CN113391127A - 一种用于eeg信号采集的接触阻抗检测电路 - Google Patents

一种用于eeg信号采集的接触阻抗检测电路 Download PDF

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王晓岸
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Abstract

本发明公开了一种用于EEG信号采集的接触阻抗检测电路，该电路包括：EEG模拟前端，逻辑开关矩阵模块，励磁传感器，数模转换器，模数转换器，TIA放大器，接触阻抗模拟模块；数模转换器的输出端与励磁传感器的正向输入端相连，励磁传感器的输出端、两个反相输入端与逻辑开关矩阵模块相连，EEG模拟前端、接触阻抗模拟模块与逻辑开关矩阵模块相连，TIA放大器的输入端与逻辑开关矩阵模块相连，模数转换器的输入端与TIA放大器的输出端相连。该电路能够在提取EEG信号的同时进行接触阻抗的检测，用来消除由于接触不良给EEG信号所带来的影响。

Description

一种用于EEG信号采集的接触阻抗检测电路
技术领域
本发明涉及EEG信号采集技术领域，特别是涉及一种用于EEG信号采集的接触阻抗检测电路。
背景技术
接触阻抗是检测电极是否接触良好的重要参数。在检测过程中，电极由于长时间佩戴或者检测者的晃动很有可能松动甚至脱落，所以需要进行实时的接触阻抗检测，来判断电极是否接触良好。电极的佩戴影响接触阻抗的数值，而接触阻抗的变化，会对输出信号造成很大的影响(如幅频特性等)。由于脑电信号过于微弱，振幅很小，佩戴接触的微弱变化都会严重影响测量信号的质量，信号质量差可能会导致EEG设备应用的准确性差。因此，实时的接触阻抗检测能反应出实时的电极佩戴情况，从而得知输出信号的变化是由于脑电信号本身的变化还是外界原因所造成的。
现有EEG信号采集过程中存在问题包括：1.没有进行接触阻抗测试；2.在EEG信号开始采集前进行一次接触阻抗测试，当接触阻抗达到一定标准后，再进行EEG信号采集。总的来说，现有的BCI EEG信号采集系统无法在EEG信号采集的同时进行接触阻抗的检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于EEG信号采集的接触阻抗检测电路，能够在提取EEG信号的同时进行接触阻抗的检测，用来消除由于接触不良给EEG信号所带来的影响。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于EEG信号采集的接触阻抗检测电路，包括：
EEG模拟前端，逻辑开关矩阵模块，励磁传感器，数模转换器，模数转换器，TIA放大器，接触阻抗模拟模块；
数模转换器的输出端与励磁传感器的正向输入端相连，励磁传感器的输出端、两个反相输入端与逻辑开关矩阵模块相连，EEG模拟前端、接触阻抗模拟模块与逻辑开关矩阵模块相连，TIA放大器的输入端与逻辑开关矩阵模块相连，模数转换器的输入端与TIA放大器的输出端相连。
优选的，接触阻抗模拟模块包括并联的电容C和电阻R，接触阻抗模拟模块的输入端、输出端与逻辑开关矩阵模块相连。
优选的，TIA放大器包括三极管和电阻RTIA，三极管的反相输入端经电阻RTIA和三极管的输出端相连，三极管的反相输入端连接逻辑开关矩阵模块，三极管的输出端连接模数转换器的输入端。
优选的，数模转换器用于产生方波，励磁传感器器用于将方波转化为励磁电流。
优选的，励磁电流通过逻辑开关矩阵模块流入接触阻抗模拟模块，流经接触阻抗模拟模块后再流回到逻辑开关矩阵模块。
优选的，TIA放大器用于将励磁电流转换为励磁电压，模数转换器用于进行离散傅立叶变换，计算实时阻抗。
本发明所提供的一种用于EEG信号采集的接触阻抗检测电路，DAC输出方波，励磁放大器将其转化为励磁电流，此时逻辑开关矩阵中的相应开关D，P闭合，励磁电流从RCAL1处，流经接触阻抗至RCAL2处，再流到逻辑开关矩阵中，逻辑开关矩阵的开关N与T闭合，电流经过TIA放大器，电流转化为电压，ADC对数据进行采样，并进行离散傅立叶变换，最终得出接触阻抗的实部与虚部，EEG模拟前端提取EEG信号。本电路在提取EEG信号的同时进行接触阻抗的检测，用来消除由于接触不良给EEG信号所带来的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种用于EEG信号采集的接触阻抗检测电路的模块功能图；
图2为本发明所提供的EEG电极与脱落检测模块连接示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种用于EEG信号采集的接触阻抗检测电路，能够在提取EEG信号的同时进行接触阻抗的检测，用来消除由于接触不良给EEG信号所带来的影响。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明所提供的一种用于EEG信号采集的接触阻抗检测电路的模块功能图。该结构包括：
EEG模拟前端1，逻辑开关矩阵模块2，励磁传感器3，数模转换器4，模数转换器5，TIA放大器6，接触阻抗模拟模块7；
数模转换器4的输出端与励磁传感器3的正向输入端相连，励磁传感器3的输出端、两个反相输入端与逻辑开关矩阵模块2相连，EEG模拟前端1、接触阻抗模拟模块7与逻辑开关矩阵模块2相连，TIA放大器6的输入端与逻辑开关矩阵模块2相连，模数转换器5的输入端与TIA放大器6的输出端相连。
其中，EEG模拟前端又称为EEG AFE，用于采集EEG信号。逻辑开关矩阵又称为switch matrix，可切换不同连接方式，从而进行阻抗测量。励磁传感器又称为excitationamplifier，用于保持电压稳定，产生励磁电流，驱动后端电阻。数模转换器又称为DAC，用于产生方波。模数转换器又称为ADC，用于进行离散傅立叶变换，计算实时阻抗。TIA放大器为跨阻放大器，跨阻放大器(TIA)全称为trans-impedance amplifier，是放大器类型的一种。放大器TIA中，通过电阻RTIA将流入模数转换器的最大电流进行优化，由模数转换器将其转换为电压，并由模数转换器对数据进行采样，并进行离散傅立叶变换，最终得出阻抗检测结果。
其中，TIA放大器包括三极管和电阻RTIA，三极管的反相输入端经电阻RTIA和三极管的输出端相连，三极管的反相输入端连接逻辑开关矩阵模块，三极管的输出端连接模数转换器的输入端。图1中的RCAL1和RCAL2是信号传输线路上的两个位置点，仅仅代表位置点，接触阻抗模拟模块的两端均直接连接逻辑开关矩阵模块。接触阻抗模拟模块包括并联的电容C和电阻R，接触阻抗模拟模块的输入端、输出端与逻辑开关矩阵模块相连。
其中，数模转换器用于产生方波，励磁传感器器用于将方波转化为励磁电流。励磁电流通过逻辑开关矩阵模块流入接触阻抗模拟模块，流经接触阻抗模拟模块后再流回到逻辑开关矩阵模块。TIA放大器用于将励磁电流转换为励磁电压，模数转换器用于进行离散傅立叶变换，计算实时阻抗。其中电阻RTIA针对ADC看到的最大电流进行优化，并利用ADC转化为电压。接触阻抗模拟模型包括并联的电容与电阻，以模拟人体皮肤真实阻抗，是模拟人体大脑的电器模型，方便仿真和测试。逻辑开关矩阵模块在本文中即为逻辑开关矩阵。
接触阻抗可以通过测量参考电极和目标电极之间的电压差来获得。低阻抗意味着高接触能力，而高接触能力意味着高质量的无噪声和失真脑电图信号采集的可能性。所以，进行实时的阻抗检测是提高EEG信号质量的一项方法，而接触阻抗检测的难点在于：1.阻抗检测需在不影响正常EEG采集的情况下进行；2.阻抗检测电路不能成为新的噪声源，不能产生噪声与EEG信号混叠在一起，影响EEG信号；3.阻抗检测电路要遵循医疗器械的标准。
本发明提供的接触阻抗检测电路，在工作过程中，EEG模拟前端采集EEG信号传输到逻辑开关矩阵中，本发明的接触阻抗检测电路在EEG信号采集的同时进行接触阻抗的检测。具体的，DAC输出方波，励磁放大器将其转化为励磁电流，此时逻辑开关矩阵中的相应开关D，P闭合，励磁电流从RCAL1处，流经接触阻抗至RCAL2处，再流到逻辑开关矩阵中，逻辑开关矩阵的开关N与T闭合，电流经过TIA放大器，电流转化为电压，ADC对数据进行采样，并进行离散傅立叶变换，最终得出阻抗的实部与虚部。
对于接触阻抗的测量，阻抗可以通过测量参考电极和目标电极之间的电压差来获得，这是原理。原理应用到本发明的接触阻抗检测电路中，最终在ADC中进行离散傅立叶变换，接触阻抗的幅值和相位分别表示为：
Figure BDA0003113612990000051
Figure BDA0003113612990000052
其中，Rreal代表接触阻抗的实部，Rimaginary代表接触阻抗的虚部。
如图2所示，EEG电极与脱落检测模块进行连接。脱落检测模块嵌入在EEG电极内通过航空接头与屏蔽线连接BCI IC即EEG采集设备的IC中。电极根据不同的测试需求，参照国际10-20系统位置放置在人脑不同位置。
以上对本发明所提供的一种用于EEG信号采集的接触阻抗检测电路进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于EEG信号采集的接触阻抗检测电路，其特征在于，包括：
EEG模拟前端，逻辑开关矩阵模块，励磁传感器，数模转换器，模数转换器，TIA放大器，接触阻抗模拟模块；
数模转换器的输出端与励磁传感器的正向输入端相连，励磁传感器的输出端、两个反相输入端与逻辑开关矩阵模块相连，EEG模拟前端、接触阻抗模拟模块与逻辑开关矩阵模块相连，TIA放大器的输入端与逻辑开关矩阵模块相连，模数转换器的输入端与TIA放大器的输出端相连。
2.如权利要求1所述的用于EEG信号采集的接触阻抗检测电路，其特征在于，接触阻抗模拟模块包括并联的电容C和电阻R，接触阻抗模拟模块的输入端、输出端与逻辑开关矩阵模块相连。
3.根据权利要求1所述的用于EEG信号采集的接触阻抗检测电路，其特征在于，TIA放大器包括三极管和电阻RTIA，三极管的反相输入端经电阻RTIA和三极管的输出端相连，三极管的反相输入端连接逻辑开关矩阵模块，三极管的输出端连接模数转换器的输入端。
4.根据权利要求1所述的用于EEG信号采集的接触阻抗检测电路，其特征在于，数模转换器用于产生方波，励磁传感器器用于将方波转化为励磁电流。
5.根据权利要求4所述的用于EEG信号采集的接触阻抗检测电路，其特征在于，励磁电流通过逻辑开关矩阵模块流入接触阻抗模拟模块，流经接触阻抗模拟模块后再流回到逻辑开关矩阵模块。
6.根据权利要求5所述的用于EEG信号采集的接触阻抗检测电路，其特征在于，TIA放大器用于将励磁电流转换为励磁电压，模数转换器用于进行离散傅立叶变换，计算实时阻抗。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115813406A (zh) * 2022-12-24 2023-03-21 北京津发科技股份有限公司 一种eeg传感器电路、方法及装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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