CN112971810A

CN112971810A - 一种脑电采集系统

Info

Publication number: CN112971810A
Application number: CN202110508089.2A
Authority: CN
Inventors: 徐天昊; 陈瑞; 郁奕飞
Original assignee: Zhejiang Pearlcare Medical Technology Co ltd
Current assignee: Zhejiang Pearlcare Medical Technology Co ltd
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2041-05-11
Also published as: CN112971810B

Abstract

本发明涉及一种脑电采集系统，包括EMC防护电路（100），用于实时接收人体前额表层的生理信号，将生理信号转化为电流信号；仪表放大器，用于接收所述EMC防护电路处理后的电流信号，并将所述电流信号放大；信号放大电路（200），用于接收所述仪表放大器放大的电流信号，并将所述电流信号再次放大，以使信噪比进一步提高；交流耦合电路（300），用于接收再次放大的电流信号，进行高通滤波后耦合到仪表放大器，以形成带有高通滤波功能的耦合回路。本发明增强了脑电信号采集的稳定性，降低了整体噪声水平，整体采集电路信噪比有了较大提升。

Description

一种脑电采集系统

技术领域

本发明涉及脑电生理信号的采集，用于在人体前额表层提取生理电信号，尤其涉及一种脑电采集系统。

背景技术

目前世界范围内对于脑电生气信号的采集都面临各种技术挑战，主要由于脑电生理信号为极微弱信号，且很容易受外界诸多因素影响。传统的脑电采集电路结构较多采用常规仪表放大器和多级放大电路实现，电路结构复杂，整体信噪比不高，且容易受到基线漂移、噪声偏高等因素影响，稳定性较差。脑电生理信号采集到的信号质量较差，对后续进一步分析处理，带来较大挑战和困难。

目前国内大多只能采用国外半导体公司的集成芯片来完成脑电信号采集，可以用于脑电信号采集的芯片包括美国TI公司的ADS129x系列芯片，以及其他用于心电采集的芯片，包括ADI公司的ADAS1000芯片。

目前市场上大多采用仪表放大器配合多种放大器进行多级放大，完成脑电生理信号的采集，稳定性和信噪比都较差，抗EMC能力较弱，大多只能仅用于科研实验，临床使用效果较差。同时也有采用集成芯片完成脑电采集，主要采用美国TI公司的ADS129x系列芯片，该类型芯片可完成多通道脑电信号采集，结构简单，但对于脑电生理信号的采集，仍然有较多问题。

这类集成芯片有些仅适合采集心电生理信号，采集脑电生理信号时，共模抑制比和电噪声都不能很好的满足实际要求。TI公司推出的脑电采集集成芯片仅可简单用于脑电信号的采集，同时会有抗EMC效果较差、基线漂移、低频稳定性差等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脑电采集系统，实时提取脑电生理信号，整合了高共模抑制比仪表放大器和斩波放大器，同时配合交流耦合电路和基线调节电路，在提高了共模抑制比的同时，很好的增强了脑电信号采集的稳定性，降低了整体噪声水平，整体采集电路信噪比有了较大提升，可以解决背景技术中的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供的脑电采集系统的技术方案具体如下：

本发明实施例公开了一种脑电采集系统，包括：

EMC防护电路，用于实时接收人体前额表层的生理信号，将生理信号转化为电流信号；

仪表放大器，用于接收所述EMC防护电路处理后的电流信号，并将所述电流信号放大；

信号放大电路，用于接收所述仪表放大器放大的电流信号，并将所述电流信号再次放大，以使信噪比进一步提高；

交流耦合电路，用于接收再次放大的电流信号，进行高通滤波后耦合到仪表放大器，以形成带有高通滤波功能的耦合回路。

在上述任一方案中优选的是，所述的脑电采集系统，还包括基线调节电路，用于与仪表放大器连接，调节仪表放大器的共同参考点，以完成对信号基线的调节控制，其中，

所述仪表放大器为仪表放大器U34，所述仪表放大器U34与电阻器R126、电阻器R127以及电阻器R128串联，其中，所述电阻器R126、电阻器R127以及电阻器R128为所述仪表放大器U34的增益调节电阻。

在上述任一方案中优选的是，所述EMC防护电路包括：

共模电感L20，所述共模电感L20用于接收生物大脑的生理信号，并进行过滤生理信号中的共模干扰信号，将生理信号转化为电流信号，并将该电流信号分为两路，其中，

一路电流信号经过磁珠L19滤除外接引入的辐射干扰后，进入第一低通滤波器；另一路电流信号经过磁珠L21滤除外接引入的辐射干扰后，进入第二低通滤波器，以实现滤除两路电流信号中的高频干扰，并传递至仪表放大器U34，其中，

所述第一低通滤波器与所述第二低通滤波器并联。

在上述任一方案中优选的是，所述第一低通滤波器由电阻器R130和电容器C149构成，其中，电阻器R130与电容器C149串联，一路电流信号经过电阻器R130与电容器C149，另一路电流信号经过电阻器R131和电容器C155，以实现滤除两路电流信号中的高频干扰。

在上述任一方案中优选的是，所述EMC防护电路还包括滤波电容C153，其与两路电流信号串联，并且滤波电容C153两端与两路电流信号的连接处分别位于磁珠L19与电阻器R130之间和磁珠L21与电阻器R131之间。

在上述任一方案中优选的是，所述EMC防护电路还包括差动电容器C150，其与两路电流信号串联，并且差动电容器C150两端与两路电流信号的连接处分别位于电容器C149与仪表放大器U34之间和电容器C155与仪表放大器U34之间。

在上述任一方案中优选的是，所述滤波电容C153与所述差动电容器C150并联。

在上述任一方案中优选的是，所述信号放大电路包括运算放大器U33、电阻器R129和电阻器R125，所述运算放大器U33与所述电阻器R129串联，所述和电阻器R125㔿所述电阻器R129并联，其中，

所述运算放大器U33用于接收所述仪表放大器U34放大的电路信号，并将电路信号进一步放大处理。

在上述任一方案中优选的是，所述交流耦合电路包括斩波放大器U35、电容器C156、电阻器R134、分压电阻器R132和分压电阻器R133，所述斩波放大器U35与所述电容器C156并联，所述电阻器R134与所述分压电阻器R132和分压电阻器R133串联，所述分压电阻器R132与所述运算放大器U33电连接，其中，

所述斩波放大器U35和电容器C156与所述电阻器R134串联，所述斩波放大器U35用于获取所述运算放大器U33的运放输出信号，进行高通滤波后耦合到仪表放大器U34的ref管脚，以形成带有高通滤波功能的耦合回路，所述分压电阻器R132和分压电阻器R133用于将放大的信号进行衰减。

在上述任一方案中优选的是，所述基线调节电路包括电阻器R123、电阻器R124、电阻器R120、电阻器R121、电阻器R122、电阻器R117、电阻器R118、电阻器R119、电源旁路电容C147、电源旁路电容C148、三极管Q7和三极管Q8，所述电阻器R123与所述电阻器R124并联，并且所述电阻器R123和所述电阻器R124分别与所述电阻器R127的两端连接，所述三极管Q7与所述电阻器R123串联，所述电阻器R118与所述电阻器R119串联，所述电阻器R119与所述电阻器R121并联，所述电阻器R120与所述电源旁路电容C148并联，所述电源旁路电容C148和所述电阻器R120分别与所述三极管Q8电连接，所述电阻器R122与所述电阻器R124电连接。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

EMC防护电路采用RC滤波器、共模电感、以及ESD防护器件，可以较好的抑制EMC干扰信号，该电路位于最前端，主要防护EMC带来的干扰和噪声。共模电感L20，过滤共模干扰信号，磁珠L19和磁珠L21，滤除外接引入的辐射干扰，滤波电容C153，减小共模干扰；电阻器R130和电容器C149，两者共同组成第一低通滤波器，滤除高频干扰；电阻器R131，电容器C155，同样组成第二低通滤波器，滤除高频干扰；差动电容器C150，降低共模干扰，提高共模抑制。

仪表放大器采用高共模抑制比的器件，设置合适的放大倍数，对生理电信号进行放大处理。

交流耦合电路，该电路获取运放输出信号，进行高通滤波后耦合到仪表放大器U34的ref管脚，形成带有高通滤波功能的耦合回路；分压电阻器R132、分压电阻器R133，将放大的信号进行衰减；电阻器R134、电容器C156和斩波放大器U35共同构成具有高通滤波功能的耦合电路，交流耦合电路与仪器放大器配合完成信号的交流耦合，同时采用了斩波放大器，可以滤除脉冲信号以及其他干扰，提高了该电路的共模抑制比。

信号放大电路，该部分电路负责将仪表放大器U34输出信号进一步放大处理，使信噪比进一步提高；电阻器R125和电阻器R129为反馈电阻，并与运算放大器U33共同构成放大器；电阻器R126、电阻器R127、电阻器R128为运算放大器U33的增益调节电阻，信号放大电路连接仪表放大器电路和交流耦合电路，接受仪表放大器电路信号并放大信号，将放大处理后的模拟信号传输给后端系统。

基线调节电路，该部分电路主要完成信号基线调节，控制基线漂移，电阻器R123和电阻器R124，为高阻值，主要是限流作用；电阻器R120、电阻器R121、电阻器R117主要起到限流作用，配合三极管Q7和Q8形成开关电路；电阻器R118、电阻器R119主要起到限流作用；电容器C147、电容器C148为电源旁路电容，基线调节电路与仪表放大器配合，完成对基线的调节，可以较好的控制信号采集过程中基线漂移情况。

附图说明

附图用于对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1是按照本发明脑电采集系统示意图。

图2是按照本发明脑电采集系统的电路示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图及具体实施方式对本发明技术方案进行详细说明。

实施例：

如图1和图2所示，本发明实施例公开了一种脑电采集系统，包括：

EMC防护电路100，用于实时接收人体前额表层的生理信号，将生理信号转化为电流信号，所述EMC防护电路包括：

共模电感L20，所述共模电感L20用于接收生物大脑的生理信号，并进行过滤生理信号中的共模干扰信号，将生理信号转化为电流信号，并将该电流信号分为两路，其中，一路电流信号经过磁珠L19滤除外接引入的辐射干扰后，进入第一低通滤波器；另一路电流信号经过磁珠L21滤除外接引入的辐射干扰后，进入第二低通滤波器，以实现滤除两路电流信号中的高频干扰，并传递至仪表放大器U34，其中，所述第一低通滤波器与所述第二低通滤波器并联，在本发明实施例中，通过采用共模电感L20，可以起到过滤共模干扰信号的作用，通过采用磁珠L19和磁珠L21，可以起到滤除外接引入的辐射干扰的作用。

如图1和图2所示，在本发明实施例所述的脑电采集系统中，所述第一低通滤波器由电阻器R130和电容器C149构成，其中，电阻器R130与电容器C149串联，一路电流信号经过电阻器R130与电容器C149，另一路电流信号经过电阻器R131和电容器C155，以实现滤除两路电流信号中的高频干扰，其中，EMC防护电路采用RC滤波器、共模电感、以及ESD防护器件，可以较好的抑制EMC干扰信号，该电路位于最前端，主要防护EMC带来的干扰和噪声，通过采用电阻器R130和电容器C149，两者共同组成第一低通滤波器，可以起到滤除高频干扰的作用，通过采用电阻器R131和电容器C155，同样组成第二低通滤波器，可以起到滤除高频干扰的作用。

如图1和图2所示，在本发明实施例所述的脑电采集系统中，所述EMC防护电路还包括滤波电容C153，其与两路电流信号串联，并且滤波电容C153两端与两路电流信号的连接处分别位于磁珠L19与电阻器R130之间和磁珠L21与电阻器R131之间，通过采用所述滤波电容C153，可以起到减小共模干扰的作用。

如图1和图2所示，在本发明实施例所述的脑电采集系统中，所述EMC防护电路还包括差动电容器C150，其与两路电流信号串联，并且差动电容器C150两端与两路电流信号的连接处分别位于电容器C149与仪表放大器U34之间和电容器C155与仪表放大器U34之间，所述滤波电容C153与所述差动电容器C150并联，通过采用差动电容器C150，可以降低共模干扰，提高共模抑制的作用。

如图1和图2所示，在本发明实施例所述的脑电采集系统中，还包括：

仪表放大器，用于接收所述EMC防护电路处理后的电流信号，并将所述电流信号放大。

其中，具体的，所述仪表放大器为仪表放大器U34，所述仪表放大器U34与电阻器R126、电阻器R127以及电阻器R128串联，其中，所述电阻器R126、电阻器R127以及电阻器R128为所述仪表放大器U34的增益调节电阻，其中，仪表放大器采用高共模抑制比的器件，设置合适的放大倍数，对生理电信号进行放大处理。

信号放大电路200，用于接收所述仪表放大器放大的电流信号，并将所述电流信号再次放大，以使信噪比进一步提高。

其中，所述信号放大电路包括运算放大器U33、电阻器R129和电阻器R125，所述运算放大器U33与所述电阻器R129串联，所述和电阻器R125㔿所述电阻器R129并联，其中，所述运算放大器U33用于接收所述仪表放大器U34放大的电路信号，并将电路信号进一步放大处理。

该部分电路负责将仪表放大器U34输出信号进一步放大处理，使信噪比进一步提高；电阻器R125和电阻器R129为反馈电阻，并与运算放大器U33共同构成放大器；电阻器R126、电阻器R127、电阻器R128为运算放大器U33的增益调节电阻，信号放大电路连接仪表放大器电路和交流耦合电路，接受仪表放大器电路信号并放大信号，将放大处理后的模拟信号传输给后端系统。

交流耦合电路300，用于接收再次放大的电流信号，进行高通滤波后耦合到仪表放大器，以形成带有高通滤波功能的耦合回路。

在本发明实施例所述的脑电采集系统中，所述交流耦合电路包括斩波放大器U35、电容器C156、电阻器R134、分压电阻器R132和分压电阻器R133，所述斩波放大器U35与所述电容器C156并联，所述电阻器R134与所述分压电阻器R132和分压电阻器R133串联，所述分压电阻器R132与所述运算放大器U33电连接，其中，所述斩波放大器U35和电容器C156与所述电阻器R134串联，所述斩波放大器U35用于获取所述运算放大器U33的运放输出信号，进行高通滤波后耦合到仪表放大器U34的ref管脚，以形成带有高通滤波功能的耦合回路，所述分压电阻器R132和分压电阻器R133用于将放大的信号进行衰减。

在本发明实施例所述的脑电采集系统中，该电路获取运放输出信号，进行高通滤波后耦合到仪表放大器U34的ref管脚，形成带有高通滤波功能的耦合回路；分压电阻器R132、分压电阻器R133，将放大的信号进行衰减；电阻器R134、电容器C156和斩波放大器U35共同构成具有高通滤波功能的耦合电路，交流耦合电路与仪器放大器配合完成信号的交流耦合，同时采用了斩波放大器，可以滤除脉冲信号以及其他干扰，提高了该电路的共模抑制比。

基线调节电路400，用于与仪表放大器连接，调节仪表放大器的共同参考点，以完成对信号基线的调节控制。

其中，所述基线调节电路包括电阻器R123、电阻器R124、电阻器R120、电阻器R121、电阻器R122、电阻器R117、电阻器R118、电阻器R119、电源旁路电容C147、电源旁路电容C148、三极管Q7和三极管Q8，其中，电容器C147和电容器C148为电源旁路电容，基线调节电路与仪表放大器配合，完成对基线的调节，可以较好的控制信号采集过程中基线漂移情况，电阻器R118和电阻器R119主要起到限流作用，所述电阻器R123与所述电阻器R124并联，并且所述电阻器R123和所述电阻器R124分别与所述电阻器R127的两端连接，其中，电阻器R123和电阻器R124，为高阻值，主要是限流作用；所述三极管Q7与所述电阻器R123串联，所述电阻器R118与所述电阻器R119串联，所述电阻器R119与所述电阻器R121并联，所述电阻器R120与所述电源旁路电容C148并联，所述电源旁路电容C148和所述电阻器R120分别与所述三极管Q8电连接，所述电阻器R122与所述电阻器R124电连接，其中，电阻器R120、电阻器R121、电阻器R117主要起到限流作用，配合三极管Q7和Q8形成开关电路。

在本发明实施例所述的脑电采集系统中，为了避免提取人体前额表层的生理信号出现失真和不连续的问题，提高对人体前额表层的生理信号提取的准确性，若提取人体前额表层的生理信号第A层第B个频带所对应的小波包系数表示为C（A，B），生理信号所对应的小波包能量密度表示为

，生理信号经过小波包A层分解后，生理信号小波包对应的系数表示为

，则生理信号的小波包总能量的计算表达式分别如下：

,根据生理信号的小波包总能量的计算方式能够较好地查看人体前额表层生理信号。

进一步的，在本发明实施例所述的脑电采集系统中，为了提高人体前额表层生理信号的时频分辨率，能够实现对人体前额表层生理信号的精细分析，用

表示人体前额表层生理信号的小波函数，用

表示人体前额表层生理信号的复共轭函数；用

表示人体前额表层生理信号的小波函数的尺度因子；用

表示人体前额表层生理信号的小波函数的平移因子；用

表示人体前额表层生理信号的采样时刻，用

表示人体前额表层生理信号的小波变换系数，计算方式为：

，因此，根据上述计算方式，可以实现对人体前额表层生理信号的特征提取，提高了生理信号的时频分辨率，能够实现对生理信号的精细分析。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种脑电采集系统，其特征在于：包括：

EMC防护电路（100），用于实时接收人体前额表层的生理信号，将生理信号转化为电流信号；

信号放大电路（200），用于接收所述仪表放大器放大的电流信号，并将所述电流信号再次放大，以使信噪比进一步提高；

交流耦合电路（300），用于接收再次放大的电流信号，进行高通滤波后耦合到仪表放大器，以形成带有高通滤波功能的耦合回路。

2.根据权利要求1所述的脑电采集系统，其特征在于：还包括基线调节电路（400），用于与仪表放大器连接，调节仪表放大器的共同参考点，以完成对信号基线的调节控制，其中，

所述仪表放大器为仪表放大器U34，所述仪表放大器U34与电阻器R126、电阻器R127以及电阻器R128串联。

3.根据权利要求2所述的脑电采集系统，其特征在于：所述EMC防护电路包括：

一路电流信号经过磁珠L19滤除外接引入的辐射干扰后，进入第一低通滤波器；另一路电流信号经过磁珠L21滤除外接引入的辐射干扰后，进入第二低通滤波器，以实现滤除两路电流信号中的高频干扰，并传递至仪表放大器U34。

4.根据权利要求3所述的脑电采集系统，其特征在于：所述第一低通滤波器由电阻器R130和电容器C149构成，其中，电阻器R130与电容器C149串联，一路电流信号经过电阻器R130与电容器C149，另一路电流信号经过电阻器R131和电容器C155，以实现滤除两路电流信号中的高频干扰。

5.根据权利要求4所述的脑电采集系统，其特征在于：所述EMC防护电路还包括滤波电容C153，其与两路电流信号串联，并且滤波电容C153两端与两路电流信号的连接处分别位于磁珠L19与电阻器R130之间和磁珠L21与电阻器R131之间。

6.根据权利要求5所述的脑电采集系统，其特征在于：所述EMC防护电路还包括差动电容器C150，其与两路电流信号串联，并且差动电容器C150两端与两路电流信号的连接处分别位于电容器C149与仪表放大器U34之间和电容器C155与仪表放大器U34之间。

7.根据权利要求6所述的脑电采集系统，其特征在于：所述滤波电容C153与所述差动电容器C150并联。

8.根据权利要求7所述的脑电采集系统，其特征在于：所述信号放大电路包括运算放大器U33、电阻器R129和电阻器R125，所述运算放大器U33与所述电阻器R129串联，所述和电阻器R125㔿所述电阻器R129并联，其中，

9.根据权利要求8所述的脑电采集系统，其特征在于：所述交流耦合电路包括斩波放大器U35、电容器C156、电阻器R134、分压电阻器R132和分压电阻器R133，所述斩波放大器U35与所述电容器C156并联，所述电阻器R134与所述分压电阻器R132和分压电阻器R133串联，所述分压电阻器R132与所述运算放大器U33电连接，其中，

10.根据权利要求9所述的脑电采集系统，其特征在于：所述基线调节电路包括电阻器R123、电阻器R124、电阻器R120、电阻器R121、电阻器R122、电阻器R117、电阻器R118、电阻器R119、电源旁路电容C147、电源旁路电容C148、三极管Q7和三极管Q8，所述电阻器R123与所述电阻器R124并联，并且所述电阻器R123和所述电阻器R124分别与所述电阻器R127的两端连接，所述三极管Q7与所述电阻器R123串联，所述电阻器R118与所述电阻器R119串联，所述电阻器R119与所述电阻器R121并联，所述电阻器R120与所述电源旁路电容C148并联，所述电源旁路电容C148和所述电阻器R120分别与所述三极管Q8电连接，所述电阻器R122与所述电阻器R124电连接。