CN1199329A - 用于有效听觉反应的无线脑电图系统 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种用于有效听觉反应的无线电脑电图(EEG)系统(10),它包括:与人体连接并感应由其脑电活动所产生的电压的电极阵列(12),用于产生与电极阵列(12)所感应到的电压相对应的射频信号的发射器(18);用于接收射频信号的接收器(20);及与接收器(20)相联用于记录由人给予的言语刺激并显示数据输出的操作接口装置(22)。发射器(18)使用一个载频移动键控电路系统来调制锁相环合成载频并使用基准频率,使其适合于不归零模式,避免对曼彻斯特编码的需求。

Description

用于有效听觉反应的无线脑电图系统
本项发明涉及听觉反应(AER)系统的领域，特别涉及使用无线脑电图(EEG)系统的AER系统。
如果能够早期检测出儿童语言和识别力的失调，那么成功矫正的机会将增大。早期检测将可以用各种手段集中矫正，在他们出生最初几个月或几年，成功的机会是最大的。有效的改进儿童的认知能力将带给他们教育上较大的成功，这将有助于增加多种技能，增强自尊心，进而减少贫困。目前，直到儿童已有证实的失败记录，通常在8～10岁，才对他想到矫正。
AER是早期检测这类失调最精确的技术。当婴儿出生不久采用此技术时，它能够预测婴儿三年之后的语言和识别能力。出生时所获得的AER资料可以解释预测三岁时麦卡锡(McCarthy)分值整个变化的78％。因此，需要一种检测婴儿出生时的语言和认别能力缺陷的简便、易用、低成本的系统。
AER系统利用基础的脑电图技术和装置监控和记录受治疗者，经常是婴儿或稍大的儿童，在规定的时间段内对一定的听觉刺激的反应。此技术的一个缺陷是传统的脑电图系统所具有的电极带有联接监控和记录设备的引线。当进行婴儿的AER测试时，婴儿倾向于注意和拉弄这些引线，从而造成人为偏差使数据不精确，增加测试的费用，或可能最终导致测试结果无效。为了使该系统方便使用，以便使之可以被用于普通医院和学龄前儿童环境，装置上引线需要被取消。无线系统将消除这些人为偏差，易于戴上和脱下，能够让婴儿或儿童在测试期间移动到几种环境，不必戴卸该系统，可以在测试进行期间能够让母亲和婴儿不必“带线”进行喂食，且进行其它人体功能。
该系统已被发展到包括无线脑电图发射。美国专利第No.5,279,305揭示了这样的系统。虽然该专利披露了通过无线电频率测距仪发射且接收脑电图数据的一种仪器，它需要曼彻斯特(Manchester)编码系统，这是一种用于在单个发射的数据流中将数据与其相关的时钟脉冲结合起来的系统。曼彻斯特编码对于消除上述USPNo 5,279,305号专利所说的发射器固有的频率不稳定性是必要的，这种不稳定性可能导致整个系统性能的损害，且违反设备控制台(FCC)规程。然而曼彻斯特编码的局限在于它不能提供所传送信号的错误矫正，且将有效资料传送率减半，由此减少资料发射效率、能力以及发射数据的完整性。
对于AER系统必要的是，产生和比较受测者对一定的听觉刺激的大脑反应的能力。这需要脑波反应对刺激极精确的定时以及由此被发射数据的高度完整性。虽然USPNo 5,279,305号专利揭示了有效的EEG系统，但它并未解决对一个有效的AER系统十分必要的精确定时和被发射数据完整性问题。
因此，需要一种克服了这些不足的有效的AER系统。
本项发明提供一种满足前面提及的需要的系统。
因此，本发明的目的是提供一种无线脑电图系统，在该系统中人脑电波活动的电压被附着于人体上的电极阵列所感应，由发射装置产生对应于所感应电压的无线电频率信号并由发射装置将其发送至接收装置。发射装置用错误检测和矫正编码对无线电频率信号进行编码，且利用载频移动键控电路系统来调制锁相环合成载频，利用基准频率移动键控电路系统来调制基准频率，使其适用于无线电频率信号的不归零模式，避免使用曼彻斯特(Manchester)编码。接收装置接收无线电频率信号，对此信号解码且产生与之相对应的数据输出。它向操作接口输出数据输出，该接口是以图形方式显示数据输出。
本项发明的另一个目的是提供一种用于有效听觉刺激反应的无线脑电图系统，其中人脑电流活动所产生的电压被附着于人体的电极阵列所感应，由发射装置产生与所感应到电压对应的无线电频率信号，而且由发射装置将其发送给接收装置。发射装置用错误验测和矫正编码对无线电频率信号进行编码且利用载频移动键控电路系统来调制锁相环合成的载频及用基准频率移动键控电路系统来调制基准频率，使其适用于无线电频率信号的不归零模式，避免使用曼彻斯特编码。接收装置接收无线电频率信号，并对此信号译码且产生于之相对应的数据输出。它将数据输出到操作接口。操作接口记录由人给出的言语声音且提供听觉刺激。操作接口显示数据输出，这种显示提供了与所提供的刺激相对应的脑电活动的对比。
通过阅读下列说明书并参照附图本项发明的进一步特征对于本发明领域的一般技术人员将变得很明显。
图1显示本项发明中附着于婴儿头部的电极阵列和发射装置，接收装置以及操作接口。
图2是电极阵列和发射装置详细图。
图3是电极阵列和发射装置的方框图。
图4是发射器和系统控制器的方框图。
图5是接收装置方框图。
现在参考附图，特别是图1示出了本发明(10)。电极阵列(12)至少由二个电极组成；其中至少一个是基准电极(14)和至少一个是正电极(16)。在最佳实施例中，电极阵列(12)被示出为由三个正电极(16)带有一个基准电极(14)。图中电极阵列(12)和发射装置(18)被附着于人的头部。该图中显示的是婴儿但应知本发明并非仅限于婴儿。在本发明的最佳实施例中，正电极(16)和基准电极(14)是金，但它们不必一定由金所制成。电极阵列(12)由引线(32)电连接到发射装置(18)。图中接收装置(20)和操作接口(22)与受测者分离。接收装置(20)和操作接口(22)由接口电缆(60)相联。操作接口(22)最好是一台PC电脑。电极阵列(12)感应由人脑电活动所产生的电压。发射装置(18)产生与电极阵列所感应的电压相对应时无线电频率信息(24)，且通过发射天线(26)(图1中未示出)用无线电频率遥测(telemetry)技术发射无线电频率信号(24)。接收装置(20)通过接收天线(64)接收由发射装置(18)产生和发射的无线电频率信号(24)。接收装置(20)产生与它接收到的无线电频率信号24相对应的数据输出(58)(未显示于图1中)。操作接口(22)通过接口电缆(60)的方式作为输入接收由接收装置(20)产生的数据输出(58)且以图形方式显示。
现在参阅图2，该图显示出电极阵列(12)和发射装置(18)的详细图，发射装置剖面图示出了其内部元件。发射装置(18)具有一个发射天线(26)，发射器(28)，放大装置(30)，系统控制器(44)和一个电池设备(31)。在最佳实施例中，发射天线(26)是一个印制丝网(Screen printed)在电路板上螺旋形天线。而且，在最佳实施例中，发射装置(18)是采用电池装置(31)提供电能的。虽然在最佳实施例中，电池装置(31)是由三个装上电线串连起来的1.2伏氢化镍电池，可提供3.6伏电压和65mAhr电容量，但应当明白只要能够提供足够的电压和电容量的电池均可使用。电极阵列(12)用引线(32)在发射装置(18)内与放大装置(30)电相接。具有优势的是，引线(32)的长度约1至6英寸，足够的小以牢固地装配在绷带或帽子之下。正电极(16)和基准电极(14)将被放置在人头部研究者和(或)临床医师认为合适的不同的位置。尽管正电极(16)被放置在试验者头的C2，C3和/或C4的位置，但通常基准电极(14)被放置于恰在耳朵的后面。虽然电极胶或浆糊被用于支撑电极阵列(12)定位和提供与皮肤的电接触，发射装置(18)能够用胶带或吸力直接粘接在人的头部。绷带，或帽子(未被表示在图2)可以被用来覆盖整个区域以避免受测试者干扰电极阵列(12)和发射装置(18)。
现在参阅图3，该图是电极阵列和发射装置方框图。在最佳实施例中，电极阵列能够提供给放大装置(30)或是差动输入，与基准电极(14)相关的两个正电极(16)电势(Status)之差，或是一个单边输入，与基准电极(14)相关的一个正电极的电势。放大装置(30)是由至少一个输入放大器(34)和至少一个带通滤波器(36)组成。放大装置(30)从电极阵列(12)接收电极信号(40)。电极信号(40)是受测者的脑电活动变化的响应。在最佳实施例中，尽管带通滤波器(36)有约0.1至36赫兹的带通，输入放大器(34)提供给电极信号(40)最初增益值为100，且提供约50额外增益给电极信号(40)，从而产生来自电极信号(40)的总增益约5000的输出信号(42)。系统控制器(44)与每个带通滤波器(36)电相连。从每个带通滤波器(36)的输出信号(42)被输入到系统控制器(44)中。系统控制器(44)对输出信号(42)提供信号调节，使其被遥测传送。这样的信号调节包括对模拟对数字转化和其数据编码。尽管应知其他错码矫正编码类型也可以使用，但在最佳实施例中，系统控制器(44)采用汉明(Hamming)编码。
现在参阅图4，该方框图显示发射器(28)和系统控制器(44)。系统控制器除了提供信号调节之外，还控制发射器(28)的信道频率，由此控制要发射的无线电频率信号(24)的频率。系统控制器(44)输出一个控制信号(48)，即所谓的诺莫迪(NowMod)，并向发射器(28)输出一个数据信号(50)。在最佳实施例中，发射器(28)有一个缓冲放大器(70)和带有电压控制震荡器(68)(VCO)的频率合成装置(52)，该合成装置(52)采用带有合成器38的锁相环(PLL)电路产生载频。载频移动键控电路系统62根据从系统控制器(44)输出的数据信号(50)及控制信号NowMod(48)来调制无线电频率信号24的PLL合成载频。控制信号48开始高在瞬时调制起始时变低。在调制开始将载频移到标定值之下的瞬间，这将导致从正值向零移动，以致于数据能够将它从那点移到标定值另一侧等间隔的一个频率。所导致的总频率移动模拟通过使用由负变正的数据信号所获得的频率移动。因此，仅仅需要零和正逻辑值来调制在标定的非调制载频之上和之下的载频，但不用负馈送。
在最佳实施例中，基准震荡器(66)是一个电压控制的晶体震荡器(VCXO)。数据信号(50)和控制信号(48)以与载频移动键控电路系统(62)调制无线电频率信号(24)的载频一样的方式及一样的百分比利用基准频率移动键控电路系统(46)来调制此基准震荡器(66)。由于基准震荡器的调制因此数据不必是50％的负载周期就可使任何负载周期的基准不归零(NRZ)模式数据被正确地发射。通过调制基准频率，数据在理想情形下不会打乱PLL的控制系统行为，以致PLL不会作为要矫正的频率错误来检测该调制。为了使此方法有效，基准震荡器(66)的调制带宽必须超过PLL合成器的由回路滤波器(76)建立起的回路带宽。PLL未经基准频率调制将会有响应且使所期望的调制变形，因此减少或甚至于破坏发射器(28)的有效性。
不经调制基准频率而防止此类变形的普遍皆知的方法是数据的曼彻斯特编码。曼彻斯特编码给出一个零平均频率移动，因此使PLL避免不适当地响应于数据，但减少数据率花费的50％。因此，本发明的一个目的是通过消除对曼彻斯特编码需求，在一个给定的信道带宽的内尽可能保持最高的数据率。
发射器(28)是受软件控制的并在最佳实施例中虽然应知其它的频率范围也可以使用，但频率在902至928百万赫兹频率范围是灵活的。正是发射装置(18)的发射器(28)部分通过发射天线(26)发射无线电频率信号(24)。
现在参见图5，示出了一个接收装置(20)和操作接口(22)的方框图。虽然任何适合无线电频率接收装置均可使用，但在最佳实施例中，接收装置(20)具有一种带有多个信道的超外差型接收器(54)。通过作为第一个本机震荡器的PLL合成器的频率处理控制选择理想信道。在最佳实施例中，接收器(54)采用一个频率移动控键控解调模式。接收装置(20)通过接收天线(64)接收无线电频率信号(24)。接收装置(20)还有一个安装于其内的微控器50，它通过程序控制PLL合成器。接收器(54)将数据和错误矫正位(bits)输出到微控器(56)中，微控器56删除错误矫正位并且将矫正后的数据作为数据输出58输出给操作接口(22)。数据输出(58)结果与被所说接收器(54)接收到的无线电频率信号(24)相对应。接收装置(20)将数据输出(58)输出给操作接口(22×在最佳实施例中，操作接口(22)有程序控制软件在其内来记录由对话者给出的言语声音，最好是以音素(Phoneme)的形式，并且提供听觉刺激。操作接口捕获数据输出(58)并将他或她对刺激有所反应时，这个受测者的波形记录下来且对比刺激的起始波形定时以图形显示该波形，且自刺激开始对比波形的定时。操作接口(20)具有在数据收集期间能够完全控制刺激音素产生的软件，便于使刺激与数据输出(58)自动同步。最好是该软件将按适当间隔为AER测试产生音素的预程序控制定序。
由于本发明已经被描述，对于本领域的技术人员变化与修改将变得明显。本发明试图将这样的变化与修改包含在所附的权利要求范围之内。

Claims (22)

1.一种无线电脑电图(EEG)系统，包括：
a)电极列阵，具有至少两个电极，所说电极中至少一个是基准电极，所说电极中至少一个是正电极，并且所说电极阵列与人体相连并检测该受测试者的脑电活动所产生的电压。
b)发射装置，它与所说电极阵列电联接，所说发射装置产生与所说电极阵列所测电压相对应的射频信号，用检错纠错编码对所说射频信号编码，并通过发射天线用无线电频率遥测技术发射所说射频信号，所说发射装置利用载波频移键控电路系统来调制锁相环合成的载频以及基准频移键控电路系统来调制基准频率，使所说射频信号的不归零模式。
c)接收装置，它通过接收天线接收由所说发射装置所产生和传送的所说射频信号，并且由此，所说接收装置对所说射频信号译码，且产生对应于所说接收装置所接收的所说射频信号的数据输出；以及
d)操作接口，它与所说接收装置相联接，所说操作接口作为输入接收由所说接收装置所产生的数据输出，并且由此所说操作接口显示所说数据输出。
2.如权利要求1的无线脑电图系统，进一步包括：，在所说发射装置内的系统控制器，所说系统控制器在所说发射装置传送所说射频信号之前调节所说射频信号。
3.如权利要求2的无线脑电图系统，其中所说的系统控制器输出一控制信号，所说控制信号按所说频移键控调制量的一半移动所说载频和所说基准频率，这样仅需要零和正逻辑电平来调制在标称非调制载频之上和之下的所说载频。
4.如权利要求1的无线脑电图系统，其进一步包括：在所说的接收装置中的微控制器，由此来控制所说接收装置。
5.如权利要求1的无线脑电图系统，其中所说纠错编码是汉明(Hamming)编码。
6.如权利要求1的无线脑电图系统，其中所说电极阵列提供给所说发射装置一差分输入。
7.如权利要求1的无线脑电图系统，其中所说电极阵列提供给所说发射装置一单边输入。
8.一种用于有效听觉唤起反应的无线脑电图系统，包括：
a)电极阵列，至少有两个电极，所说电极之一是基准电极并且所说电极至少一个是正电极，所说电极阵列连于人体且检测由受测试者脑电活动所产生的电压。
b)发射装置，它与所说电极阵列电联接，所说发射装置产生与被所说电极阵列检测到的电压相对应的射频信号，用错误检测和矫正编码对所说射频信号编码，并通过发射天线用无线电频率遥测技术发送所说射频信号，所说发射装置利用载频移动键控电路系统来调制锁相环合成的载频及基准频移键控电路系统来调制基准频率，使得所说射频信号的不归零模式；
c)接收装置，它通过接收天线接收由所说发射装置所产生和传送的所说射频信号，并由此所说接收装置对所说射频信号译码，且产生与所说接收装置接收到的所说射频信号相对应的数据输出；以及
d)操作接口，它与所说的接收装置相联接，使得所说操作接口作为输入接收由所说接收装置产生的数据输出，并使得所说操作接口提供一听觉刺激，由此所说操作接口显示所说数据输出，所说显示提供响应所说刺激的所说脑电活动的一个比较，且所说操作接口是可编程的。
9.如权利要求8的用于有效听觉唤起反应的无线脑电图系统，进一步包括：在所说发射装置中的系统控制器，所说系统控制器在所说发射装置发送所说射频信号之前调节所说射频信号，其中所说系统控制器输出控制信号，所说控制信号以所说频移键控调制量的二分之一移动所说载频和所说基准频率，这样仅需要零和正逻辑值来调制在标定非调节载频之上和之下的所说载频。
10.如权利要求8的用于有效听觉唤起反应的无线脑电图系统，进一步包括：所说接收装置内的微控制器，使得所说接收装置因此被控制。
11.如权利要求8的用于有效听觉唤起反应的无线脑电图系统，其中所说错误矫正编码是汉明编码。
12.如权利要求8的用于有效听觉唤起反应的无线脑电图系统，其中所说电极阵列提供给所说发射装置一个差动的输入。
13.如权利要求8的用于有效听觉唤起反应系统的无线脑电图系统，其中所说电极阵列提供给发射装置一单边输入。
14.一种用于有效听觉唤起反应的无线脑电图系统，包括：
a)电极阵列，它至少具有两个电极，其中至少一个所说电极是基准电极，并且至少一个所说电极是正电极，其中所说电极阵列连于人体并检测由受测试者的脑电活动所产生的电压，这样与之相对应产生一电极信号；
b)发射装置，由引线与所说电极阵列电联接，所说发射装置由在其中的电池装置提供电能并具有也置于其中发射天线、发射器、系统控制器和放大装置，由此所说放大装置增加所说电极信号的增益，所说发射器产生与由所说电极阵列所检测到的所说电压相对应的射频信号，并且所说系统控制器调节所说射频信号，并对其进行错误检测和矫正编码，所说发射装置利用载频移动键控电路系统来调制锁相环合成载频并用基准频移键控电路系统来调制基准频率，使其适用于所说射频信号的不归零模式。
c)接收装置，它具有接收天线，天线接收所说发射装置产生和发射的所说射频信号，所说接收装置是带有微控制器的超外差型的，由此所说接收装置产生一个与被所说接收装置接收的射频信号相对应的数据输出；以及
d)操作接口，它与所说接收装置相联接，使得所说操作接口作为输入接收由所说接收装置产生的数据输出，使得所说操作接口记录由对话者所给的言语声音，并提供听觉刺激，由此所说操作接口显示所说数据输出，所说显示提供与所说刺激相对应的所说脑电活动的对比，所说操作接口是可编程的。
15.如权利要求14的用于有听觉唤起反应的无线脑电图系统，其中所说系统控制器输出一控制信号，使得所说控制信号以所说频移键控调制量的一半移动所说载频和所说基准频率，这样仅需要零和正逻辑值来调制在标定非调制载频之上和之下的所说载频。
16.如权利要求14的用于有效听觉唤起反应的无线脑电图系统，进一步包括，在所说发射装置中的电路板，在其上所说发射天线是丝网的。
17.如权利要求14的用于有效听觉唤起反应的无线脑电图系统，其中所说放大装置包括至少一个输入放大器。
18.如权利要求14的用于有效听觉唤起反应的无线脑电图系统，其中所说放大装置包括至少一个带通过滤器。
19.如权利要求14的用于有效听觉唤起反应的无线脑电图系统中，进一步包括：一个接口电缆，它将接收装置与操作接口联接起来。
20.如权利要求14的用于有效听觉唤起反应的无线脑电图系统，其中所说操作接口是一台个人计算机。
21.如权利要求14的用于有效听觉反应的无线脑电图系统，其中所说发射器是可由软件控制的，并在各种允许的无线电频率波段上频率是灵活的。
22.如权利要求14的无线脑电图系统，其中所说纠错编码是汉明编码。
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