CN110584658A - 一种用于经颅电刺激和迷走神经刺激的脑电采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于经颅电刺激和迷走神经刺激的脑电采集系统，由脑电帽、转接电路、预处理电路、模数转换芯片ADS1299和微控制单元MCU组成，预处理电路包括低通滤波电路、高通滤波电路和工频陷波电路，脑电帽获得的脑电信号经过滤波放大预处理后，进入ADS1299完成信号的模数转换，得到高分辨率的数字信号，然后数字信号通过ADS1299的SPI接口传送到微控制单元MCU，微控制单元MCU将数据通过USB传送至上位机。本发明的脑电采集系统有较强的抗干扰能力，能够保证纯净的脑电信号，采用模数转换芯片ADS1299，能高输入阻抗、高共模抑制比、降低低功耗、缩小设备的体积。
Description
技术领域：
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种用于经颅电刺激和迷走神经刺激的脑电采集系统。
背景技术：
脑电信号频率较低，一般在1Hz～100Hz范围内，大部分集中在30Hz以下，并且其采集过程中极易受到高频噪声和工频噪声干扰，所以要求采集到的脑电信号必须先通过预处理电路的滤波。
脑电信号极其微弱，幅值一般在10μV～100μV之间，所以要求采集系统有较好的放大性能，一般情况下，脑电采集模块要对脑电信号放大两万倍左右，同时，脑电采集模块要有较高的共模抑制比(commonmoderejectionratio,CMRR)，一般情况要大于100dB。
脑电信号幅值小、频率低，采集到的脑电信号通常都会夹杂有基线漂移、眼电干扰、肌电干扰等多种干扰信号，所以要求系统要有较强的抗干扰能力，以保证脑电信号的纯净。
采集脑电信号过程中，由于人体阻抗较大，为了更好的采集到脑电信号，通常需要采集系统有较高的输入阻抗，一般情况要大于10MΩ。传统的脑电采集方法是对每一通道单独进行放大、滤波、模数转换，在采集通道数较少的情况下适用，采集通道较多的话会导致设备体积庞大，且功耗较高。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于经颅电刺激和迷走神经刺激的脑电采集系统，该系统有较高的共模抑制比，抗干扰能力强，采集的脑电信号纯净，并且安全无害。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
一种用于经颅电刺激和迷走神经刺激的脑电采集系统，由脑电帽、转接电路、预处理电路、模数转换芯片ADS1299和微控制单元MCU组成，预处理电路包括低通滤波电路、高通滤波电路和工频陷波电路，脑电帽获得的脑电信号经过滤波放大预处理后，进入ADS1299完成信号的模数转换，得到高分辨率的数字信号，然后数字信号通过ADS1299的SPI接口传送到微控制单元MCU，微控制单元MCU将数据通过USB传送至上位机。
所述脑电帽兼容BrainProducts脑电设备，脑电帽连接器采用的是3M公司生产的Pak-50-P50E系列矩形连接器。
所述转接电路设置在脑电帽和预处理电路之间，用于连接脑电帽和预处理电路，每一个转接电路上都设置了一个5K的电阻。
所述高通滤波电路是具有放大功能的二阶有源高通滤波器，其由无源器件电阻、电容和有源器件运算放大器TLC2252组成。
所述低通滤波电路是二阶有源低通滤波器，用于滤除所采集信号中的高频干扰。
所述陷波电路用于消除50Hz工频干扰。
本发明的有益效果在于：
本发明的脑电采集系统有较强的抗干扰能力，能够保证纯净的脑电信号，脑电帽所用电极材料采用粉末电极，安全无害，对人体无任何刺激，使用时配合导电膏可以采集到精度更高的脑电信号；采用模数转换芯片ADS1299，能高输入阻抗、高共模抑制比、降低低功耗、缩小设备的体积。
附图说明：
图1为脑电采集系统结构图；
图2为转接电路拓扑结构图；
图3为高通滤波电路图；
图4为低通滤波电路图；
图5为工频陷波电路图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1和图2所示，由于脑电信号频率较低，一般在1Hz～100Hz范围内，大部分集中在30Hz以下，并且其采集过程中极易受到高频噪声和工频噪声干扰，所以要求采集到的脑电信号必须先通过预处理电路的滤波。
脑电信号极其微弱，幅值一般在10μV～100μV之间，所以要求采集系统有较好的放大性能，一般情况下，脑电采集模块要对脑电信号放大两万倍左右，同时，脑电采集模块要有较高的共模抑制比(commonmoderejectionratio,CMRR)，一般情况要大于100dB。
脑电信号幅值小、频率低，采集到的脑电信号通常都会夹杂有基线漂移、眼电干扰、肌电干扰等多种干扰信号，所以要求系统要有较强的抗干扰能力，以保证脑电信号的纯净。
采集脑电信号过程中，由于人体阻抗较大，为了更好的采集到脑电信号，通常需要采集系统有较高的输入阻抗，一般情况要大于10MΩ。
本专利采用武汉格林泰克有限公司生产的32导脑电图帽，选用八个通道作为本专利脑电采集模块的通道，该款脑电图帽按国际10-20脑电极定位方法将电极固定在有弹力的帽子上，电极材料采用粉末电极，安全无害，对人体无任何刺激，使用时配合导电膏可以采集到精度更高的脑电信号。
传统的脑电采集方法是对每一通道单独进行放大、滤波、模数转换，在采集通道数较少的情况下适用，采集通道较多的话会导致设备体积庞大，且功耗较高。
采用美国TI公司推出的专用于生物电势测量的模数转换芯片ADS1299，该芯片是一款低噪声，8通道，24位的高精度、高输入阻抗、高共模抑制比、低功耗的同步采样、模/数转换芯片，其主要特征有：
1)具有8个低噪声可编程增益放大器和8个高分辨率同步采样模/数转换器；
2)输入参考噪声：1μVPP；
3)输入偏置电流：300pA；
4)数据速率：250SPS至16kSPS之间；
5)共模抑制比(CMRR)：-110dB；
6)可编程增益，有1、2、4、6、8、12和24倍可选；
7)单极或双极电源，模拟电源为4.75V至5.25V之间，数字电源为1.8V至3.6V之间；
8)内置偏置驱动放大器，导联检测，测试信号；
9)灵活的掉电，待机模式；
10)引脚与ADS129x兼容，方便进行扩展；
11)SPI兼容串行接口。
本专利采用的是兼容BrainProducts脑电设备的脑电帽，其连接器采用的是3M公司生产的Pak-50-P50E系列矩形连接器，所以需要设计电路板将该插头和脑电帽上电极相对应的插针引出至端子，方便将脑电帽和预处理电路连接起来，使能够更好地采集脑电信号，同时使用端子可以更方便的选择不同的通道，有利于后续设备的研制和实验的进行。另外，上文提到脑电信号采集过程中，由于人体阻抗较大，为了更好的采集到脑电信号，通常需要采集系统有较高的输入阻抗，因此在每一通道的转接电路上加了5K的电阻，增大输入阻抗，使脑电信号更易于采集。
上文提到脑电信号极易受到基线漂移、眼电噪声、肌电噪声等多种低频干扰信号，所以设计高通滤波器来去除这些干扰，同时由于脑电信号非常微弱，幅值较小，需要较高的放大倍数，因此选用具有放大功能的二阶有源高通滤波器，其由无源器件电阻、电容和有源器件运算放大器TLC2252组成，如图3。
有用的脑电信号频率主要集中在30Hz以下，如第二章提到的脑电信号α波，β波，θ波和δ波，因此需要设计低通滤波器来滤除所采集信号中的高频干扰，本专利选用二阶有源低通滤波器，如图4。
50Hz工频干扰一般来源于市电电压，其对电子设备影响比较大，一般对工频干扰可以设计平滑滤波器、陷波器和带阻滤波器来消除，本专利设计了陷波电路来消除50Hz工频干扰，如图5。
Claims (6)
1.一种用于经颅电刺激和迷走神经刺激的脑电采集系统，其特征在于：由脑电帽、转接电路、预处理电路、模数转换芯片ADS1299和微控制单元MCU组成，预处理电路包括低通滤波电路、高通滤波电路和工频陷波电路，脑电帽获得的脑电信号经过滤波放大预处理后，进入ADS1299完成信号的模数转换，得到高分辨率的数字信号，然后数字信号通过ADS1299的SPI接口传送到微控制单元MCU，微控制单元MCU将数据通过USB传送至上位机。
2.如权利要求1所述脑电采集系统，其特征在于：所述脑电帽兼容Brain Products脑电设备，脑电帽连接器采用的是3M公司生产的Pak-50-P50E系列矩形连接器。
3.如权利要求1所述脑电采集系统，其特征在于：所述转接电路设置在脑电帽和预处理电路之间，用于连接脑电帽和预处理电路，每一个转接电路上都设置了一个5K的电阻。
4.如权利要求1所述脑电采集系统，其特征在于：所述高通滤波电路是具有放大功能的二阶有源高通滤波器，其由无源器件电阻、电容和有源器件运算放大器TLC2252组成。
5.如权利要求1所述脑电采集系统，其特征在于：所述低通滤波电路是二阶有源低通滤波器，用于滤除所采集信号中的高频干扰。
6.如权利要求1所述脑电采集系统，其特征在于：所述陷波电路用于消除50Hz工频干扰。
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| CN105395193A (zh) * | 2015-12-08 | 2016-03-16 | 天津大学 | 一种微型可穿戴式脑电采集器 |
| CN108852304A (zh) * | 2018-07-23 | 2018-11-23 | 吉林大学 | 基于脑电信号的睡眠质量分析装置及方法 |
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- 2019-08-22 CN CN201910779767.1A patent/CN110584658A/zh active Pending
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