CN206473320U - 脑电监测装置和系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种脑电监测装置及系统，包括信号采集设备，放大设备、滤波设备、AD转换设备以及主控设备；所述信号采集设备、放大设备、滤波设备、AD转换设备以及主控设备依次电连接。所述放大设备、滤波设备、AD转换设备通过AD8232芯片集成电路集成；通过所述AD8232芯片进行脑电信号预处理后发送给所述主控设备，所述主控设备通过其自身集成的片上系统将所接收的脑电信号发送出去；较好地对脑电波进行监测采集，并通过无线或者有线通信网络发送出去，监测采集合理，使用方便，可实现方便穿戴或佩戴。

Description

脑电监测装置和系统

技术领域

本发明涉及人工智能领域，具体涉及人体移动健康可穿戴设备领域，尤其是涉及基于脑电的脑电监测装置和系统。

背景技术

社会的发展和自然环境的破坏导致亚健康人群以及慢性器质性疾病人群快速增加，而大多数器质性疾病如原发性高血压、胃溃疡，心脑血管疾病、癌症等都与个人情绪有很大的关联性；此外，随着我国人口老龄化的进一步加深，空巢老人和独居老人人口也呈上升趋势。针对我国以上社会形势，迫切需要一种针对压力下的亚健康，器质性病和中老年人群的心理慰藉和情绪管理的解决方案，目前，非专业医用的小型脑电监护设备层出不穷，其主要目标是帮助家庭健康进行自我监护和管理，采用的技术手段主要是用或者制作单独的设备，或者集成功能到手机，进行脑电采集和显示，并在必要的情况下通过对如脑电信号进行简单处理，并根据脑电信号进行适当的大脑健康预警，这类设备一定程度上对于个人健康管理以及医生的预诊断提供了方便，但其仅仅是对脑电信号进行显示。

对于情绪的研究由来已久，使用的方法也各不相同。近年来，随着脑电信号采集设备的应用和推广，信号处理和机器学习技术的快速发展，以及计算机数据处理能力的大幅提高，基于脑电的情绪识别研究已经成为神经工程和生物医学工程领域的热门课题。

此外，目前非专业医用的可穿戴情绪监护及管理设备层出不穷，它们主要目标是帮助家庭对心理健康进行自我监护和管理。但是它们都不同程度存在各类缺点。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提出一种脑电监测装置及系统，较好地对脑电波进行监测采集，并通过无线或者有线通信网络发送出去，监测采集合理，使用方便，可实现方便穿戴或佩戴。

本发明的技术方案为：

提供一种脑电监测装置，包括信号采集设备，放大设备、滤波设备、AD转换设备以及主控设备；

所述信号采集设备、放大设备、滤波设备、AD转换设备以及主控设备依次电连接。

所述放大设备、滤波设备、AD转换设备通过AD8232芯片集成电路集成；

通过所述AD8232芯片进行脑电信号预处理后发送给所述主控设备，所述主控设备通过其自身集成的片上系统将所接收的脑电信号发送出去；

所述AD8232芯片集成电路、主控设备封装成封装体；所述信号采集设备的感应电极E1、E2和E3可伸缩地电连接于AD8232芯片集成电路；

所述脑电监测装置还包括连接在所述封装体上的穿戴设备。

较优地，所述AD8232芯片集成电路、主控设备封装成心形、方形或花形的封装体；

所述穿戴设备嵌入、扣入或镶入连接在所述封装体上，是一种头套或者帽子状的软体绳或者金属圈。

较优地，所述片上系统为蓝牙4.0技术的片上系统。

较优地，所述AD8232芯片还内置导联脱落检测电路和自动快速恢复电路。

较优地，所述滤波设备，用于滤除噪声，包括一个两极点高通滤波器以及一个二极点低通滤波器。

所述低通滤波器为Sallen-Key滤波器。

较优地，所述高通滤波器是二极点高通滤波器：

R10＝160KΩ，R11＝330KΩ，C8＝C9＝4.7uF；

品质因数：Q＝0.72，截止频率：f＝0.15Hz，增益100。

所述低通滤波器采用低通滤波电路，分为两级：

·其中第一级低通滤波电路：

R1＝6KΩ，R2＝18KΩ，C1＝200nF，C2＝100nF；

品质因数：Q1＝0.61，截止频率：f1＝92Hz；

·第二级低通滤波电路：

R1＝27KΩ，R2＝243KΩ，C1＝100nF，C2＝3.3nF；

品质因数：Q2＝1.6524，截止频率：157Hz；

·整个低通滤波电路：截止频率：127Hz。

较优地，所述的脑电监测装置还包括与所述主控设备电连接的电源管理设备，用于对整个所述脑电监测装置进行电源功耗管理；

所述电源管理设备包括一TPS78225稳压芯片，输入来自锂电池，输入电压2.5-5V，输出电压2.5V，输出电流230mA以上；

所述电源管理设备还包括一BQ24080充电管理芯片，输入通过金属触点接入5V电压，输出4.2V给锂电池充电；

所述电源管理设备还包括一集成在锂电池外部的电池保护板。

所述的脑电监测装置还包括与所述主控设备连接的加速度计，可实时记录佩戴者的三方向加速度，并通过I²C总线发给主控设备。

本实用新型还提供一种脑电监测系统，包括至少一上述的脑电监测装置，以及与所述脑电监测装置电连接的一移动终端设备；

所述移动终端设备为手机、笔记本电脑或Ipad；

所述移动终端设备与脑电监测装置无线或者有线电连接，接收脑电监测装置所监测到的脑电数据。

本发明具有如下有益效果：

1、采用全集成式的脑电检测前端，可以在运动或远程电极放置产生的噪声环境下提取、放大及过滤微弱的生物电信号，滤波器输出信号建立时间短，高共模抑制比，并且功耗极低，体积较小。

2、配合低功耗嵌入式微处理器采集脑电信号，并通过低功耗蓝牙(Bluetooth LowEnergy，BLE)技术发送至手机、电脑等终端，便于采集，信号质量较高。

3、进行电源和功耗管理，使得整个装置可以依靠一颗纽扣电池或小型锂电池供电并工作数周，其相对于传统脑电监护仪成本大大降低，测量简单、便携，适用于家庭医疗应用及可穿戴应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述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他的附图。

图1为本发明的脑电监测系统的结构框图。

图2为本发明中二极点低通滤波器的拓扑结构图。

图3为本发明中二极点高通滤波器的拓扑结构图。

图4为本发明信号采集感应电极及移动终端设备图。

具体实施方式

下面结合说明书附图1-4对本发明实施例的具体实施方式作详细说明。

实施例一：

如图1所示，本实用新型所述的脑电监测装置200包括穿戴设备210，信号采集设备211，放大设备212，滤波设备213，AD转换设备214以及主控设备215；

所述信号采集设备211、放大设备212、滤波设备213、AD转换设备214以及主控设备215依次电连接；

如图1、4所示，所述脑电监测装置200包括依次连接的信号采集设备211、放大设备212、滤波设备213、AD转换设备214以及主控设备215，所述信号采集设备211用于采集脑电信号，所述放大设备212用于放大所述采集的脑电信号，所述滤波设备213用于对放大后的脑电信号进行杂波滤除，所述AD转换设备214用于将滤波后的模拟脑电信号转换为数字信号并发送给所述主控设备215，所述主控设备215接收所述数字信号并将其无线(如蓝牙)或者有线方式发送出去至所述移动终端设备300。

所述信号采集设备211包括感应电极E1、E2和E3，使用电极进行脑电信号采集，对皮肤的伤害小，透气，并且不易掉落等。

作为一种可实施方式，在不同情绪状态(平静、高兴、悲伤、恐惧、愤怒、恶心、惊奇)下采集人体脑电，为便于描述，本实施方式中的脑电信号统一为人体的脑电信号，对脑电信号的采集可通过三个导联的感应电极E1、E2和E3实现，E1、E2和E3为两导联电极输入端，与贴在身体皮肤表面的自粘贴电极片相连接，其中E1对应的电极片粘贴于左前额，E2对应的电极片粘贴于右前额，E3对应的电极片粘贴于耳朵上，如图4所示，采集到的脑电信号通过低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy，BLE)或者其他各种无线通信技术发送至手机、电脑等终端。

作为一种可实施方式，放大设备212、滤波设备213、AD转换设备214可使用AD8232芯片集成电路(包括放大设备和AD转换设备)实现；

所述感应电极E1、E2和E3连接于所述AD8232，所述AD8232是一个全集成式的信号调理芯片，用于在具有运动或远程防止产生的噪声的情况下提取、放大及过滤微弱的生物电信号。

AD8232采用4mm×4mm、无引脚LFCSP-20封装，体积非常小，较佳地，还内置导联脱落检测电路和自动快速恢复电路，可在导联重新连接后迅速恢复信号，减少高通滤波器长尾建立时间。

采集到的脑电信号通常存在不少噪声，在进行进一步的信号处理之前需要对信号进行去噪的预处理，根据本实用新型硬件输出信号的特点，使用AD8232芯片实现预处理。

通常认为脑电信号是由周期性信号组成，而由于运动或者电极不稳通常会引起信号的非周期性，因此，这里采用检验某段信号是否为周期信号来判断脑电信号是否受到了比较大的污染，以决定是否用这段信号进行后续处理。本实施方式中采用AD8232作为脑电检测前端，用于对检测到的脑电信号进行预处理。

脑电信号的有用信息频率通常处在(0.15～100Hz)，其他频率成分很大程度上是噪声引入的，因此需要把这些噪声频率给去除。所述AD8232可通过外围器件的选择配置一个两极点高通滤波器以及一个两极点的低通滤波器，如图2、3所示，来消除运动伪像和额外高频噪声。

所述高通滤波器是二极点高通滤波器：

R10＝160KΩ，R11＝330KΩ，C8＝C9＝4.7uF。

品质因数：Q＝0.72，截止频率：f＝0.15Hz。如图3所示，截止频率0.15Hz，增益100。该电路拓扑可以利用较小的电阻电容值来提供较小的截止频率，并且具有最平坦的带通，低频抑制较好，输出阻抗很低。

作为一种可实施方式，如图2所示，所述低通滤波器采用低通滤波电路，分为两级：

·其中第一级低通滤波电路：

R1＝6KΩ，R2＝18KΩ，C1＝200nF，C2＝100nF。

品质因数：Q1＝0.61，截止频率：f1＝92Hz。

·第二级低通滤波电路：

R1＝27KΩ，R2＝243KΩ，C1＝100nF，C2＝3.3nF。

品质因数：Q2＝1.6524，截止频率：157Hz。

·整个低通滤波电路：截止频率：127Hz。

所述AD8232的高通滤波器和低通滤波器共同将带有噪声和杂波的脑电信号进行过滤，提取出所需的带有人体情绪信息的有效脑电信号，0.5Hz-100Hz满足了方法分析所需的数据。

高通滤波器和低通滤波器共同将带有噪声和杂波的脑电信号进行过滤，提取出所需的带有人体情绪信息的有效脑电信号(0.5Hz-100Hz)，满足了所需的数据。

作为一种可实施方式，所述主控设备215为CC2541F256芯片，其集成了2.4GHz低功耗蓝牙(BLE)或者其他各种无线通信的片上系统(穿戴装置)或者有线通信系统，发射(发送)接收电流分别为18.2mA和17.9mA，拥有三种低功耗待机模式，最低电流只有0.5uA。

所述CC2541F256采用6mm×6mm的无引脚QFN-40封装，内置一个高性能的8051内核，256KB的闪存(Flash)，8KB的随机处理存储器(RAM)，还包括五通道DMA、三个定时器、8通道12位ADC、两个UART、I²C接口等外设，配合32MHz外部晶振工作，完全满足本实用新型的性能和功耗要求。

如图1、4所述，作为一种可实施方式，所述AD8232芯片集成电路、主控设备215封装成各种形状封装体，如心形、方形、花形等；所述信号采集设备211的感应电极E1、E2和E3的可伸缩地电连接于AD8232芯片集成电路，使得该脑电监测装置可根据不同的人体头部尺寸的大小适当地调节电极线。

所述穿戴设备210连接在所述封装体上，包括但不限于嵌入、扣入、镶入等连接方式，作为一种可实施方式，所述穿戴设备210可以是一种圆圈形式的软体绳或者金属圈。

通过所述AD8232芯片进行脑电信号预处理后发送给所述CC2541F256芯片，所述CC2541F256通过其自身集成的低功耗蓝牙或者其他无线通信片上系统或者有线通信系统将所接收的脑电信号发送给手机APP或计算机。

作为一种可实施方式，所述无线电连接为蓝牙(BLE)4.0技术连接。

该装置能保证运动脑电信号监测的稳定性，具有脑电监护、心率识别、脑电波形检测功能。

作为优选的实施方式，所述脑电监测装置200还包括与所述主控设备215连接的电源管理设备216，用于对整个所述脑电监测装置200进行电源功耗管理。

作为一种可实施方式，所述电源管理设备包括一TPS78225稳压芯片，这是一款低压差线性稳压器，输入来自锂电池，输入电压2.5-5V，满足锂电池的电池电压2.7V-4.2V范围，输出电压2.5V，输出电流可达到230mA以上。

CC2541F256芯片通过按键打开P-MOSFET——SI2305，输出高电平到TPS78225的使能端，可为硬件上的CC2541F256以及整个电路供电，关断电流极小，在关机时漏电流只有18nA。当锂电池电压低至2.7V左右时，即TPS78225输入输出压差仅有200mV时仍能输出150mA以上的电流，完全满足应用需要，最大化地利用了锂电池的电量。另外，所述锂电池电压通过电阻分压之后输入到CC2541F256芯片的模数转换器进行电池电量监测。

当需对所述锂电池进行充电时，作为一种可实施方式，所述电源管理设备还包括一BQ24080充电管理芯片，输入通过金属触点接入5V电压，输出4.2V给锂电池充电。通过一颗红色LED等可显示充电状态，快闪表示正在充电，灯灭表示未充电，常亮表示已充满。

同时，作为一种可实施方式，所述电源管理设备还包括一集成在锂电池外部的电池保护板，可防止电池过充或过放，延长了电池寿命。

主控芯片CC2541F256提供三种不同的运行模式：主动模式、空闲模式和低功耗模式PM1、PM2和PM3。超低功耗运行的实现通过关闭电源模块以避免静态泄露功耗，还通过使用门控时钟和关闭振荡器来降低动态功耗。几种供电模式对系统的影响见表1：

表1

主动模式：完全功能模式。稳压器的数字内核开启，16MHz RC振荡器或32MHz晶体振荡器运行，或者两者都运行；32kHz RCOSC振荡器或32kHz XOSC振荡器运行。

空闲模式：除了CC2541F256芯片的内核停止运行(即空闲)，其他和主动模式一样。

PM1：稳压器的数字部分开启，32MHz XOSC和16MHz RCOSC都不运行；32kHz RCOSC或32kHz XOSC运行；复位、外部中断或睡眠定时器过期时系统将转到主动模式。

PM2：稳压器的数字内核关闭，32MHz XOSC和16MHz RCOSC都不运行；32kHz RCOSC或32kHz XOSC运行；复位、外部中断或睡眠定时器过期时系统将转到主动模式。

PM3：稳压器的数字内核关闭，所有的振荡器都不运行，复位或外部中断时系统将转到主动模式。

根据系统各自供电模式的特点以及在本应用下的工作状态进行低功耗运行模式设计。通过加入低功耗睡眠任务，针对不同的运行状态对于系统资源的使用情况进入不同的低功耗运行模式。

作为优选的实施方式，所述脑电监测装置200还包括与所述主控设备215连接的加速度计217，可实时记录佩戴者的三方向加速度，并通过I²C总线发给主控芯片CC2541F256，为防跌倒功能提供原始数据。

作为一种可实施方式，所述加速度计217为MPU6050，MPU6050是一种集成三轴陀螺仪和三轴加速度计的数字运动感测处理器，其免除了组合陀螺仪与加速度计的轴间差问题，减少了安装空间，外围器件很少。

加速度计供电电压为2.5V，工作电流仅为500uA，加速度计省电模式电流40uA@10Hz，陀螺仪工作电流5mA，陀螺仪待机电流5uA，为4mm×4mm的QFN-24封装。加速度测量范围可程序控制，有±2g、±4g、±8g和±16g。通过I²C接口，向主控芯片CC2541F256输出完整的6轴融合演算数据，通过加速度计，可以非常方便地实现姿态解算，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，同时大大降低了开发难度。

使用穿戴设备将脑电采集装置的电极E1、E2和E3，脑电信号采集装置从不同的地方伸出电极线，电极粘贴位置如图4所示。

采用头套形式，首先通过电极E1粘贴于左前额，另一个电极E2粘贴于右前额，电极E3粘贴于耳朵上，如图4所示。本实用新型的脑电信号装置和系统采集合理、使用方便，其摒弃了传统方式中的摄像头等不便穿戴的装置，提高了便携性。

实施例二：

如图1、4所示，本实用新型还提供一种脑电监测装置系统，包括至少一脑电监测装置200，以及与所述脑电监测装置200电连接的一移动终端设备300。

作为一种可实施方式，所述移动终端设备300为手机、笔记本电脑、Ipad等。

本实用新型的系统中的移动终端设备300与脑电监测装置200无线或者有线电连接，接收脑电监测装置200所监测到的脑电数据。

作为一种可实施方式，所述无线电连接为蓝牙(BLE)4.0技术连接。

所述脑电监测装置200包括依次连接的信号采集设备、放大设备、滤波设备、AD转换设备以及主控设备，所述信号采集设备用于采集脑电信号，所述放大设备用于放大所述采集的脑电信号，所述滤波设备用于对放大后的脑电信号进行杂波滤除，所述AD转换设备用于将滤波后的模拟脑电信号转换为数字信号并发送给所述主控设备，所述主控设备接收所述数字信号并将其无线或者有线发送至所述移动终端设备300。

所述脑电监测装置200在具体生产时可将其外观制成帽子、头套等可穿戴样式，以便于携带和防止丢失，所述移动终端设备300为手机或笔记本电脑等。在本实施方式中，采用低功耗蓝牙模块进行无线通信，传统蓝牙(蓝牙2.0、蓝牙2.1、蓝牙3.0)技术功耗较大，不利于可穿戴设备的长时间数据传输。并且配对时间较长，难以提升用户体验度。表2从传输距离、速度、响应时间、能耗等参数上对传统蓝牙和低功耗蓝牙(蓝牙4.0)进行对比：

表2

从表2的对比中可以看出，低功耗蓝牙具有很大的优势，本发明采用低功耗蓝牙将采集到的脑电数据发送至述移动终端设备300，比如手机APP或计算机中，以便于述移动终端设备300进行根据所接收的脑电数据进行生理异常检测和情感识别。

所述脑电监测装置工作过程如实施例一，在实施例二中不再一一重复描述。

本实用新型采用全集成式的脑电检测前端，使用微小的脑电感测片代替传统的摄像头，可以在运动或远程电极放置产生的噪声环境下提取、放大及过滤微弱的生物电信号，滤波器输出信号建立时间短，高共模抑制比，并且功耗极低，体积较小。

通过合理的电源和功耗管理，使得整个装置和系统可以依靠一颗纽扣电池或小型锂电池供电并工作数周，相对于传统脑电监护仪成本大大降低，测量简单、便携，适用于家庭医疗应用及可穿戴应用。

配合低功耗嵌入式微处理器采集脑电信号，并通过低功耗蓝牙技术发送至手机、电脑等各种终端，便于采集，信号质量较高，系统功耗低。

系统通过手机等移动终端为用户提供健康咨询服务，无需额外增加其他设备，满足了现代电子产品用户对精简性和便捷性的需求。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种脑电监测装置，其特征在于，包括信号采集设备，放大设备、滤波设备、AD转换设备以及主控设备；

所述信号采集设备、放大设备、滤波设备、AD转换设备以及主控设备依次电连接；

所述放大设备、滤波设备、AD转换设备通过AD8232芯片集成电路集成；

通过所述AD8232芯片进行脑电信号预处理后发送给所述主控设备，所述主控设备通过其自身集成的片上系统将所接收的脑电信号发送出去；

所述AD8232芯片集成电路、主控设备封装成封装体；所述信号采集设备的感应电极E1、E2和E3可伸缩地电连接于AD8232芯片集成电路；

所述脑电监测装置还包括连接在所述封装体上的穿戴设备；

所述AD8232芯片集成电路、主控设备封装成心形、方形或花形的封装体；

所述穿戴设备嵌入、扣入或镶入连接在所述封装体上，是一种头套或者帽子状的软体绳或者金属圈。

2.根据权利要求1所述的脑电监测装置，其特征在于，所述片上系统为蓝牙4.0技术的片上系统。

3.根据权利要求2所述的脑电监测装置，其特征在于，所述AD8232芯片还内置导联脱落检测电路和自动快速恢复电路。

4.根据权利要求3所述的脑电监测装置，其特征在于，所述滤波设备，用于滤除噪声，包括一个两极点高通滤波器以及一个二极点低通滤波器。

5.根据权利要求4所述的脑电监测装置，其特征在于，所述低通滤波器为Sallen-Key滤波器。

6.根据权利要求4所述的脑电监测装置，其特征在于，所述高通滤波器是二极点高通滤波电路：

R10＝160KΩ，R11＝330KΩ，C8＝C9＝4.7uF；

品质因数：Q＝0.72，截止频率：f＝0.15Hz，增益100；

所述低通滤波器采用低通滤波电路，分为两级：

·其中第一级低通滤波电路：

R1＝6KΩ，R2＝18KΩ，C1＝200nF，C2＝100nF；

品质因数：Q1＝0.61，截止频率：f1＝92Hz；

·第二级低通滤波电路：

R1＝27KΩ，R2＝243KΩ，C1＝100nF，C2＝3.3nF；

品质因数：Q2＝1.6524，截止频率：157Hz；

·整个低通滤波电路：截止频率：127Hz。

7.根据权利要求3所述的脑电监测装置，其特征在于，还包括与所述主控设备电连接的电源管理设备，用于对整个所述脑电监测装置进行电源功耗管理；

所述电源管理设备包括一TPS78225稳压芯片，输入来自锂电池，输入电压2.5-5V，输出电压2.5V，输出电流230mA以上；

所述电源管理设备还包括一BQ24080充电管理芯片，输入通过金属触点接入5V电压，输出4.2V给锂电池充电；

所述电源管理设备还包括一集成在锂电池外部的电池保护板。

8.根据权利要求3所述的脑电监测装置，其特征在于，还包括与所述主控设备连接的加速度计，可实时记录佩戴者的三方向加速度，并通过I²C总线发给主控设备。

9.一种脑电监测系统，其特征在于，包括至少一如权利要求1至8任一项所述的脑电监测装置，以及与所述脑电监测装置电连接的一移动终端设备；

所述移动终端设备为手机、笔记本电脑或Ipad；

所述移动终端设备与脑电监测装置无线或者有线电连接，接收脑电监测装置所监测到的脑电数据。