CN114366125A - 一种用于哺乳动物的穿戴式脑电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于哺乳动物的穿戴式脑电系统，属于动物脑电采集领域，头戴式脑电头带、脑电采集模块、主机固定带、脑电分析模块；头戴式脑电头带包括电极放置带、电极压紧带、颈部固定带和角固定带；电极放置带的一面上分布有多个电极，电极压紧带一端与电极放置带连接，电极放置带相对的两侧分别连接有两个颈部固定带，在电极放置带上侧连接两个角固定带；电极放置带远离电极的一面、电极压紧带、颈部固定带和角固定带上均设有魔术贴；脑电采集模块与电极连接，用于对脑电信号进行采集、存储和读取；主机固定带用于将脑电采集模块固定在动物身上；脑电分析模块对所采集脑电数据进行脑电频率筛选、功率谱等计算以及转化为文本数据。
Description
技术领域
本发明属于动物脑电采集领域，涉及一种用于哺乳动物的穿戴式脑电系统。
背景技术
脑电信号是研究大脑科学活动的重要手段之一，可用来记录反映大脑头皮神经元兴奋性和抑制性突触后电位的潜在活动。自二十世纪早期以来，科学家就开始使用可以记录大脑神经元电脉冲波的脑电图来研究人类的癫痫和睡眠模式。目前脑电的应用非常广泛，涉及神经系统的疾病诊断、对人体状态的监测。脑电信号广泛应用于心理和行为方面的研究，如抑郁症、精神分裂症、注意力缺陷和多动症等，因此脑电对于研究大脑功能、了解工作机制、诊疗疾病方面具有非常重要的意义。
在军事应用中，特别是武器杀伤效应现场评估试验中，爆炸冲击波所致的脑损伤很常见。常用的脑损伤评估方法有脑组织病理观察和脑损伤标准物检查，包括S-100蛋白、神经元特异性烯醇化酶等。这些都是用于评估颅脑组织损伤的方法，但受试对象认知功能的评估则存在欠缺。目前，临床上用于评估脑损伤患者认知功能改变方法有功能核磁共振、事件相关电位和脑电定量分析等方法。但在现场试验中，试验的地点多在野外，试验的对象为动物。而核磁等高消耗和高价位设备要求且受试者不能移动以免产生伪迹，ERP需要受试对象配合和具备反馈互动能力，现场试验不具备上述条件。近来，有研究发现，人们可以通过脑电图来发现抑郁、焦虑甚至满足感。与此同时，脑电图研究也从人类迁移至啮齿动物、农场动物和宠物，并揭示了动物在被接受各种外界刺激的反应。所以，从理论上讲，脑电图可以捕捉到实验大型哺乳动物的精神状态。但遗憾的是，截止目前，还没有找到一种方法可以记录动物活动时的脑电波。有人认为，这是因为记录脑电图需要将电极放置在头部特定位置，并将导线从电极连接到记录器。
因此，脑电有着方便快捷、无需受试对象配合的优点，适合应用于现场评估试验中。但通过市场调研和查阅文献，暂未见有一款适合哺乳动物的专用脑电系统。但在这一过程中，人们需要约束或者强行使动物镇静。与此同时，为了获取准确的读数，要么必须剃光动物的头部，要么通过外科手术将电极植入动物的头皮下。这些都让脑电信号采集不能方便快捷地操作。
发明内容
有鉴于此，与人类可能具有数十甚至数百个电极的电脑图不同，本发明提供一套大型哺乳动物的便携式的穿戴式脑电记录分析系统，包括脑电头带只需要四个记录电极两个参考电极，即可实现从实验动物的大脑左右半球中接收电波。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于哺乳动物的穿戴式脑电系统，头戴式脑电头带、脑电采集模块、主机固定带、脑电分析模块；
所述头戴式脑电头带包括电极放置带、电极压紧带、颈部固定带和角固定带；所述电极放置带的一面上分布有多个电极，所述电极压紧带一端与电极放置带连接，所述电极放置带相对的两侧分别连接有两个颈部固定带，在电极放置带上侧连接两个角固定带；所述电极放置带远离电极的一面、电极压紧带、颈部固定带和角固定带上均设有魔术贴；
所述脑电采集模块与电极连接，用于对脑电信号进行采集、存储和读取；
所述主机固定带用于将脑电采集模块固定在动物身上；
所述脑电分析模块对所采集脑电数据进行脑电频率筛选、功率谱等计算以及转化为文本数据。
进一步，所述电极放置带为方形，所述电极包括设置在电极放置带四个角上的采集电极，及设置在电极放置带中心的两个参考电极。
进一步，所述主机固定带为一端设有卡勾的弹力魔术带。
进一步，所述脑电分析模块对脑电信号进行初步筛选，并根据原始数据分辨出脑电信号的种类，包括低γ、中γ、低β、高β、低α、高α、θ和δ；并把数据转化为excel进行可视化存储。
进一步，所述脑电采集模块包括处理单元、存储单元、电池单元、外置存储器接口、充电口、存储开关、电源开关；所述充电口与电池单元、电源开关、处理器依次连接；所述存储开关用于在存储单元与外置存储器间进行存储模式选择，当存储开关开启时，数据写入存储单元中，当存储开关关闭时，数据从存储单元中读出，通过外置存储器接口写入外置存储器中，还包括与充电口连接的电源。
进一步，所述脑电采集模块还包括与所述处理单元连接的状态采集指示灯、故障指示灯、数据采集时间记录模块、存储容量提示模块，分别用于对系统的采集状态进行显示、对故障进行报警，显示采集数据的时间以及显示存储容量大小。
进一步，所述脑电分析模块设置在远端，通过外置存储器读取脑电数据进行分析。
本发明的有益效果在于：本发明实施专门针对不同哺乳动物的头型大小和电极分布设计出相应的电极头戴，可以实现在不同实验场景下的脑电数据稳定、可靠地采集，适应于不同体型的哺乳动物，并且在不同实验场景采集数据，实现了便携、快捷化的脑电采集和监控，有助于更有效地探索神经系统机制和现场实验的伤情评估。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本实施例所述用于记录和分析哺乳动物的穿戴式脑电装置模块图；
图2为头戴式脑电头带结构示意图；
图3为脑电采集模块接口示意图；
图4为本实施例所述脑电采集装置电路示意图；
图5为本实施例所述脑电数据存储装置电路示意图；
图6为本实施例系统采集的羊脑顶叶脑电波图；
图7为本实施例系统脑电行分析筛选示意图；
图8为实验例1所述的采集的伤前羊脑电功率谱图；图8(a)为电极F3采集的伤前羊脑电功率谱图；图8(b)为电极F4伤前羊脑电功率谱图；图8(c)为电极P3采集的伤前羊脑电功率谱图；图8(d)为电极P4采集的伤前羊脑电功率谱图；
图9为实验例1所述致伤前、后功率谱对比图；图9(a)为F3导联致伤前、后功率谱对比图；图9(b)为F4导联致伤前、后功率谱对比图；图9(c)为P3导联致伤前、后功率谱对比图；图9(d)为P4导联致伤前、后功率谱对比图。
附图标记：电极放置带1、电极2、电极压紧带3、颈部固定带4、角固定带5、充电口6、电源开关7、存储开关8、外置存储器接口9。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1-3，在本实施例中，以羊作为哺乳动物的示例对本脑电系统进行说明。
传统的脑电系统与羊脑不匹配，采集羊的脑电信号不方便，且误差较大，精度不高。本实施例提供一种用于记录和分析哺乳动物的穿戴式脑电装置。
如图1所示，本实施例提供的用于记录和分析哺乳动物的穿戴式脑电装置为4通道，采用湿电极，将羊脑电极帽固定在羊脑顶部，将脑电采集装置固定在羊的腹部，两者通过导电线进行连接，采集数据实时存储在数据存储装置内，采集完毕，数据导入脑电分析软件进行过滤分析，分析出每通道相应的脑电数据。
羊脑电极帽是根据羊的头型进行设计，包括电极放置带1、电极2、电极压紧带3、颈部固定带4、角固定带5。电极放置带1用于放置电极2，电极压紧带3一端连接在电极放置带2上，另一端通过魔术贴粘贴电极放置1的背面，从而压紧电极2，颈部固定带4通过魔术贴缠绕羊的颈部，角固定带5通过魔术贴缠绕羊角，从而稳定电极2。
脑电采集装置包括脑电主机，具备数据存储、读出功能、电池控制；脑电采集装置包括处理单元、存储单元、电池单元、外置存储器接口9、充电口6、存储开关8、电源开关7；所述充电口6与电池单元、电源开关7、处理器依次连接；数据存储装置包括内部存储单元和外置存储器，所述存储开关8用于在内部存储单元与外置存储器间进行存储模式选择，当存储开关8开启时，数据写入内部存储单元中，当存储开关8关闭时，数据从内部存储单元中读出，通过外置存储器接口写入外置存储器中，还包括与充电口6连接的电源。
主机固定带，根据动物的身体活动度以及与实验所需的场景可做自由伸缩；
脑电分析模软件，用于对所采集脑电数据进行脑电频率筛选、功率谱计算以及转化为文本数据。
如图2所示，在本实施例中，头戴式脑电头带是一种根据头型设计的前后左右2cm左、右额和顶极，中间是参考电极，包括电极放置带1、采集电极、电极压紧带3、羊颈部固定带、羊角固定带。脑电采集装置内置充电式锂电池，并连接充电电源，具有电源状态指示灯。主机固定带是由宽为5cm的弹力魔术带，有卡勾可以实现长度自由伸缩。所述脑电分析装置可以进行脑电波的初始筛选，并根据原始数据分辨出低γ、中γ、低β、高β、低α、高α、θ和δ，进行功率谱、复杂度、等量脑电指数、左右半球对称指数等计算，并可以把数据转化为excel格式，有利于进一步后期分析。
如图4所示，在本实施例中，脑电采集装置是采集盒，内置存储单元是SD卡，外置存储器是U盘，采集盒用来把实时的EEG数据存储在脑电数据存储装置的SD卡中，内置SD卡最大32GB。采集盒已集成U盘功能，把数据导入到电脑时，使用USB线插入到盒子的micro USB接口，然后电脑上会弹出U盘，此时可以把卡里的data.csv剪切到电脑上，供后面数据回放使用。采集盒内包括脑电采集芯片，分析过滤芯片、状态采集指示灯、故障指示灯等。脑电数据存储装置的电路如图5所示，包括存储指示灯，故障指示灯，数据时间记录，容量提示等。
在使用时，将头戴式脑电头带佩戴在羊头上，打入导电膏，打满即可，不易过多，注意不要外漏，也可以佩戴之前反面注入，然后再佩戴。对称地分别使前后的两个颈部固定带绕过羊的脖颈处，通过魔术贴牢牢粘附，保证电极贴住头皮不要松动。两个羊角固定带分别通过魔术带，缠绕式粘附固定在羊角上。
将设备固定在羊身上，设备和绑带之间为魔术贴固定，然后将电极线按照顺序接入电极上，电极线中间用弹性绑带再固定一下，防止线晃动。
本发明中电极位置的设置是根据既往的现场实验记录羊的脑电经验，发现位于羊颅骨，位于羊角后皮肤薄弱处，此处的脑电信号容易捕捉，稳定，清晰度高，以及干扰排除更容易。以羊角颅骨的薄弱处为中心，前后左右2厘米的正方形处安置四个采集电极，对应羊的颅骨分别是左、右额叶和左右顶叶。中间对称地相距1厘米放置参考电极。
数据采集存储模式：
1.当想要开始采集存储数据时，先把存储开关(开始存储和停止存储选择开关)拨到开启位置，此时为数据存储模式。
然后打开盒子上方的电源开关。此时蓝灯快闪(指示灯处)，当蓝灯常亮时表明已成功开始记录。
2.要停止存储时，先把存储开关拨到关闭位置，再拨电源开关，否则突然断电会丢失数据。存储开关处于下方时为停止存储，同时也是U盘模式。
一个存储周期内不要再拨存储开关，否则数据会被覆盖。(存储开关从上拨到下即为一个存储周期)。
如图6所示为通过本实施例系统检测出的羊脑顶叶脑电波，图7为对本实施例系统对脑电波进行分析筛选的示意图。
实验例一：对25-30kg的黑山羊使用本实施例的四通道穿戴式羊脑电针式记录电极共4个，根据国际标准的10/20系统电极布放方法，将电极F3、F4导联位于双侧额部，羊角前方；将电极P3、P4导联位于双侧顶枕部，羊角后方。分别记录羊伤前、伤后脑电，每次连续记录5分钟。使用本实施例的闹点分析软件处理采集到的脑电，低通滤波0.15Hz，高通滤波50Hz，滤波衰减度24dB；滤除肌电干扰和动物移动造成的基线漂移。滤波后分段平均，每段长度1024ms，最终得到脑电的功率频谱曲线。
初步测量数据：
伤前测量2021M01、2021M02、2021M08作为正常对照。伤后的测量情况见表1：
表1
| 编号 | 致伤时间 | 检测时间 | 伤后时间 |
| 2021M01 | 13：53 | 15：00 | 1h7m |
| 2021M02 | 13：53 | 14：48 | 55m |
| 2021M08 | 14：30 | 15：43 | 1h13m |
| 2021M010 | 14：52 | 16：29 | 1h37m |
| 2021M013 | 12：48 | 13：27 | 39m |
| 2021M014 | 12：48 | 13：40 | 52m |
| 2021M015 | 12：48 | 13：51 | 1h3m |
伤前羊脑电功率谱图如图8所示，图8(a)为电极F3采集的伤前羊脑电功率谱图；图8(b)为电极F4伤前羊脑电功率谱图；图8(c)为电极P3采集的伤前羊脑电功率谱图；图8(d)为电极P4采集的伤前羊脑电功率谱图。致伤组功率谱图如图9所示，图9(a)为F3导联致伤前后功率谱对比图；图9(b)为F4导联致伤前、后功率谱对比图；图9(c)为P3导联致伤前、后功率谱对比图；图9(d)为P4导联致伤前、后功率谱对比图，其中编号2021M01为致伤组。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种用于哺乳动物的穿戴式脑电系统，其特征在于：头戴式脑电头带、脑电采集模块、主机固定带、脑电分析模块；
所述头戴式脑电头带包括电极放置带、电极压紧带、颈部固定带和角固定带；所述电极放置带的一面上分布有多个电极，所述电极压紧带一端与电极放置带连接，所述电极放置带相对的两侧分别连接有两个颈部固定带，在电极放置带上侧连接两个角固定带；所述电极放置带远离电极的一面、电极压紧带、颈部固定带和角固定带上均设有魔术贴；
所述脑电采集模块与电极连接，用于对脑电信号进行采集、存储和读取；
所述主机固定带用于将脑电采集模块固定在动物身上；
所述脑电分析模块用于对所采集脑电数据进行脑电频率筛选、功率谱计算以及转化为文本数据。
2.根据权利要求1所述的用于哺乳动物的穿戴式脑电系统，其特征在于：所述电极放置带为方形，所述电极包括设置在电极放置带四个角上的采集电极，及设置在电极放置带中心的两个参考电极。
3.根据权利要求1所述的用于哺乳动物的穿戴式脑电系统，其特征在于：所述主机固定带为一端设有卡勾的弹力魔术带。
4.根据权利要求1所述的用于哺乳动物的穿戴式脑电系统，其特征在于：所述脑电分析模块对脑电信号进行初步筛选，并根据原始数据分辨出脑电信号的种类，包括低γ、中γ、低β、高β、低α、高α、θ和δ；并把数据转化为excel进行可视化存储。
5.根据权利要求1所述的用于哺乳动物的穿戴式脑电系统，其特征在于：所述脑电采集模块包括处理单元、存储单元、电池单元、外置存储器接口、充电口、存储开关、电源开关；所述充电口与电池单元、电源开关、处理器依次连接；所述存储开关用于在存储单元与外置存储器间进行存储模式选择，当存储开关开启时，数据写入存储单元中，当存储开关关闭时，数据从存储单元中读出，通过外置存储器接口写入外置存储器中，还包括与充电口连接的电源。
6.根据权利要求5所述的用于哺乳动物的穿戴式脑电系统，其特征在于：所述脑电采集模块还包括与所述处理单元连接的状态采集指示灯、故障指示灯、数据采集时间记录模块，存储容量提示模块。
7.根据权利要求1所述的用于哺乳动物的穿戴式脑电系统，其特征在于：所述脑电分析模块设置在远端，通过外置存储器读取脑电数据进行分析。
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