CN113397552B - 一种脑电信号采集方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脑电信号采集方法及系统，其方法包括：利用开关切换电路判断是否接收到采样管控电路下发的模式切换指令；若否，触发开关切换电路保持开启信号采集通道；利用电极帽中的脑电电极组件采集测试人员的原始脑电信号，再通过滤波保护电路对原始脑电信号进行杂波滤除处理；利用运放缓冲电路从信号采集通道中接收处理后的原始脑电信号并对其进行增强处理，再将输出的脑电信号传输至采样管控电路；利用采样管控电路对脑电信号进行模数转换得到数字信号，再通过SPI总线将数字信号上载至控制电路进行存储。上述方法通过借助开关切换电路和运放缓冲电路实现对高质量脑电信号的提取，减少资源利用成本，满足接触阻抗的测量要求。
Description
技术领域
本发明涉及人体脑电检测技术领域，尤其涉及一种脑电信号采集方法及系统。
背景技术
脑电波是神经元细胞之间传递信息时产生的生物电信号，也是大脑皮质中的锥体细胞突触活动时由于离子交换而产生的电波信号。脑电信号非常微弱，只有几十微伏，而且具有很强的肌电噪声和工频干扰，技术人员通常会采用非常昂贵的高精度仪表运放对电极帽所采集到的脑电信号进行一系列处理，再通过USB数据线或者网线将处理后的脑电信号上传至电脑端进行存储和阻抗计算，此方式虽然可获取到高质量的脑电信号，但需要利用到的器件价格昂贵且涉及电路复杂，后来技术人员采用专用芯片来执行脑电采集工作，也往往因为专用芯片的硬件性能指标而造成采集到的脑电信号存在干扰问题，同时无法满足后续接触阻抗的测量要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种脑电信号采集方法及系统，通过借助开关切换电路和运放缓冲电路实现对高质量脑电信号的提取，减少资源利用成本，同时满足接触阻抗的测量要求。
为了解决上述问题，本发明提出了一种脑电信号采集方法，所述方法包括：
当测试人员佩戴电极帽时，利用开关切换电路判断自身是否接收到采样管控电路下发的模式切换指令；
若否，触发所述开关切换电路保持开启信号采集通道；
利用所述电极帽中设置的脑电电极组件对所述测试人员的原始脑电信号进行采集，再通过滤波保护电路对所述原始脑电信号进行杂波滤除处理；
利用运放缓冲电路从所述信号采集通道中接收滤波处理后的原始脑电信号并对其进行增强处理，再将输出的脑电信号传输至所述采样管控电路；
利用所述采样管控电路对所述脑电信号进行模数转换得到数字信号，再通过SPI总线将所述数字信号上载至控制电路进行存储。
可选的，在利用开关切换电路判断自身是否接收到采样管控电路下发的模式切换指令之前，还包括：
利用所述控制电路根据人为操作生成相应的控制指令后，将所述控制指令通过所述SPI总线反馈至所述采样管控电路；
利用所述采样管控电路对所述控制指令进行解析，在识别到所述控制指令包含阻抗测试信号后，生成模式切换指令并下发至所述开关切换电路。
可选的，在识别到所述控制指令包含阻抗测试信号后，还包括：
通过所述采样管控电路对所述阻抗测试信号进行响应，控制自身的电源端口向所述开关切换电路施加额外的恒流信号，再通过所述开关切换电路将所述恒流信号输出至所述脑电电极组件。
可选的，在利用开关切换电路判断自身是否接收到采样管控电路下发的模式切换指令之后，还包括：
若是，触发所述开关切换电路对所述模式切换指令进行响应，切换开启阻抗测试通道；
利用所述脑电电极组件对所述测试人员的脑电测试信号进行采集，再通过所述滤波保护电路对所述脑电测试信号进行杂波滤除处理；
利用所述采样管控电路从所述阻抗测试通道中接收滤波处理后的脑电测试信号并对其进行模数转换得到数字测试信号，再通过所述SPI总线将所述数字测试信号上载至所述控制电路；
通过所述控制电路对所述数字测试信号进行分析计算，得到接触阻抗。
可选的，所述通过所述控制电路对所述数字测试信号进行分析计算，得到接触阻抗包括：
获取所述脑电电极组件上所施加的恒流信号的特定频率值，并基于所述特定频率值对所述数字测试信号进行干扰滤除，得到最终测试信号；
获取所述最终测试信号的电压有效值，同时结合所述恒流信号的特定电流值计算出所述脑电电极组件与所述测试人员的头皮之间的接触阻抗。
可选的，所述采样管控电路与所述SPI总线之间通过设置隔离电路来建立安全的数据传输通道，对所述SPI总线上运作的各个通信节点进行电气隔离。
另外，本发明实施例还提供了一种脑电信号采集系统，所述系统包括：
指令判断模块，用于当测试人员佩戴电极帽时，利用开关切换电路判断自身是否接收到采样管控电路下发的模式切换指令；
通道保持模块，用于在判断未接收到模式切换指令之后，触发所述开关切换电路保持开启信号采集通道；
第一处理模块，用于利用所述电极帽中设置的脑电电极组件对所述测试人员的原始脑电信号进行采集，再通过滤波保护电路对所述原始脑电信号进行杂波滤除处理；
信号增强模块，用于利用运放缓冲电路从所述信号采集通道中接收滤波处理后的原始脑电信号并对其进行增强处理，再将输出的脑电信号传输至所述采样管控电路；
数据存储模块，用于利用所述采样管控电路对所述脑电信号进行模数转换得到数字信号，再通过SPI总线将所述数字信号上载至控制电路进行存储。
可选的，所述系统还包括：
通道切换模块，用于在判断接收到模式切换指令之后，触发所述开关切换电路对所述模式切换指令进行响应，切换开启阻抗测试通道；
第二处理模块，用于利用所述脑电电极组件对所述测试人员的脑电测试信号进行采集，再通过所述滤波保护电路对所述脑电测试信号进行杂波滤除处理；
信号上载模块，用于利用所述采样管控电路从所述阻抗测试通道中接收滤波处理后的脑电测试信号并对其进行模数转换得到数字测试信号，再通过所述SPI总线将所述数字测试信号上载至所述控制电路；
数据计算模块，用于通过所述控制电路对所述数字测试信号进行分析计算，得到接触阻抗。
可选的，所述采样管控电路与所述SPI总线之间通过设置隔离电路来建立安全的数据传输通道，对所述SPI总线上运作的各个通信节点进行电气隔离。
在本发明实施例中，通过设置开关切换电路可为整个系统提供两种不同的运行模式，由此满足用户的使用需求；当开关切换电路仅开启信号采集通道时，通过接入运放缓冲电路可实现对高质量脑电信号的提取，为后续医护人员的调用研究提供便利条件；当开关切换电路仅开启阻抗测试通道时，通过直接接入采样管控电路而不经过运放缓冲电路，可在外部激励信号保持不变的情况下最大程度地保证接触阻抗的测量准确度。
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，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中的脑电信号采集方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中的脑电信号采集系统的结构组成示意图。
具体实施方式
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1，图1示出了本发明实施例中的脑电信号采集方法的流程示意图。
如图1所示，一种脑电信号采集方法，所述方法包括如下步骤：
S101、当测试人员佩戴电极帽时，利用开关切换电路判断自身是否接收到采样管控电路下发的模式切换指令；
在本发明实施例中，执行步骤S101之前还包括：利用控制电路根据人为操作生成相应的控制指令后，将所述控制指令通过SPI总线反馈至采样管控电路；利用所述采样管控电路对所述控制指令进行解析，在识别到所述控制指令包含阻抗测试信号后，生成模式切换指令并下发至所述开关切换电路，与此同时通过所述采样管控电路对所述阻抗测试信号进行响应，控制自身的电源端口向所述开关切换电路施加额外的恒流信号，再通过所述开关切换电路将所述恒流信号输出至所述电极帽中设置的脑电电极组件，由此确保所述开关切换电路在切换至阻抗测试通道之前，所述脑电电极组件可处于外部激励状态且与所述测试人员的头皮形成电流回路，以降低阻抗测试误差。
具体的，执行步骤S101之后得到相应的判断结果包括：当所述采样管控电路无法从所述控制指令中识别到阻抗测试信号时，则不生成模式切换指令，即说明所述开关切换电路未能接收到相关的模式切换指令，进而继续执行步骤S102；相反的，当所述开关切换电路接收到所述采样管控电路下发的模式切换指令时，跳转执行步骤S106。
S102、触发所述开关切换电路保持开启信号采集通道；
S103、利用所述电极帽中设置的脑电电极组件对所述测试人员的原始脑电信号进行采集，再通过滤波保护电路对所述原始脑电信号进行杂波滤除处理；
在本发明实施例中，所述脑电电极组件包括用于接触测试人员的头颅表皮并采集生物脑电信号的正负电极以及参考电极，在所述测试人员佩戴所述电极帽之后，所述脑电电极组件正好与所述测试人员的待测脑区充分接触并在正常通电状态下对所述测试人员的原始脑电信号进行采集，随后利用滤波保护电路将所述原始脑电信号中掺杂的200Hz以上的高频杂波进行滤除，此外所述滤波保护电路还起到防静电作用，以保证其他电路模块的安全运行。
S104、利用运放缓冲电路从所述信号采集通道中接收滤波处理后的原始脑电信号并对其进行增强处理，再将输出的脑电信号传输至所述采样管控电路；
在本发明实施例中，所述运放缓冲电路具备较高的输入阻抗，可对滤波处理后的原始脑电信号进行阻抗匹配与无失真放大，由此得到质量更高的脑电信号以便于后续医护人员调阅研究，再将所述脑电信号传输至所述采样管控电路。
S105、利用所述采样管控电路对所述脑电信号进行模数转换得到数字信号，再通过SPI总线将所述数字信号上载至控制电路进行存储；
在本发明实施例中，所述采样管控电路与所述SPI总线之间通过设置隔离电路来建立安全的数据传输通道，对所述SPI总线上运作的各个通信节点进行电气隔离，以满足所述数字信号的无损传输要求。
需要说明的是，在通过SPI总线将所述数字信号上载至控制电路进行存储之后，需要重新返回执行步骤S101。
S106、触发所述开关切换电路对所述模式切换指令进行响应，切换开启阻抗测试通道；
S107、利用所述脑电电极组件对所述测试人员的脑电测试信号进行采集，再通过所述滤波保护电路对所述脑电测试信号进行杂波滤除处理；
S108、利用所述采样管控电路从所述阻抗测试通道中接收滤波处理后的脑电测试信号并对其进行模数转换得到数字测试信号，再通过所述SPI总线将所述数字测试信号上载至所述控制电路；
S109、通过所述控制电路对所述数字测试信号进行分析计算，得到接触阻抗。
在本发明实施例中，首先获取所述脑电电极组件上所施加的恒流信号的特定频率值，并基于所述特定频率值对所述数字测试信号进行干扰滤除，得到最终测试信号；其次获取所述最终测试信号的电压有效值，同时结合所述恒流信号的特定电流值计算出所述脑电电极组件与所述测试人员的头皮之间的接触阻抗，即为所述电压有效值和所述特定电流值之间的商值。需要说明的是，在计算得到接触阻抗之后，需要重新返回执行步骤S101。
在本发明实施例中，通过设置开关切换电路可为整个系统提供两种不同的运行模式，由此满足用户的使用需求；当开关切换电路仅开启信号采集通道时，通过接入运放缓冲电路可实现对高质量脑电信号的提取，为后续医护人员的调用研究提供便利条件；当开关切换电路仅开启阻抗测试通道时，通过直接接入采样管控电路而不经过运放缓冲电路，可在外部激励信号保持不变的情况下最大程度地保证接触阻抗的测量准确度。
实施例
请参阅图2，图2示出了本发明实施例中的脑电信号采集系统的结构组成示意图。
如图2所示，一种脑电信号采集系统，所述系统包括如下：
指令判断模块201，用于当测试人员佩戴电极帽时，利用开关切换电路判断自身是否接收到采样管控电路下发的模式切换指令；
在本发明实施例中，运行所述指令判断模块201之前还包括：利用控制电路根据人为操作生成相应的控制指令后，将所述控制指令通过SPI总线反馈至采样管控电路；利用所述采样管控电路对所述控制指令进行解析，在识别到所述控制指令包含阻抗测试信号后，生成模式切换指令并下发至所述开关切换电路，与此同时通过所述采样管控电路对所述阻抗测试信号进行响应，控制自身的电源端口向所述开关切换电路施加额外的恒流信号，再通过所述开关切换电路将所述恒流信号输出至所述电极帽中设置的脑电电极组件，由此确保所述开关切换电路在切换至阻抗测试通道之前，所述脑电电极组件可处于外部激励状态且与所述测试人员的头皮形成电流回路，以降低阻抗测试误差。
具体的，运行所述指令判断模块201之后得到相应的判断结果包括：当所述采样管控电路无法从所述控制指令中识别到阻抗测试信号时，则不生成模式切换指令，即说明所述开关切换电路未能接收到相关的模式切换指令，进而继续运行通道保持模块202；相反的，当所述开关切换电路接收到所述采样管控电路下发的模式切换指令时，跳转运行通道切换模块206。
通道保持模块202，用于在判断未接收到模式切换指令之后，触发所述开关切换电路保持开启信号采集通道；
第一处理模块203，用于利用所述电极帽中设置的脑电电极组件对所述测试人员的原始脑电信号进行采集，再通过滤波保护电路对所述原始脑电信号进行杂波滤除处理；
在本发明实施例中，所述脑电电极组件包括用于接触测试人员的头颅表皮并采集生物脑电信号的正负电极以及参考电极，在所述测试人员佩戴所述电极帽之后，所述脑电电极组件正好与所述测试人员的待测脑区充分接触并在正常通电状态下对所述测试人员的原始脑电信号进行采集，随后利用滤波保护电路将所述原始脑电信号中掺杂的200Hz以上的高频杂波进行滤除，此外所述滤波保护电路还起到防静电作用，以保证其他电路模块的安全运行。
信号增强模块204，用于利用运放缓冲电路从所述信号采集通道中接收滤波处理后的原始脑电信号并对其进行增强处理，再将输出的脑电信号传输至所述采样管控电路；
在本发明实施例中，所述运放缓冲电路具备较高的输入阻抗，可对滤波处理后的原始脑电信号进行阻抗匹配与无失真放大，由此得到质量更高的脑电信号以便于后续医护人员调阅研究，再将所述脑电信号传输至所述采样管控电路。
数据存储模块205，用于利用所述采样管控电路对所述脑电信号进行模数转换得到数字信号，再通过SPI总线将所述数字信号上载至控制电路进行存储；
在本发明实施例中，所述采样管控电路与所述SPI总线之间通过设置隔离电路来建立安全的数据传输通道，对所述SPI总线上运作的各个通信节点进行电气隔离，以满足所述数字信号的无损传输要求。
需要说明的是，在通过SPI总线将所述数字信号上载至控制电路进行存储之后，需要重新返回运行所述指令判断模块201。
通道切换模块206，用于在判断接收到模式切换指令之后，触发所述开关切换电路对所述模式切换指令进行响应，切换开启阻抗测试通道；
第二处理模块207，用于利用所述脑电电极组件对所述测试人员的脑电测试信号进行采集，再通过所述滤波保护电路对所述脑电测试信号进行杂波滤除处理；
信号上载模块208，用于利用所述采样管控电路从所述阻抗测试通道中接收滤波处理后的脑电测试信号并对其进行模数转换得到数字测试信号，再通过所述SPI总线将所述数字测试信号上载至所述控制电路；
数据计算模块209，用于通过所述控制电路对所述数字测试信号进行分析计算，得到接触阻抗。
在本发明实施例中，首先获取所述脑电电极组件上所施加的恒流信号的特定频率值，并基于所述特定频率值对所述数字测试信号进行干扰滤除，得到最终测试信号；其次获取所述最终测试信号的电压有效值，同时结合所述恒流信号的特定电流值计算出所述脑电电极组件与所述测试人员的头皮之间的接触阻抗，即为所述电压有效值和所述特定电流值之间的商值。需要说明的是，在计算得到接触阻抗之后，需要重新返回运行所述指令判断模块201。
在本发明实施例中，通过设置开关切换电路可为整个系统提供两种不同的运行模式，由此满足用户的使用需求；当开关切换电路仅开启信号采集通道时，通过接入运放缓冲电路可实现对高质量脑电信号的提取，为后续医护人员的调用研究提供便利条件；当开关切换电路仅开启阻抗测试通道时，通过直接接入采样管控电路而不经过运放缓冲电路，可在外部激励信号保持不变的情况下最大程度地保证接触阻抗的测量准确度。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁盘或光盘等。
以上对本发明实施例所提供的一种脑电信号采集方法及系统进行了详细介绍，本文中采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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (2)
1.一种脑电信号采集方法，其特征在于，所述方法包括：
当测试人员佩戴电极帽时，利用开关切换电路判断自身是否接收到采样管控电路下发的模式切换指令；
若否，触发所述开关切换电路保持开启信号采集通道；
利用所述电极帽中设置的脑电电极组件对所述测试人员的原始脑电信号进行采集，再通过滤波保护电路对所述原始脑电信号进行杂波滤除处理；
利用运放缓冲电路从所述信号采集通道中接收滤波处理后的原始脑电信号并对其进行增强处理，再将输出的脑电信号传输至所述采样管控电路，所述运放缓冲电路具备输入阻抗，用于对滤波处理后的原始脑电信号进行阻抗匹配与无失真放大；
利用所述采样管控电路对所述脑电信号进行模数转换得到数字信号，再通过SPI总线将所述数字信号上载至控制电路进行存储；
在利用开关切换电路判断自身是否接收到采样管控电路下发的模式切换指令之后，还包括：
若是，触发所述开关切换电路对所述模式切换指令进行响应，切换开启阻抗测试通道；
利用所述脑电电极组件对所述测试人员的脑电测试信号进行采集，再通过所述滤波保护电路对所述脑电测试信号进行杂波滤除处理；
利用所述采样管控电路从所述阻抗测试通道中接收滤波处理后的脑电测试信号并对其进行模数转换得到数字测试信号，再通过所述SPI总线将所述数字测试信号上载至所述控制电路；
通过所述控制电路对所述数字测试信号进行分析计算，得到接触阻抗，包括：获取所述脑电电极组件上所施加的恒流信号的特定频率值，并基于所述特定频率值对所述数字测试信号进行干扰滤除，得到最终测试信号；获取所述最终测试信号的电压有效值，同时结合所述恒流信号的特定电流值计算出所述脑电电极组件与所述测试人员的头皮之间的接触阻抗；所述接触阻抗为所述电压有效值和所述特定电流值之间的商值；
在利用开关切换电路判断自身是否接收到采样管控电路下发的模式切换指令之前，还包括：
利用所述控制电路根据人为操作生成相应的控制指令后，将所述控制指令通过所述SPI总线反馈至所述采样管控电路；
利用所述采样管控电路对所述控制指令进行解析，在识别到所述控制指令包含阻抗测试信号后，生成模式切换指令并下发至所述开关切换电路；
在识别到所述控制指令包含阻抗测试信号后，还包括：
通过所述采样管控电路对所述阻抗测试信号进行响应，控制自身的电源端口向所述开关切换电路施加额外的恒流信号，再通过所述开关切换电路将所述恒流信号输出至所述脑电电极组件；所述采样管控电路与所述SPI总线之间通过设置隔离电路来建立安全的数据传输通道，对所述SPI总线上运作的各个通信节点进行电气隔离。
2.一种脑电信号采集系统，其特征在于，所述系统包括：
指令判断模块，用于当测试人员佩戴电极帽时，利用开关切换电路判断自身是否接收到采样管控电路下发的模式切换指令；
通道保持模块，用于在判断未接收到模式切换指令之后，触发所述开关切换电路保持开启信号采集通道；
第一处理模块，用于利用所述电极帽中设置的脑电电极组件对所述测试人员的原始脑电信号进行采集，再通过滤波保护电路对所述原始脑电信号进行杂波滤除处理；
信号增强模块，用于利用运放缓冲电路从所述信号采集通道中接收滤波处理后的原始脑电信号并对其进行增强处理，再将输出的脑电信号传输至所述采样管控电路，所述运放缓冲电路具备输入阻抗，用于对滤波处理后的原始脑电信号进行阻抗匹配与无失真放大；
数据存储模块，用于利用所述采样管控电路对所述脑电信号进行模数转换得到数字信号，再通过SPI总线将所述数字信号上载至控制电路进行存储；
通道切换模块，用于在判断接收到模式切换指令之后，触发所述开关切换电路对所述模式切换指令进行响应，切换开启阻抗测试通道；
第二处理模块，用于利用所述脑电电极组件对所述测试人员的脑电测试信号进行采集，再通过所述滤波保护电路对所述脑电测试信号进行杂波滤除处理；
信号上载模块，用于利用所述采样管控电路从所述阻抗测试通道中接收滤波处理后的脑电测试信号并对其进行模数转换得到数字测试信号，再通过所述SPI总线将所述数字测试信号上载至所述控制电路；
数据计算模块，用于通过所述控制电路对所述数字测试信号进行分析计算，得到接触阻抗；
通过所述控制电路对所述数字测试信号进行分析计算，得到接触阻抗，包括：获取所述脑电电极组件上所施加的恒流信号的特定频率值，并基于所述特定频率值对所述数字测试信号进行干扰滤除，得到最终测试信号；获取所述最终测试信号的电压有效值，同时结合所述恒流信号的特定电流值计算出所述脑电电极组件与所述测试人员的头皮之间的接触阻抗；所述接触阻抗为所述电压有效值和所述特定电流值之间的商值；
在利用开关切换电路判断自身是否接收到采样管控电路下发的模式切换指令之前，还包括：
利用所述控制电路根据人为操作生成相应的控制指令后，将所述控制指令通过所述SPI总线反馈至所述采样管控电路；
利用所述采样管控电路对所述控制指令进行解析，在识别到所述控制指令包含阻抗测试信号后，生成模式切换指令并下发至所述开关切换电路；
在识别到所述控制指令包含阻抗测试信号后，还包括：
通过所述采样管控电路对所述阻抗测试信号进行响应，控制自身的电源端口向所述开关切换电路施加额外的恒流信号，再通过所述开关切换电路将所述恒流信号输出至所述脑电电极组件；所述采样管控电路与所述SPI总线之间通过设置隔离电路来建立安全的数据传输通道，对所述SPI总线上运作的各个通信节点进行电气隔离。
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