置不同，两个耳机采集到的同一脑区的脑电信号不同，可充分利用此特点进行不同任务下的脑电信号实验的研究，当用于日常的脑电信号检测时，比如癫痫脑电检测，可以只使用单个耳机，当用于特殊任务的脑电实验时，比如做左右手运动想象任务时，不同脑区会有不同的反应，可以同时使用两个耳机，由于做不同任务时人的左右脑区的反应具有差异，两个耳机采集到的脑电信号会因干电极的位置不同而不同，显然两个耳机更有优势。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种耳挂式脑电信号采集装置，其特征在于，包括分别用于左耳和右耳的两个独立的耳机；每个所述耳机包括：用于塞入耳内的耳塞、用于挂在耳廓背面的弧形耳挂、将所述耳塞和所述耳挂连接在一起的支撑体以及位于所述耳挂内的微型电路板；其中，

所述耳塞包括共底面的圆柱体和球冠；所述圆柱体的侧面具有多圈沿所述圆柱体的周向均匀排列的点状干电极，所述球冠的表面具有多圈沿所述球冠的圆周均匀排列的点状干电极；

所述耳挂的内凹表面具有多个半球体的突起，其中一个突起的顶部具有多个点状的地电极，其余每个突起的顶部具有多个点状的参考电极；

所述微型电路板，用于处理所述耳塞上的各所述干电极传入的脑电信号，包括信号的模拟放大滤波、模-数转换采集和将采集的脑电信号通过蓝牙传输给上位机。

2.如权利要求1所述的耳挂式脑电信号采集装置，其特征在于，所述耳塞上设置的干电极的圈数至少为4。

3.如权利要求1所述的耳挂式脑电信号采集装置，其特征在于，所述耳塞的材料为聚二甲基硅氧烷；

各所述干电极的材料为银-氯化银材料，或者碳纳米管材料，或者金材料，或者石墨烯材料。

4.如权利要求1所述的耳挂式脑电信号采集装置，其特征在于，具有所述参考电极的突起的数量为1～10个。

5.如权利要求1所述的耳挂式脑电信号采集装置，其特征在于，各所述突起的材料为聚二甲基硅氧烷；

各所述地电极的材料为银-氯化银材料，或者碳纳米管材料，或者金材料，或者石墨烯材料；

各所述参考电极的材料为银-氯化银材料，或者碳纳米管材料，或者金材料，或者石墨烯材料。

6.如权利要求1-5任一项所述的耳挂式脑电信号采集装置，其特征在于，所述耳塞具有贯穿所述圆柱体和所述球冠的中空结构。

7.如权利要求1-5任一项所述的耳挂式脑电信号采集装置，其特征在于，所述耳挂与所述支撑体转动连接。

8.如权利要求1-5任一项所述的耳挂式脑电信号采集装置，其特征在于，所述微型电路板上集成有放大滤波模块、采集模块、FPGA控制电路模块、蓝牙模块以及电源模块；其中，

所述放大滤波模块，用于将所述耳塞上各所述干电极传入的脑电信号进行模拟电路的信号放大和滤波，利用陷波滤波消除肌电噪声干扰和50Hz工频干扰；

所述采集模块，用于通过模-数转换将模拟放大滤波后的脑电信号的模拟量转化为数字量并采集，通过所述蓝牙模块将采集的数字量传输给所述上位机；

所述FPGA控制电路模块，用于控制所述采集模块进行信号采集以及控制所述蓝牙模块进行信号传输；

所述电源模块，用于为所述放大滤波模块、所述采集模块、所述FPGA控制电路模块和所述蓝牙模块提供电源。

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