CN113229822A - 一种基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统 - Google Patents

一种基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统，利用电容耦合PCB电极连接的信号缓冲电路，电容耦合PCB电极不与头皮直接接触，与头皮之间形成间隙电容耦合脑电信号，无需导电胶辅助，操作简单，使用方便，利用信号放大滤波电路根据接收到的信号得到共模干扰信号，将共模干扰信号叠加并经反相放大电路放大‑后反馈至人体，抵消人体表面的共模干扰对采集的影响，采用基于电容耦合电极的采集方式，能够实现脑电信号的长期采集，大幅简化了信号放大滤波电路和采用分时转化系统的A/D转化电路结构，大大缩小了信号处理电路的体积和重量，易于便携；采用无线传输模块，摆脱导线的距离束缚，拓展了脑电采集的应用场景，提升了脑电采集的效率。

Description

一种基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统
技术领域
本发明属于脑电采集系统，具体涉及一种基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统。
背景技术
近年来脑功能研究领域越来越受到关注，世界各国纷纷加大投入，启动了相应的脑科学研究计划，在人脑研究中，脑电图(EEG)是使用最为广泛的无创生理监测手段。脑电图可以反应大脑皮层的电生理活动信息，可以应用于癫痫、抑郁症，帕金森，脑肿瘤等精神疾病的临床诊断中。此外，脑电图还被应用于神经反馈训练，脑功能研究以及备受关注的脑机接口等诸多新兴领域。目前各大医疗单位采用的脑电图采集设备体积庞大且设备多为进口价格昂贵，医疗资源十分有限。为了缓解医疗系统的巨大压力，脑电图监测需要从医院门诊环境的静态有限时间监测朝着面向社区的分布式生活环境的长时间连续动态监测方向发展。因此小体积，易便携，低成本的可穿戴式脑电采集设备是其主要发展趋势。
脑电电极是脑电采集设备的关键部分，按照原理可以分为湿式电极、干式电极和电容耦合式电极三大类，其中湿式电极在采集时需要导电胶配合使用，干式电极则是直接将金属电极与皮肤接触传递信号。这两类电极在使用过程中操作过程繁琐、佩戴舒适度差，在脑电信号的长期采集过程中，导电胶凝固、电极脱落以及皮肤表面物理特性变化均会影响最终采集结果的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统，其特征在于，包括电容耦合PCB电极、脑电采集头环、信号放大滤波电路、A/D转换电路、传输单元和电源；电容耦合PCB电极包括两个平行设置的PCB板以及设置于两个PCB板之间的耦合电极，其中一层PCB板的一侧设有信号缓冲电路，信号缓冲电路的输出端连接信号放大滤波电路，信号放大滤波电路用于将耦合电极采集的电容耦合脑电信号放大传输至信号放大滤波电路，信号放大滤波电路根据接收到的信号得到共模干扰信号，将共模干扰信号叠加并经反相放大电路放大-后反馈至人体，抵消人体表面的共模干扰对采集的影响，并将采集到的电容耦合脑电信号通过A/D转换单元转换经传输单元输出。
进一步的，双层PCB板为圆形PCB板，耦合电极外圈设有与耦合电极间隔设置的屏蔽环。
进一步的，屏蔽环的内、外径差为1mm，耦合电极直径为23mm，屏蔽环与耦合电极间为绝缘树脂填充材料。
进一步的，设有信号缓冲电路的一层PCB板上设有绝缘阻焊层和顶层敷铜，顶层敷铜为耦合电极的信号地；信号缓冲电路包括一级运放和信号跟随电路，一级运放和信号跟随电路之间连接电平变换电路。
进一步的，一级运放包括一级运算放大器A01、电阻R01、电容C01和二极管Rbias，一级运算放大器A01的反相输入端连接电阻R01的一端，电阻R01的另一端连接屏蔽环，一级运算放大器A01的同相输入端连接电容C01的一端和二极管Rbias的负极，二极管Rbias的正极连接顶层敷铜，电容C01的另一端连接耦合电极。
进一步的，电平变换电路包括电容C02和电阻R02，电容C02的一端连接一级运算放大器A01的反相输入端和一级运算放大器A01的输出端；电阻R02的一端连接电容C02的另一端，电阻R02的另一端接地；
信号跟随电路包括二级通用运算放大器A02和电阻R04，电阻R04的一端连接二级通用运算放大器A02的输出端；二级通用运算放大器A02的同相输入端连接电阻R02的一端和电容C02的另一端，二级通用运算放大器A02的反相输入端连接电阻R04的另一端；电阻R04的另一端为信号输出端。信号缓冲电路的第一级通过反接二极管Rbias大幅提升输入阻抗，提高信号采集质量，缓冲电路第二级为信号跟随电路。
进一步的，信号放大滤波电路包括放大电路、滤波电路和右腿驱动电路；放大电路包括三运放放大电路，次级仪用差分放大电路和交流自举放大电路，三运放放大电路、次级仪用差分放大电路和交流自举放大电路的放大倍数分别为21倍，100倍和10倍。
进一步的，三运放放大电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、运算放大器A1、运算放大器A2和运算放大器A3，运算放大器A1的同相输入端连接电容C1的一端和电阻R1的一端，电容C1的另一端接地，电阻R1的另一端接信号缓冲电路的输出端；运算放大器A1的反相输入端连接电阻R3的一端和电阻R4的一端，运算放大器A1的输出端连接电阻R4的另一端、电阻R6的一端和电容C3的一端；运算放大器A2的反相输入端连接电阻R3的另一端和电阻R5的一端，运算放大器A2的同相输入端连接电阻R2的一端和电容C2的一端，电阻R2的另一端接参考信号源，电容C1的另一端和电容C2的另一端接地，运算放大器A2的输出端连接电阻R5的另一端、电阻R7的一端和电容C4的一端；运算放大器A3同相输入端连接电阻R6的另一端和电阻R7的另一端，运算放大器A3的输出端连接运算放大器A3的反相输入端、电阻R9的一端，电阻R8的一端和电容C4的另一端；电容C3的另一端和电阻R8连接。
进一步的，A/D转换单元为多通道同步数据采集电路，A/D转换单元连接多路并联的电容耦合PCB电极和信号放大滤波电路。
进一步的，A/D转换单元与每组电容耦合PCB电极和信号放大滤波电路组成的通道之间设置有一个采样保持器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统，通过在脑电采集头环上集成电容耦合PCB电极，利用电容耦合PCB电极连接的信号缓冲电路，电容耦合PCB电极不与头皮直接接触，通过与头皮之间形成间隙电容耦合脑电信号，无需导电胶辅助，操作简单，使用方便，利用信号放大滤波电路根据接收到的信号得到共模干扰信号，将共模干扰信号叠加并经反相放大电路放大-后反馈至人体，抵消人体表面的共模干扰对采集的影响，采用基于电容耦合电极的采集方式，能够实现脑电信号的长期采集，大幅简化了信号放大滤波电路和采用分时转化系统的A/D转化电路结构，大大缩小了信号处理电路的体积和重量，易于便携；采用无线传输模块，摆脱导线的距离束缚，拓展了脑电采集的应用场景，提升了脑电采集的效率。
进一步的，双层PCB板为圆形PCB板，耦合电极外圈设有与耦合电极间隔设置的屏蔽环，能够与头皮之间形成间隙电容耦合脑电信号，不需要贴设头皮。
进一步的，采用本发明的信号放大滤波电路，包括放大电路、滤波电路和右腿驱动电路，能够将所有通道的共模干扰信号叠加并经反相放大电路放大，实现有效滤波。
附图说明
图1为本发明实施例中电容耦合式PCB电极示意图。
图2为本发明实施例中信号放大滤波电路的电路图。
图3为本发明实施例中弹力脑电采集头环的结构示意图。
图4为本发明实施例中A/D转换电路和无线通讯模块的结构示意图。
图中 1.PCB板，2.屏蔽环，3.耦合电极，4.三运放放大电路，5.仪用差分放大电路，6.4阶有源巴特沃斯高通滤波器，7.双“T”型50Hz陷波滤波器，8.右腿驱动电路，9.交流自举放大电路，10.4阶有源巴特沃斯低通滤波器，11.Fpz电极，12.Fp2电极，13.Fp1电极，14.T7电极，15.T8电极，16.O1电极，17.O2电极，18.Oz电极，19.弹力脑电采集头环。
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所示，一种基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统，包括电容耦合PCB电极，脑电采集头环，信号放大滤波电路，A/D转换电路，传输单元和电源；电容耦合PCB电极包括两个平行设置的PCB板1以及设置于两个PCB板1之间的耦合电极3，其中一层PCB板的一侧设有信号缓冲电路，信号缓冲电路的输出端连接信号放大滤波电路，信号放大滤波电路用于将耦合电极3采集的电容耦合脑电信号放大传输至信号放大滤波电路，信号放大滤波电路根据接收到的信号得到共模干扰信号，将共模干扰信号叠加并经反相放大电路放大-后反馈至人体，抵消人体表面的共模干扰对采集的影响，并将采集到的电容耦合脑电信号通过A/D转换单元转换经传输单元输出，电源用于提供电力。
具体的，如图1所示，双层PCB板1为圆形PCB板，耦合电极3设置于双层PCB板1之间，耦合电极3外圈设有与耦合电极3间隔设置的屏蔽环2，屏蔽环2的内、外径差为1mm，耦合电极3直径为23mm，屏蔽环与耦合电极间为绝缘树脂填充材料，利用耦合电极3与头皮间的间隙电容CE耦合脑电信号。
弹力脑电采集头环采用弹性硅胶材料，弹力脑电采集头环19为环状结构，电容耦合PCB电极固定于弹力脑电采集头环内侧，根据脑电电极定位系统排布，如图3所示，在Fp1电极13，Fp2电极12，Fpz电极11，T7电极14，T8电极15，O1电极16，O2电极17和Oz电极18点位使用绝缘胶将PCB电极上层固定于导联线上。
其中信号缓冲电路采用两级放大电路，两级放大电路铺设于一层PCB板上，设有两级放大电路的一层PCB板上设有绝缘阻焊层和顶层敷铜，顶层敷铜为耦合电极3的信号地。两级放大电路包括一级运放和信号跟随电路，一级运放和信号跟随电路之间连接电平变换电路。
一级运放包括一级运算放大器A01、电阻R01、电容C01和二极管Rbias，一级运算放大器A01的反相输入端连接电阻R01的一端，电阻R01的另一端连接屏蔽环2，一级运算放大器A01的同相输入端连接电容C01的一端和二极管Rbias的负极，二极管Rbias的正极连接顶层敷铜，电容C01的另一端连接耦合电极3；
电平变换电路包括电容C02和电阻R02，电容C02的一端连接一级运算放大器A01的反相输入端和一级运算放大器A01的输出端；电阻R02的一端连接电容C02的另一端，电阻R02的另一端接地；
信号跟随电路包括二级通用运算放大器A02和电阻R04，电阻R04的一端连接二级通用运算放大器A02的输出端；二级通用运算放大器A02的同相输入端连接电阻R02的一端和电容C02的另一端，二级通用运算放大器A02的反相输入端连接电阻R04的另一端；电阻R04的另一端为信号输出端。信号缓冲电路的第一级通过反接二极管Rbias大幅提升输入阻抗，提高信号采集质量，缓冲电路第二级为信号跟随电路。
如图2所示，信号放大滤波电路包括放大电路、滤波电路和右腿驱动电路；放大电路包括三运放放大电路4，次级仪用差分放大电路5和交流自举放大电路9，三运放放大电路4，次级仪用差分放大电路5和交流自举放大电路9的放大倍数分别为21倍，100倍和10倍，总放大倍数为21000倍，总共模抑制比大于120dB。
如图2所示，三运放放大电路4包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、运算放大器A1、运算放大器A2和运算放大器A3，运算放大器A1的同相输入端连接电容C1的一端和电阻R1的一端，电容C1的另一端接地，电阻R1的另一端接信号缓冲电路的输出端；运算放大器A1的反相输入端连接电阻R3的一端和电阻R4的一端，运算放大器A1的输出端连接电阻R4的另一端、电阻R6的一端和电容C3的一端；运算放大器A2的反相输入端连接电阻R3的另一端和电阻R5的一端，运算放大器A2的同相输入端连接电阻R2的一端和电容C2的一端，电阻R2的另一端接参考信号源，电容C1的另一端和电容C2的另一端接地，运算放大器A2的输出端连接电阻R5的另一端、电阻R7的一端和电容C4的一端；运算放大器A3同相输入端连接电阻R6的另一端和电阻R7的另一端，运算放大器A3的输出端连接运算放大器A3的反相输入端、电阻R9的一端，电阻R8的一端和电容C4的另一端；电容C3的另一端和电阻R8连接；
三运放放大电路4和次级仪用差分放大电路5之间连接中间电路，中间电路包括电阻R10、电阻R11、电容C5、电容C6和电容C7，电阻R10的一端接电阻R8的另一端，电阻R10的另一端接电容C5的一端和电容C6的一端，电容C6的另一端接电阻R11的一端和电容C7的一端，电容C7的另一端和的电容C5另一端接地，电阻R11的另一端接电阻R9的另一端；
次级仪用差分放大电路5包括运算放大器A4、运算放大器A5、电阻R12、电阻R13、电阻R14和电阻RG，运算放大器A4的同相输入端连接电阻R10的另一端，运算放大器A4的反相输入端连接电阻R11的一端，运算放大器A5的同相输入端连接电阻R12一端和电阻R13一端，电阻R12另一端和电阻RG一端连接，电阻RG另一端和电阻R13另一端连接，电阻RG两端接运算放大器A4放大端；运算放大器A5的反相输入端接运算放大器A5的输出端和电阻R14的一端，电阻R14的另一端接地；
交流自举放大电路9包括运算放大器A6、运算放大器A7、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电容C8、电容C9和电容C10；运算放大器A6的同相输入端连接电容C8的一端和电阻R16一端，运算放大器A6的反相输入端连接电阻R15的一端，电阻R15的另一端连接运算放大器A6的输出端、电容C9的一端和电阻R18一端，电阻R16的另一端连接电容C9的另一端和电阻R17一端，电阻R17的另一端接地；运算放大器A7的同相输入端连接电阻R18的另一端，运算放大器A7的反相输入端连接电阻R19的一端、电阻R20的一端和电容C10的一端，运算放大器A7的输出端连接电阻R20的另一端和电容C10的另一端；
滤波电路包括4阶有源巴特沃斯高通滤波器6、双“T”型50Hz陷波滤波器7和4阶有源巴特沃斯低通滤波器10；运算放大器A4的输出端连接4阶有源巴特沃斯高通滤波器6，4阶有源巴特沃斯高通滤波器6连接双“T”型50Hz陷波滤波器7，电容C8的另一端连接双“T”型50Hz陷波滤波器7输出端；运算放大器A7的输出端连接4阶有源巴特沃斯低通滤波器10的输入端，4阶有源巴特沃斯低通滤波器10的输出端连接电阻R21的一端，电阻R21的另一端连接电容C11一端后输出EEG信号，电容C11另一端接地。
右腿驱动电路包括运算放大器A8、运算放大器A9、运算放大器A10、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26和电容C12，运算放大器A8的反相输入端连接电阻R23的一端，电阻R23的另一端接运算放大器A10的同相输入端、电阻R22的一端，电阻R22的另一端接运算放大器A9的输出端和运算放大器A9的反相输入端，运算放大器A9的同相输入端连接运算放大器A3的输出端；运算放大器A10的反相输入端连接电阻R26的一端和电阻R24的一端，电阻R24的另一端接电容C12的一端，电容C12的另一端接电阻R26的另一端接、运算放大器A10的输出端和电阻R25的一端，电阻R25的另一端输出驱动信号。
如图4所示，所述A/D转换单元为多通道同步数据采集电路，具体采用10通道同步数据采集电路，实现信号单元中8通道输出信号的同步采集；采用分时转化系统，8路模拟信号输入通道各有一个采样保持器(S/H)，所有通道共用一个A/D转换器。单片机用于多路选择器的模拟开关分时地将各路采样保持器接入A/D转换器的控制，实现8路信号的同步采样。所述A/D转换器位数为12bit，采样率不低于5kHz，采样精度为0.1mV。
传输单元采用有线传输或无线传输模块，利用有线传输直接将信号通过线缆传输至信号接收系统，信号接收系统为计算机或者后台控制系统。无线传输模块采用蓝牙无线传输模块，通过单片机进行控制，具体采用蓝牙4.0低功耗模块，串口通讯波特率为115200bit/s，最高传输速率为1Mbps，有效传输距离20米。
采集脑电信号时，使用者只需安装3.3V纽扣电池，佩戴上弹性脑电采集头环，再微调电极准确找准定位即可开始采集EEG信号；电容耦合PCB电极不与皮肤直接接触，利用间隙电容CE耦合出脑电信号，由PCB上层的缓冲电路传送至信号处理电路；脑电信号经三级放大、4阶巴特沃斯有源滤波、50Hz陷波滤波、4阶巴特沃斯有源低通滤波、A/D转换电路和蓝牙通讯模块输出系统。
本发明所述的基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统包括电容耦合PCB电极、弹力脑电采集头环、信号放大滤波电路、A/D转换电路、无线通讯模块和电源。采集脑电信号时，使用者只需安装3.3V纽扣电池，佩戴上弹性脑电采集头环，再微调电极准确找准定位即可，电极不与皮肤直接接触且无需导电胶辅助，操作简单，使用方便；大幅简化了信号放大滤波电路和采用分时转化系统的A/D转化电路结构，大大缩小了信号处理电路的体积和重量，易于便携；采用无线蓝牙通讯，摆脱导线的距离束缚，拓展了脑电采集的应用场景，提升了脑电采集的效率。

Claims (10)

1.一种基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统，其特征在于，包括电容耦合PCB电极、脑电采集头环、信号放大滤波电路、A/D转换电路、传输单元和电源；电容耦合PCB电极包括两个平行设置的PCB板(1)以及设置于两个PCB板(1)之间的耦合电极(3)，其中一层PCB板的一侧设有信号缓冲电路，信号缓冲电路的输出端连接信号放大滤波电路，信号放大滤波电路用于将耦合电极(3)采集的电容耦合脑电信号放大传输至信号放大滤波电路，信号放大滤波电路根据接收到的信号得到共模干扰信号，将共模干扰信号叠加并经反相放大电路放大-后反馈至人体，抵消人体表面的共模干扰对采集的影响，并将采集到的电容耦合脑电信号通过A/D转换单元转换经传输单元输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统，其特征在于，双层PCB板(1)为圆形PCB板，耦合电极(3)外圈设有与耦合电极(3)间隔设置的屏蔽环(2)。
3.根据权利要求2所述的一种基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统，其特征在于，屏蔽环的内、外径差为1mm，耦合电极直径为23mm，屏蔽环与耦合电极间为绝缘树脂填充材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统，其特征在于，设有信号缓冲电路的一层PCB板上设有绝缘阻焊层和顶层敷铜，顶层敷铜为耦合电极(3)的信号地；信号缓冲电路包括一级运放和信号跟随电路，一级运放和信号跟随电路之间连接电平变换电路。
5.根据权利要求4所述的一种基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统，其特征在于，一级运放包括一级运算放大器A01、电阻R01、电容C01和二极管Rbias，一级运算放大器A01的反相输入端连接电阻R01的一端，电阻R01的另一端连接屏蔽环(2)，一级运算放大器A01的同相输入端连接电容C01的一端和二极管Rbias的负极，二极管Rbias的正极连接顶层敷铜，电容C01的另一端连接耦合电极(3)。
6.根据权利要求5所述的一种基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统，其特征在于，电平变换电路包括电容C02和电阻R02，电容C02的一端连接一级运算放大器A01的反相输入端和一级运算放大器A01的输出端；电阻R02的一端连接电容C02的另一端，电阻R02的另一端接地；
信号跟随电路包括二级通用运算放大器A02和电阻R04，电阻R04的一端连接二级通用运算放大器A02的输出端；二级通用运算放大器A02的同相输入端连接电阻R02的一端和电容C02的另一端，二级通用运算放大器A02的反相输入端连接电阻R04的另一端；电阻R04的另一端为信号输出端；信号缓冲电路的第一级通过反接二极管Rbias大幅提升输入阻抗，提高信号采集质量，缓冲电路第二级为信号跟随电路。
7.根据权利要求1所述的一种基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统，其特征在于，信号放大滤波电路包括放大电路、滤波电路和右腿驱动电路；放大电路包括三运放放大电路(4)，次级仪用差分放大电路(5)和交流自举放大电路(9)，三运放放大电路(4)、次级仪用差分放大电路(5)和交流自举放大电路(9)的放大倍数分别为21倍，100倍和10倍。
8.根据权利要求7所述的一种基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统，其特征在于，三运放放大电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、运算放大器A1、运算放大器A2和运算放大器A3，运算放大器A1的同相输入端连接电容C1的一端和电阻R1的一端，电容C1的另一端接地，电阻R1的另一端接信号缓冲电路的输出端；运算放大器A1的反相输入端连接电阻R3的一端和电阻R4的一端，运算放大器A1的输出端连接电阻R4的另一端、电阻R6的一端和电容C3的一端；运算放大器A2的反相输入端连接电阻R3的另一端和电阻R5的一端，运算放大器A2的同相输入端连接电阻R2的一端和电容C2的一端，电阻R2的另一端接参考信号源，电容C1的另一端和电容C2的另一端接地，运算放大器A2的输出端连接电阻R5的另一端、电阻R7的一端和电容C4的一端；运算放大器A3同相输入端连接电阻R6的另一端和电阻R7的另一端，运算放大器A3的输出端连接运算放大器A3的反相输入端、电阻R9的一端，电阻R8的一端和电容C4的另一端；电容C3的另一端和电阻R8连接。
9.根据权利要求1所述的一种基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统，其特征在于，A/D转换单元为多通道同步数据采集电路，A/D转换单元连接多路并联的电容耦合PCB电极和信号放大滤波电路。
10.根据权利要求9所述的一种基于电容耦合电极的便携式多导联脑电采集系统，其特征在于，A/D转换单元与每组电容耦合PCB电极和信号放大滤波电路组成的通道之间设置有一个采样保持器。
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WO2023029287A1 (zh) * 2021-09-02 2023-03-09 中国科学院深圳先进技术研究院 肌电采集参考电极的动态切换装置以及动态切换方法

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