CN114748074A - 一种基于紫外光通信的脑电信号采集系统 - Google Patents

一种基于紫外光通信的脑电信号采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于紫外光通信的脑电信号采集系统，包括：脑电信号采集模块，用于采集原始脑电信号；模拟前端，用于对原始脑电信号进行初步处理；微处理器，用于对模拟前端处理后的脑电信号进行调制；紫外光通信模块，其具有发射单元和接收单元；其中，发射单元连接微处理器，用于将经过微处理器调制的脑电信号转换为紫外光信号并发送出去；接收单元用于接收紫外光信号并将其还原为脑电信号。本发明采用紫外光通信方式进行信号传输，不仅避免了传统有线传输受距离和障碍物约束的问题，扩大了检测范围和距离，且弥补了现有射频通信易被窃听和干扰的缺点，提高了通信的准确性，适应于多种复杂场景。

Description

一种基于紫外光通信的脑电信号采集系统
技术领域
本发明属于脑电信号采集技术领域，具体涉及一种基于紫外光通信的脑电信号采集系统。
背景技术
脑电信号是由一种大脑皮层内大量神经元集体放电产生，是大量神经元活动的综合效应，所以脑电信号可以看作是不同区域，各种类型的脑电波叠加而成，由大量神经细胞群电活动形成的一种复杂综合波。随着生物信号相关技术的发展，基于脑电信号的相关研究成为热门领域，人们通过探究脑电信号与大脑神经之间的关系来发掘大脑的运作机制，以用来表达人的意图和运动等生理信息，因此在识别控制领域中提供一致和准确数据的可靠的脑电采集系统是至关重要的。
传统的脑电信号采集系统大都采用有线的方式来传输数据，虽然其具有稳定性高的特点，但该通信方式受距离和障碍物约束，限制了被试者的活动范围和应用场景，且会出现导线之间相互缠绕等问题，已经不能满足现代脑电采集的使用要求。近年来，随着脑电采集技术的不断进步，脑电信号采集系统的通信方式也逐渐由有线向无线转变。
然而，现有的无线通信大都使用无线电波通信，此类通信方式保密性和抗毁性不足，易被探测从而被实施干扰，从而影响信号采集的准确性。此外，现有的脑电采集系统还存在电路设计复杂，体积大，电路板可变行性、延展性差，多通道电极信号处理速度慢，抗干扰能力差等问题；并且市面上的脑电采集系统设备大多体积庞大，对工作环境的要求较高，价格昂贵，一定程度上成为了脑电研究的障碍。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于紫外光通信的脑电信号采集系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种基于紫外光通信的脑电信号采集系统，包括：
脑电信号采集模块，用于采集原始脑电信号；
模拟前端，连接所述脑电信号采集模块，用于对所述原始脑电信号进行初步处理；
微处理器，连接所述模拟前端，用于对所述模拟前端处理后的脑电信号进行调制；
紫外光通信模块，其具有发射单元和接收单元；其中，所述发射单元连接所述微处理器，用于将经过所述微处理器调制的脑电信号转换为紫外光信号并发送出去；
所述接收单元用于接收所述紫外光信号并将其还原为脑电信号。
在本发明的一个实施例中，所述脑电信号采集模块被配置为一个可穿戴脑电帽，其具有参考电极和采集电极；
当进行脑电信号采集时，参考电极连接至额头处，采集电极连接至其他部位；利用参考电极和采集电极之间的电势差对脑电信号进行修正，以降低共模干扰。
在本发明的一个实施例中，所述模拟前端包括预处理单元和数模转换单元，所述预处理单元包括依次设置的无源带通滤波器、低通滤波器和高通滤波器，其中，
所述无源带通滤波器用于滤除所述原始脑电信号中的高频信号，得到低频信息；
所述低通滤波器和高通滤波器分别用于对得到的低频信息再次进行滤波处理，以去除信号中的噪音和干扰，得到纯净的脑电信号；
所述数模转换单元用于对所述纯净的脑电信号进行放大和模数转换。
在本发明的一个实施例中，所述微处理器采用Spartan 7器件实现，并通过SPI通信方式与所述模拟前端连接。
在本发明的一个实施例中，所述发射单元包括调制子单元、电光转换子单元、编码子单元以及光学天线；其中，
所述调制子单元用于对所述微处理器输出信号进行PPM调制；
所述电光转换子单元用于利用深紫外LED阵列将经过PPM调制的脑电信号转换为紫外光信号；
所述编码子单元用于对所述紫外光信号进行编码；
所述光学天线用于将经过编码的紫外光信号发送出去。
在本发明的一个实施例中，所述编码子单元采用LDPC编码方案对所述紫外光信号进行编码。
在本发明的一个实施例中，所述接收单元设置于上位机上，其包括紫外滤光片、光电转换子单元以及信号处理子单元；其中，
所述紫外滤光片用于对日盲区紫外光信号进行干扰噪声滤除；
所述光电转换子单元用于将接收到的日盲区紫外光信号转换为电信号；
所述信号处理子单元用于对所述电信号进行解调处理，以将其还原为脑电信号。
在本发明的一个实施例中，所述光电转换子单元包括一纳米晶Ga2O3薄膜日盲紫外探测器。
在本发明的一个实施例中，还包括加速度传感器，通过SPI通信方式所述微处理器连接，用于脑电采集过程中监测被试者头部的活动状态。
在本发明的一个实施例中，还包括电源管理模块，其具有电压源和 FPGA控制器，用以保证整个系统的稳定供电。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的脑电信号采集系统采用紫外光通信方式进行信号传输，不仅避免了传统有线传输受距离和障碍物约束的问题，扩大了检测范围和距离，且弥补了现有射频通信易被窃听和干扰的缺点，提高了通信的准确性，适应于多种复杂场景；
2、本发明提供的脑电信号采集系统体积小、重量轻，且易于携带；
3、本发明提供的脑电信号采集系统能够与受试者的脑电数据有更强的交互感，且可以远距离实时查看脑电数据。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于紫外光通信的脑电信号采集系统的结构框图；
图2是本发明实施例提供的模拟前端的结构框图；
图3是本发明实施例提供的无源带通滤波器的电路图；
图4是本发明实施例提供的低通滤波器的电路图；
图5是本发明实施例提供的低通滤波器的电路图；
图6是本发明实施例提供的基于紫外光通信的脑电信号采集系统的工作原理图；
图7是本发明实施例提供的发射单元的结构框图；
图8是本发明实施例提供的接收单元的结构框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于紫外光通信的脑电信号采集系统的结构框图，其包括：
脑电信号采集模块1，用于采集原始脑电信号；
模拟前端2，连接脑电信号采集模块1，用于对原始脑电信号进行初步处理；
微处理器3，连接模拟前端2，用于对模拟前端2处理后的脑电信号进行调制；
紫外光通信模块4，其具有发射单元41和接收单元42；其中，发射单元 41连接微处理器3，用于将经过微处理器3调制的脑电信号转换为紫外光信号并发送出去；
接收单元42用于接收紫外光信号并将其还原为脑电信号。
在本实施例中，脑电信号采集模块1被配置为一个可穿戴脑电帽，其具有参考电极和采集电极；
当进行脑电信号采集时，参考电极连接至额头处，采集电极连接至其他部位；利用参考电极和采集电极之间的电势差对脑电信号进行修正，以降低共模干扰。
具体地，本实施例采用标准的脑电图帽采集32通道的模拟信号，电极放置位置参考国际10-20系统标准，采样频率为1000Hz。
更具体地，为获取高质量的脑电信号，本实施例采用单端输入方式进行脑电信号的采集，头部脑电通道的负输入连接到额头处，作为参考电极。利用采集电极和前额处电极之间形成电势差，一部分脑电信号被采集至模拟前端2进行处理，另一部分在负输入端通过偏置输出到前额处电极，利用偏置放大器的反相输出降低共模干扰，提高脑电信号采集的质量。
进一步地，请参见图2，图2是本发明实施例提供的模拟前端的结构框图，该模拟前端2包括预处理单元21和数模转换单元22，预处理单元21包括依次设置的无源带通滤波器21-1、低通滤波器21-2和高通滤波器21-3，其中，
无源带通滤波器21-1用于滤除原始脑电信号中的高频信号，得到低频信息；
低通滤波器21-2和高通滤波器21-3分别用于对得到的低频信息再次进行滤波处理，以去除信号中的噪音和干扰，得到纯净的脑电信号；
数模转换单元22用于对纯净的脑电信号进行放大和模数转换。
具体而言，首先，为了获取有用的低频信息，滤除无用的高频信号，本实施例利用电阻R1-R6、电容C1-C5和电感L1-L2等常用元器件设计了无源带通滤波器，其通带大小为1.5Hz～1.3KHz，详细电路图如图3所示。
在本实施例中，该无源带通滤波器不仅可以滤除无用的高频信号，还具有抑制电流突变和电压突变的效果，能够起到保护电路的额外作用。
进一步地，由于无源滤波器过滤后的脑电信号仍带有很多噪音和干扰，因而本实施例还采用了一个低通滤波器和一个高通滤波器对无源滤波器过滤后的脑电信号进行进一步处理。其中，低通滤波器采用电阻R7-R9、电容C6-C7、以及运放U1构成，详细电路如图4所示，其截止频率为30HZ。高通滤波器采用电阻R10-R13、电容C8-C9、以及运放U2构成，详细电路如图5所示，其截止频率为1HZ。
本实施例先通过预处理单元21的三个滤波器依次对采集到的脑电信号进行滤波预处理，有助于得到更为精确的数据，方便后续进一步地数据处理和分析。
可选的，作为一种实现方式，数模转换单元22采用AD8232集成芯片实现，其主要用于接收经过多次滤波预处理的脑电信号，并对脑电信号进行滤波、放大和模数转换。
进一步地，本实施例中的微处理器3可采用Spartan 7器件实现，其通过SPI通信方式与模拟前端2连接。
此外，本实施例提供的紫外光通信的脑电信号采集系统还包括加速度传感器5，其通过SPI通信方式微处理器3连接，用于脑电采集过程中监测被试者头部的活动状态。其中，加速度传感器5可以采用超低功耗高性能三轴线性加速度计LIS3DH，
可以理解的是，加速度传感器5可以被配置成方便穿戴的任何形式，并设置在方便测试的任何部位，对此，本实施例不做限定。
请参见图6，图6是本发明实施例提供的基于紫外光通信的脑电信号采集系统的工作原理图。
具体地，当微处理器3检测到脑电电极与人体头部皮肤接触良好并且检测到加速度传感器数据在正常区间的情况下，开始发送脑电采集命令。然后获取模拟前端AD8232处理后的脑电信号，并对读取到的脑电信号进行数据传输。一方面，它通过SPI端口与ADC通信。完成采集前端初始化，包括激活通道、每个通道的增益和偏移设置等。另一方面，FPGA从模数转换器获取数据，并根据USB帧格式打包数据。模数转换器的串行接口模块运行在4MHz时钟上，负责通过串行接口端口与模数转换器通信。
本发实施例中，微处理器Spartan 7通过SPI与AD8232等模块进行通信。该系列FPGA具备很高的逻辑和I/O性能，可以使系统功耗得到严格控制。
微处理器Spartan 7将经过调制的脑电信号传输至紫外光通信模块4中的发射单元41进行调制、电光转化和低功率日盲区紫外光信号发送，最终将携带信号的紫外光发送到大气信道中实现大带宽传输，接收单元42接收紫外光信号，并进行信号实时处理、解调、光电转化和电信号传输。
具体地，请参见图7，图7是本发明实施例提供的发射单元的结构框图，其包括调制子单元41-1、电光转换子单元41-2、编码子单元41-3以及光学天线41-4；其中，
调制子单元41-1用于对微处理器3输出信号进行PPM调制；
电光转换子单元41-2用于利用深紫外LED阵列将经过PPM调制的脑电信号转换为紫外光信号；
编码子单元41-3用于对紫外光信号进行编码；
光学天线41-4用于将经过编码的紫外光信号发送出去。
在本实施例中，调制子单元41-1可采用PPM调制方法的强度调制/直接检测(IM/DD)系统实现，其可以集成到微处理器3中，也可以单独进行设计，对此，本实施例不做限定。
电光转换子单元41-2采用高性能深紫外LED阵列，通过将多台紫外 LED根据信号收发角度进行集成，并选取峰值波长为265nm的深紫外LED 实现。
此外，由于无线紫外光通信存在脉冲展宽问题，同时存在大气吸收、反射、噪声和障碍物的影响，为降低误码率、改善系统性能，编码子单元 41-3采用信道编码低密度校验码(LDPC码)编码方案对紫外光信号进行编码。
进一步地，请参见图8，图8是本发明实施例提供的接收单元的结构框图，其包括紫外滤光片42-1、光电转换子单元42-2以及信号处理子单元42-3；其中，
紫外滤光片42-1用于对日盲区紫外光信号进行干扰噪声滤除；
光电转换子单元42-2用于将接收到的日盲区紫外光信号转换为电信号；
信号处理子单元42-3用于对电信号进行解调处理，以将其还原为脑电信号。
具体地，在信号接收端，先通过一个紫外滤光片滤除干扰噪声，然后运用新型纳米晶Ga2O3薄膜日盲紫外探测器作为接收器接收日盲区紫外光信号，同时作为光电转换子单元实现光电转化。信号处理子单元利用高速信号电平转换电路，将接收信号进行整形和解调等处理得到最终采集的脑电信号，并将其发送上位机的显示模块进行显示。
在本实施例中，在光电转换子单元完成光电信号转换后，对于得到的电信号的点评转换、整形、解调等后续处理，可参考现有相关技术实现，本实施例在此不做详细描述。
可以理解的是，在本实施例中，紫外光通信模块4的发射单元41和接收单元42被配置在系统的不同模块中，例如，发送单元41可与脑电信号采集模块1、模拟前端2和微处理器3以及集成在系统的前端，主要实现脑电信号的采集、电光转换和发送。接收单元42可以集成在上位机中，主要实现紫外光信号的接收、光电转换和其他处理。此外，对于将紫外光信号转换为电信号后的处理还可以在上位机中实现，本实施例对此不做限定。
进一步地，由于在进行脑电采集实验中，电源的安全有效管理是脑电采集系统稳定的前提。因此，本实施例还为系统配置了电源管理模块6，其具有电压源和FPGA控制器，用以保证整个系统的稳定供电。
具体地，本实施例采用了双通道可调节超低压稳压器TPS7A8801稳定输出电压为5.0V。为了对ADS8232的模拟电压供电，利用电源反相器 LMP2664输出反向电压，形成±5V双极电源供电。并通过接头J2与3.7V 锂电池相连，另一端与低功耗FPGA控制器连接，从而实现整体电路各模块的电源供电控制，最后利用接口烧录程序到低功耗FPGA中，提升采集模块的续航能力。
本实施例提供的电源管理模块不仅可以向元件提供所有必要的电压，而且还将设备与外部大功率电源隔离以确保系统安全。
本发明提供的脑电信号采集系统采用紫外光通信方式进行信号传输，不仅避免了传统有线传输受距离和障碍物约束的问题，扩大了检测范围和距离，且弥补了现有射频通信易被窃听和干扰的缺点，提高了通信的准确性，适应于多种复杂场景；且该系统体积小、重量轻，且易于携带。
此外，本发明提供的脑电信号采集系统能够与受试者的脑电数据有更强的交互感，且可以远距离实时查看脑电数据。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本发明中的具体含义。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于紫外光通信的脑电信号采集系统，其特征在于，包括：
脑电信号采集模块(1)，用于采集原始脑电信号；
模拟前端(2)，连接所述脑电信号采集模块(1)，用于对所述原始脑电信号进行初步处理；
微处理器(3)，连接所述模拟前端(2)，用于对所述模拟前端(2)处理后的脑电信号进行调制；
紫外光通信模块(4)，其具有发射单元(41)和接收单元(42)；其中，所述发射单元(41)连接所述微处理器(3)，用于将经过所述微处理器(3)调制的脑电信号转换为紫外光信号并发送出去；
所述接收单元(42)用于接收所述紫外光信号并将其还原为脑电信号。
2.根据权利要求1所述的基于紫外光通信的脑电信号采集系统，其特征在于，所述脑电信号采集模块(1)被配置为一个可穿戴脑电帽，其具有参考电极和采集电极；
当进行脑电信号采集时，参考电极连接至额头处，采集电极连接至其他部位；利用参考电极和采集电极之间的电势差对脑电信号进行修正，以降低共模干扰。
3.根据权利要求1所述的基于紫外光通信的脑电信号采集系统，其特征在于，所述模拟前端(2)包括预处理单元(21)和数模转换单元(22)，所述预处理单元(21)包括依次设置的无源带通滤波器(21-1)、低通滤波器(21-2)和高通滤波器(21-3)，其中，
所述无源带通滤波器(21-1)用于滤除所述原始脑电信号中的高频信号，得到低频信息；
所述低通滤波器(21-2)和高通滤波器(21-3)分别用于对得到的低频信息再次进行滤波处理，以去除信号中的噪音和干扰，得到纯净的脑电信号；
所述数模转换单元(22)用于对所述纯净的脑电信号进行放大和模数转换。
4.根据权利要求1所述的基于紫外光通信的脑电信号采集系统，其特征在于，所述微处理器(3)采用Spartan 7器件实现，并通过SPI通信方式与所述模拟前端(2)连接。
5.根据权利要求1所述的基于紫外光通信的脑电信号采集系统，其特征在于，所述发射单元(41)包括调制子单元(41-1)、电光转换子单元(41-2)、编码子单元(41-3)以及光学天线(41-4)；其中，
所述调制子单元(41-1)用于对所述微处理器(3)的输出信号进行PPM调制；
所述电光转换子单元(41-2)用于利用深紫外LED阵列将经过PPM调制的脑电信号转换为紫外光信号；
所述编码子单元(41-3)用于对所述紫外光信号进行编码；
所述光学天线(41-4)用于将经过编码的紫外光信号发送出去。
6.根据权利要求5所述的基于紫外光通信的脑电信号采集系统，其特征在于，所述编码子单元(41-3)采用LDPC编码方案对所述紫外光信号进行编码。
7.根据权利要求1所述的基于紫外光通信的脑电信号采集系统，其特征在于，所述接收单元(42)设置于上位机上，其包括紫外滤光片(42-1)、光电转换子单元(42-2)以及信号处理子单元(42-3)；其中，
所述紫外滤光片(42-1)用于对日盲区紫外光信号进行干扰噪声滤除；
所述光电转换子单元(42-2)用于将接收到的日盲区紫外光信号转换为电信号；
所述信号处理子单元(42-3)用于对所述电信号进行解调处理，以将其还原为脑电信号。
8.根据权利要求7所述的基于紫外光通信的脑电信号采集系统，其特征在于，所述光电转换子单元(42-2)包括一纳米晶Ga2O3薄膜日盲紫外探测器。
9.根据权利要求1所述的基于紫外光通信的脑电信号采集系统，其特征在于，还包括加速度传感器(5)，通过SPI通信方式所述微处理器(3)连接，用于脑电采集过程中监测被试者头部的活动状态。
10.根据权利要求1所述的基于紫外光通信的脑电信号采集系统，其特征在于，还包括电源管理模块(6)，其具有电压源和FPGA控制器，用以保证整个系统的稳定供电。
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WO2024109038A1 (zh) * 2022-11-23 2024-05-30 深圳市杰纳瑞医疗仪器股份有限公司 一种电势采集脑电信号装置

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WO2024109038A1 (zh) * 2022-11-23 2024-05-30 深圳市杰纳瑞医疗仪器股份有限公司 一种电势采集脑电信号装置

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