CN203898306U - 基于无线传输的脑电波采集装置 - Google Patents

Abstract

一种基于无线传输的脑电波采集装置，包括TGAM模块、前额电极、两个耳夹电极、蓝牙发送模块、蓝牙接收模块和上位机。前额电极的输出连接TGAM模块；两个耳夹电极的输出分别连接TGAM模块；蓝牙发送模块的输入连接TGAM模块；蓝牙接收模块与蓝牙发送模块无线通信相连；上位机的输入连接蓝牙接收模块；上位机设有USB接口模块和脑电波的显示分析系统：USB接口模块的输入连接蓝牙接收模块，输出连接脑电波的显示分析系统。本装置实现了脑电波的采集与无线传输，摆脱了传统有线测量的束缚，增加了系统的可移动性，可实时显示脑电波并进行时频分析，结构合理便携，操作方便，适用于医学、教育、科研等领域，可进行医学检测、技术研发等。

Description

基于无线传输的脑电波采集装置

技术领域

本实用新型涉及医疗仪器，特别涉及一种基于无线传输的脑电波采集装置。

背景技术

大脑神经活动时会产生微弱的电场波动，当数以万计的神经同时活动时，电场就会产生有韵律的波动。从头皮上就能测量到这种波动，即脑电波。不同的精神状态会造成不同形式的神经活动，从而发出不同的脑电波。脑电信号的特点：首先，脑电信号非常微弱，一般只有50μV左右，幅值范围为5μV～100μV，所以脑电信号放大增益要比一般的信号高得多，一般要放大20000倍左右。第二，脑电信号头皮与颅骨通常几千Ω的电阻，所以要求前置部分有很高的输入阻抗，以提高脑电信号索取能力，一般输入阻抗要大于10MΩ。第三，脑电信号的频率低，一般在0.1Hz-100Hz，需要滤除脑电信号频率以外的高频干扰。第四，在普通环境下，脑电信号采集受到工频干扰等共模干扰，信噪比通常低于-10dB。工频干扰主要是以共模形式存在，幅值在mV数量级，所以要求放大器具有很高的共模抑制比，一般要大于120dB。第五，在电极与头皮接触的部位会产生电位差，称为极化电压。

脑电图具有简易，无创和高时间分辨率等优点，其信号处理可以获得与疾病相关的信息并用于诊断，例如：检查癫痫，脑肿瘤，颅脑损伤，中枢神经疾病等，也可利用人们不同感觉或运动下的脑电的不同，通过对脑电信号的有效提取和分类达到某种控制目的。人类是在1929年首次从放在头皮的电极测量出脑电的活动，把这种随时间变化的电位记录下来就形成了脑电图，从此开启了一扇研究脑电图的大门。传统的脑电图机虽精确度好但体积大、移动不便、抗干扰性能不佳、安装不便而且价格也比较昂贵，具有很大的局限性。

实用新型内容

本实用新型的目的，就在于提供一种基于无线传输的脑电波采集装置。

本实用新型的目的是这样实现的：一种基于无线传输的脑电波采集装置，其包括：

TGAM模块；该TGAM模块采用NeuroSky神念科技的脑电采集模块TGAM。

用于贴在前额的前额电极，其输出连接TGAM模块；该前额电极是采用NeuroSky神念科技的氯化银干电极。

用于夹在左右耳垂上的两个耳夹电极，其输出分别连接TGAM模块；耳夹电极内装有使人体的电压与耳夹的电压相等的接地电极，以及可通过共模抑制过滤掉周围环境噪音的参考电极。

蓝牙发送模块，其输入连接TGAM模块；

蓝牙接收模块，与蓝牙发送模块无线通信相连；

上位机，其输入连接蓝牙接收模块；

所述上位机设有USB接口模块和脑电波的显示分析系统：USB接口模块的输入连接蓝牙接收模块，输出连接脑电波的显示分析系统。该USB接口模块为FT232USB转串口模块，其接收3.3V-5V外部供电，支持5V对外供电和3.3V对外供电；自带3个LED：TXD LED、RXD LED和POWERLED。该脑电波的显示分析系统是基于图形化编程语言LabVIEW编写的脑电波的显示分析系统。USB接口模块将脑电数据转换成串口数据，输入基于图形化编程语言LabVIEW的脑电波的显示分析系统；基于图形化编程语言LabVIEW的脑电波的显示分析系统则显示脑电波图、脑电功率图并进行时频分析。

本实用新型的有益效果是，突破了医用常规的湿传感器使用上的不便，TGAM和人体的接触只需要一个简单的干接触点，其先进的过滤技术可以排除日常生活中环境的噪音，让芯片能应用在医院以外一般用户的消费设备里。脑电信号采集系统就要求具有较好的可靠性、实时性以及可移动性等特点，并在此基础上能方便而准确地采集到脑电数据并进行分析，摆脱了传统脑电图机有线测量、虽精确度好但体积大、移动不便、抗干扰性能不佳、安装不便而且价格也比较昂贵的局限性，增加了系统的可移动性，可实时显示脑电波并进行时频分析，该脑电波采集和无线传输系统结构合理便携，操作方便，适用于医学、教育、科研等领域，可进行医学检测、技术研发等。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型的基于无线传输的脑电波采集装置，一种基于无线传输的脑电波采集装置，包括TGAM模块1、用于贴在前额的前额电极2、用于夹在左右耳垂上的两个耳夹电极3、蓝牙发送模块4、蓝牙接收模块5和上位机6。

TGAM模块1采用NeuroSky神念科技的脑电采集模块TGAM。

用于贴在前额的前额电极的输出连接TGAM模块；该前额电极是采用NeuroSky神念科技的氯化银干电极。

用于夹在左右耳垂上的两个耳夹电极的输出分别连接TGAM模块；耳夹电极内装有使人体的电压与耳夹的电压相等的接地电极，以及可通过共模抑制过滤掉周围环境噪音的参考电极。

蓝牙发送模块的输入连接TGAM模块；

蓝牙接收模块与蓝牙发送模块无线通信相连；

上位机的输入连接蓝牙接收模块；

上述上位机设有USB接口模块和脑电波的显示分析系统：USB接口模块的输入连接蓝牙接收模块，输出连接脑电波的显示分析系统。该USB接口模块为FT232USB转串口模块，其接收3.3V-5V外部供电，支持5V对外供电和3.3V对外供电；自带3个LED：TXD LED、RXD LED和POWER LED。该脑电波的显示分析系统是基于图形化编程语言LabVIEW编写的脑电波的显示分析系统。USB接口模块将脑电数据转换成串口数据，输入基于图形化编程语言LabVIEW的脑电波的显示分析系统；基于图形化编程语言LabVIEW的脑电波的显示分析系统则显示脑电波图、脑电功率图并进行时频分析。

本实用新型中的TGAM模块采用NeuroSky神念科技的脑电采集模块TGAM，可以处理并输出脑波频率谱、脑电信号质量、原始脑电波和三个NeuroSky的eSense参数：专注度、放松度和眨眼侦测。其特点及优势是：

能直接连接干接触点，不像传统医学用的传感器使用时需要涂抹导电胶；

单EEG脑电通道有3个接触点：EEG(脑电采集点)、REF(参考点)和GND(地线点)；

先进的噪音过滤技术，能抗拒日常环境里的各种干扰；

低能耗，适合便携式消费产品的电池供电的设备，3.3V供电下最大消耗为15mA；

原始脑电数据以512Hz输出；

UART波特率：57600波特；

物理规格：尺寸(最大)2.79cm x1.52cm x0.25cm，重量(最大)130mg；

上电后若接触点连续4s没有采集到脑电或连续7s收到差的脑电信号，该模块会通过“信号质量强度”发出信号差的警告，提醒用户调整传感器；

TGAM定义了传输协议和数据格式。TGAM模块每秒发送512个小包数据和1个大包数据，每个数据包包括三个部分：包头文件，有效负载，校验和。如表1所示。

表1

负载是一系列的字节，小包数据的有效负载包含原始脑电数据，大包数据有效负载依次包含：信号质量，专注度，放松度，脑电功率。

原始脑电数据：有符号的两字节整型数据，采样频率为512Hz，它代表的是脑电位的幅度值。前一个字节代表的是高八位，后一个字节代表的是低八位。程序需要将其合并成为一个十六位的有符号的数据。

前额皮肤实时电压值按照以下公式计算，

信号质量：无符号单字节数据，频率为1Hz，它代表的是信号受干扰和噪声的程度。其范围为0到200，任何非零值都表示着信号存在着某种形式的噪声污染。值越大说明受干扰的程度越高，值200有着特殊的含义，表明电极未接触人体的皮肤。

专注度和放松度：无符号单字节数据，频率为1Hz，它代表测试者注意力集中程度和精神放松度。

脑电功率：八个无符号的三字节整体数据分别代表了八种不同波形的功率，分别为：δ波(0.5Hz到2.75Hz)、θ波(3.5Hz到6.75Hz)、低-α波(7.5Hz-9.25Hz)、高-α(10Hz-11.75Hz)、低-β(13Hz-16.75Hz)、高-β(18Hz-29.75Hz)、低-γ(31Hz-39.75Hz)、中-γ(41Hz-49.75Hz)。

负载中数据编码如表2所示：

表2

单字节编码	编码	数据长度	数据类型
					0x02	--	信号质量
	0x04	--	专注度
					0x05	--	放松度
多字节编码	0x80	02	原始脑电数据
					0x83	24	脑电功率

校验和用来确认数据包的数据负载的完整性。其定义如下：

1.对数据包的数据负载的所有字节进行相加；

2.采取总和的最低的8位；

3.对最低8位执行位相反数；

接收数据包的接收器必须使用上述三个步骤来计算收到的数据负载的校验和，然后与一起接收的【CHKSUM】校验和字节进行比较，如值不匹配，则整个数据包无效，应该舍弃。如果匹配，接收器将解析数据负载。

上述蓝牙模块传输的波特率设置为57600，接收的脑电数据通过USB转串口模块进入到基于图形化编程语言LabVIEW编写的脑电波的显示分析系统，实现脑电波图、脑电功率图的显示以及时频分析。

上述LabVIEW由美国国家仪器(NI)公司研制开发，是目前应用最广泛，发展最快，功能最强的图形化软件开发集成环境，它使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。其主要特点为：图形化的仪器编程环境，内置的程序编译器，灵活的程序调试手段等。

本实用新型的具体使用方法如下：

1.被测者佩戴好前额电极和耳夹电极，前额电极贴在脑前额，位置在眉骨上方一指处，并给与适当压力；耳夹电极夹在左右两耳耳垂上，适当夹紧；佩戴过程要注意保持电极和皮肤的清洁，可利用含酒精成分的清洁剂及软布清洁电极和皮肤，确保电极和前额皮肤及耳垂皮肤间没有夹杂头发或其他任何杂质，佩戴好电极后不能摇动头部，否则会影响脑电信号采集的准确性。

2.微弱的脑电信号通过固定带上的前额电极及耳夹电极送入TGAM模块，模块采集这两点的电压差送入运放进行放大，再把0-100Hz以外的信号过滤后送入ADC转为数字信号，之后交由TGAM模块内包含的TGAT内部的MCU进行分析处理，最后由模块上的UART接口输出。采集、放大、滤波、ADC处理为数字信号、MCU内部分析及UART输出全都集中在一块小小TGAM模块上，精准而且节省空间，实施方便。

3.蓝牙模块传输的波特率设置为57600，接收的脑电数据通过FT232USB转串口模块进入到基于图形化编程语言LabVIEW编写的脑电波的显示分析系统。蓝牙这种开放的低成本、短距离无线连接技术，发挥很大作用，由于无线传输的是数字量，因此在通常情况下没有传输误差，不会影响到系统的准确度，并且可以单芯片实现，体积功耗都能达到很小的水平。

4.脑电数据经过USB转换为串口数据，基于图形化编程语言LabVIEW编写的脑电显示分析系统计算调整接收到的脑电数据并使其图形化显示进而进行时频分析。该系统采用一个顺序结构，首先初始化全局变量，然后进入工作部分；并采用多线程并发运行，工作部分为两个While循环结构并发运行，后者在循环体中加入了状态机的编程方式，添加所需的状态，程序根据预先设定好的状态有空闲状态、解析数据包、校验和、解析数据行、数据调整。

解析数据包：将有效负载和校验和分离出来并存入相应的文件，剩余的数组元素存回到原文件并覆盖掉原数据；校验和：打开文件读取数据并获得数据组，然后根据定义计算校验和并判定，若正确则将负载存入文件，若不正确则删除数据；解析数据行：根据数据编码将脑电数据加以分类；数据的调整：根据脑电数据传输格式对原始脑电数据和脑电功率做出计算调整。

程序先进入空闲状态等待菜单选项事件的发生，若用户单击菜单选项就会触发事件结构并执行相应分支的程序，运行以后再回到空闲状态；若等待超时则跳转到解析数据包或校验和、解析数据行、数据调整分支最后转回到空闲状态继续等待。从模块化角度软件系统主要分为以下几个部分：登陆界面、仿真主界面、脑电数据的读取、脑电数据的解析、脑电波形的显示、脑电功率的显示和脑电信号的时域与频域的分析。

Claims (6)

1.一种基于无线传输的脑电波采集装置，其特征在于，包括：

TGAM模块；

用于贴在前额的前额电极，其输出连接TGAM模块；

用于夹在左右耳垂上的两个耳夹电极，其输出分别连接TGAM模块；

蓝牙发送模块，其输入连接TGAM模块；

蓝牙接收模块，与蓝牙发送模块无线通信相连；

上位机，其输入连接蓝牙接收模块；

所述上位机设有USB接口模块和脑电波的显示分析系统：USB接口模块的输入连接蓝牙接收模块，输出连接脑电波的显示分析系统。

2.根据权利要求1所述的基于无线传输的脑电波采集装置，其特征在于：所述TGAM模块采用NeuroSky神念科技的脑电采集模块TGAM。

3.根据权利要求1所述的基于无线传输的脑电波采集装置，其特征在于：所述前额电极是采用NeuroSky神念科技的氯化银干电极。

4.根据权利要求1所述的基于无线传输的脑电波采集装置，其特征在于：所述耳夹电极内装有使人体的电压与耳夹的电压相等的接地电极，以及可通过共模抑制过滤掉周围环境噪音的参考电极。

5.根据权利要求1所述的基于无线传输的脑电波采集装置，其特征在于：所述脑电波的显示分析系统是基于图形化编程语言LabVIEW编写的脑电波的显示分析系统。

6.根据权利要求1所述的基于无线传输的脑电波采集装置，其特征在于：所述USB接口模块为FT232USB转串口模块，其接收3.3V-5V外部供电，支持5V对外供电和3.3V对外供电；自带3个LED：TXD LED、RXD LED和POWER LED。