CN215739017U - 一种高频脑电高速采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高频脑电高速采集系统，包括脑电装置、信号同步控制装置、采集终端和刺激终端，脑电装置包括若干个并联设置的32导脑电模块，信号同步控制装置通过通信接口与其中一个或多个32导脑电模块通信连接，所有32导脑电模块通过光纤以太网及交换机将数据传输给所述采集终端，采集终端和刺激终端分别与信号同步控制装置连接，用于将外部刺激事件与脑电采集数据进行同步。本实用新型在脑电装置中通过设置同源时钟模块匹配若干个32导脑电模块，结合信号同步控制装置，将信号同步控制装置与其中一个32导脑电模块实现同步数据传输，将外部刺激事件与脑电装置中的各脑电采集数据同步，进而实现了多通道高采样率的脑电高速采集。

Description

一种高频脑电高速采集系统

技术领域

本实用新型涉及医疗器械领域，具体涉及一种高频脑电高速采集系统，可以实现0.1Hz-10kHz脑电信号的采集，满足100kSPS高采样率的要求。

背景技术

脑电信号是神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面上的一种中体反映，脑电信号是人体自发产生的，其能量非常微弱。根据脑电的频率划分为低频脑电信号和高频脑电信号，其中低频脑电信号的频段为0.1Hz-30Hz，幅值范围在5-100uV,高频脑电信号为＞30Hz，脑电信号中的高频成分反映在头皮上的幅值非常小，一般小于2uV，当前临床和实验的头皮脑电采集设备，往往只关注低频段幅值较大的脑电信号成分，对于幅值较小的高频成分并不能完整的记录。目前对脑电信号的高频成分一般基于颅内采集，非侵入式的高频脑电采集存在一定的系统困难。

目前国内进行科学研究时会使用到多导脑电采集，比如128导脑电、256导脑电等。市面上的脑电设备，256导同时采集，每导最高可达38.4kSPS采样率，输入带宽最大为DC～7.5kHz。为了提高脑电的基础研究深度，需要更多导联高采样率高输入带宽的脑电设备。由于现有技术中还没有最多256导脑电能够采集0.1Hz-10kHz脑电信号，高采样率100kSPS，最高可达100MB/s的数据流处理的脑电设备，因此，亟需一种基于固定范式的脑电信号全频段采集与处理系统，也为基于脑电信号的心理测试系统提供可靠依据和技术支撑。

实用新型内容

本实用新型目的是解决现有科学研究中缺乏高采样率、高输入带宽的全脑频段(0.1Hz-10kHz)脑电信号采集设备，限制了科学研究的深度及其具体应用范围，本实用新型提供了一种高频脑电高速采集系统。

本实用新型采用如下技术方案：

一种高频脑电高速采集系统，所述系统包括脑电装置、信号同步控制装置、采集终端和刺激终端，所述脑电装置包括若干个并联设置的32导脑电模块，多个32导脑电模块之间通过同源时钟模块进行数据采集同步，所述信号同步控制装置通过通信接口与其中一个或多个所述32导脑电模块通信连接，所有所述的32导脑电模块通过光纤以太网及交换机将数据传输给所述采集终端，所述采集终端和刺激终端分别与所述信号同步控制装置连接，用于将所述刺激终端所产生的外部刺激事件与所述脑电装置所产生的脑电采集数据进行同步。

所述脑电装置中至多并联设置8个32导脑电模块。

所述32导脑电模块包括模拟信号放大电路、模数转换电路和数据上传电路，所述模拟信号放大电路包括依次连接的脑电信号放大电路、低通滤波电路和单端转差分电路，所述低通滤波电路为有源巴特沃兹低通滤波器。

优选地，所述模数转换电路为最高采样率达100kSPS以上，数据精度24bit多通道模数转换芯片。

进一步优选地，所述数据上传电路包括FPGA芯片相关电路、光纤以太网电路和通信控制电路，所述光纤以太网电路为支持100M及以上的光纤以太网电路。

所述采集终端为PC机。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

A.本实用新型提供了一种高性能的脑电采集系统，应用于科研领域和临床，在脑电装置中通过设置同源时钟模块匹配若干个32导脑电模块，结合信号同步控制装置，将信号同步控制装置与其中一个32导脑电模块实现同步数据传输，将外部刺激事件与脑电采集数据同步，进而实现了多通道高采样率的脑电高速采集。

B.本实用新型中的若干个32导脑电模块采用了模拟信号放大电路、模数转换电路和数据上传电路，其中的模拟信号放大电路中的低通滤波电路采用有源巴特沃兹低通滤波器，实现在0.1Hz-10kHz高带宽进行采集脑电信号并达到1μVpp噪声电平的要求，同时，在模数转换电路中采用采样率达100kSPS以上，数据精度24bit多通道模数转换芯片，采用高性能的FPGA芯片和支持100M以上的光纤以太网电路，满足了普通单片机达不到的数据采集及同步上传要求，使得本实用新型系统最高可达100MB/s数据流处理的256导的高频脑电高速采集。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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是本实用新型所提供的高频脑电高速采集系统；

图2是32导脑电模块模拟采集原理图；

图3是本实用新型所提供的信号同步控制原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1和图2所示，本实用新型提供了一种高频脑电高速采集系统，系统包括脑电装置、信号同步控制装置、采集终端和刺激终端，脑电装置包括若干个并联设置的32导脑电模块，多个32导脑电模块之间通过同源时钟模块进行数据采集同步，信号同步控制装置通过通信接口与其中一个或多个32导脑电模块通信连接，所有32导脑电模块通过光纤以太网及交换机将数据传输给采集终端，采集终端和刺激终端分别与信号同步控制装置连接，用于将刺激终端所产生的外部刺激事件与脑电装置所产生的脑电采集数据进行同步。本实用新型中所采用的脑电装置中最多可以设置8个32导脑电模块，因此最多可以达到256导脑电采集。单个32导脑电模块采用24位高精度ADC，最高采样率为100K时，其数据量达到了9.6MB/s，8个32导脑电模块并联时，可达76.8MB/s，最高可达100MB/s的数据流，通过千兆光纤电路及交换机将多个并联的8个32导脑电模块的数据传输到采集终端，比如PC机，进行数据处理。

本实用新型通过信号同步控制装置实现了脑电装置中所有32导脑电模块数据的同步采集与处理。如图3所示，各个数据采集模块(即32导脑电模块)之间首先通过同源时钟模块为所有的数据采集模块提供统一的时钟源，保证多个数据采集模块之间的数据采集是同步的。刺激终端向信号同步控制装置发送同步事件信号，信号同步控制装置向数据采集模块1获取当前的数据点计数信息，信号同步控制装置获得数据点计数后将该信息发送给采集终端。与此同时，数据采集模块1、数据采集模块2…数据采集模块N同步采集数据，由于采用同源时钟模块，各数据采集模块之间所采集的所有数据点都是同步的。各个数据采集模块采集数据的同步记录了当前的数据点信息，并打包传输给采集终端。通过信号同步控制装置上传的数据点信息和通过各数据采集模块上传的数据点信息在采集终端进行匹配，即可获得每一个同步刺激事件与数据点之间的位置关系。将数据点与同步事件对应，即可实现外部事件同步。

如图2所示，为了提高脑电装置的性能，本实用新型所采用的32导脑电模块主要包括三部分，分别为模拟信号放大电路、模数转换电路和数据上传电路，其中模拟信号放大电路包括依次连接的脑电信号放大电路、低通滤波电路和单端转差分电路，脑电信号放大电路采用差分输入放大运放电路，可以有效的抑制噪声，提高共模抑制比；低通滤波电路可以有效滤除脑电信号噪声，其优选采用有源巴特沃兹低通滤波器，具有带内平坦度好，过渡带宽度宽等特性，通过设置相应电路的阻容值，调整截止频率以及要达到1μVpp噪声电平要求的滤波效果，并达到0.1Hz-10kHz高带宽采集的设计要求。同时，本实用新型采用单端转差分电路可以抑制干扰，提升电路的信号动态范围。

本实用新型要达到最高采样率支持100kSPS，所采用的模数转换电路选用最高采样率达128kSPS，数据精度24bit多通道模数转换芯片。多通道并且采样率高达100kSPS，同时，本实用新型中的数据上传电路包括FPGA芯片相关电路、光纤以太网电路和通信控制电路，光纤以太网电路采用支持100M及以上的光纤以太网电路。本实用新型采用高性能的双核ARM处理器的FPGA芯片满足了数据采集及同步上传的要求。单个32导脑电模块采用24位高精度ADC，最高采样率为100K时，其数据量达到了9.6MB/s，而100Mbps能够达到12.5MB/s的传输速率，可以实现了采集人的全脑频段(0.1Hz-10kHz)的脑电信号。

应用例

常用的脑电刺激范式之一为稳态视觉诱发电位，稳态视觉诱发电位按设定一个固定频率的闪烁或者变换模式的视觉刺激。刺激终端为安装了稳态视觉诱发电位刺激程序的电脑，当刺激程序开始时，同步发送指令启动脑电装置中的各个数据采集模块进行数据采集，各个数据采集模块采集数据过程中会记录数据点采集信息，并将数据信息和数据点采集信息打包，通过以太网口发送给采集终端。同时，稳态视觉诱发电位刺激程序每进行更换频率或者变换模式，通过串口给信号同步控制装置发送指令，通知信号同步控制装置当前具体的频率或者变换的模式等同步刺激事件信息。信号同步控制装置收到同步刺激事件装置发送的同步事件时，通过串口向脑电装置中的一个数据采集模块或多个数据采集模块获取当前的数据点信息，并将数据点信息和同步刺激事件信息打包通过异步串口传输给采集终端。采集终端通过将信号同步控制装置经串口上传的数据点信息及同步事件信息与脑电装置经以太网口上传的数据包信息进行数据匹配，对脑电装置传输的数据包进行解析和标记，实现事件点的匹配同步。当施加一个恒定频率的外界视觉刺激时，与刺激频率或谐波频率相一致的神经网络就会产生谐振，导致大脑的电位活动在刺激频率或谐波频率处出现明显变化，由此产生SSVEP信号即稳态视觉诱发电位。

本实用新型选用的光纤电路具有传输速度快，满足系统需求；损耗低，提高通信质量；抗扰能力强，因光纤是非金属的介质材料，数据传输不会对微弱的脑电信号产生影响。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种高频脑电高速采集系统，其特征在于，所述系统包括脑电装置、信号同步控制装置、采集终端和刺激终端，所述脑电装置包括若干个并联设置的32导脑电模块，多个32导脑电模块之间通过同源时钟模块进行数据采集同步，所述信号同步控制装置通过通信接口与其中一个或多个所述32导脑电模块通信连接，所有所述的32导脑电模块通过光纤以太网及交换机将数据传输给所述采集终端，所述采集终端和刺激终端分别与所述信号同步控制装置连接，用于将所述刺激终端所产生的外部刺激事件与所述脑电装置所产生的脑电采集数据进行同步。

2.根据权利要求1所述的高频脑电高速采集系统，其特征在于，所述脑电装置中至多并联设置8个32导脑电模块。

3.根据权利要求1所述的高频脑电高速采集系统，其特征在于，所述32导脑电模块包括模拟信号放大电路、模数转换电路和数据上传电路，所述模拟信号放大电路包括依次连接的脑电信号放大电路、低通滤波电路和单端转差分电路，所述低通滤波电路为有源巴特沃兹低通滤波器。

4.根据权利要求3所述的高频脑电高速采集系统，其特征在于，所述模数转换电路为最高采样率达100kSPS以上，数据精度24bit多通道模数转换芯片。

5.根据权利要求3所述的高频脑电高速采集系统，其特征在于，所述数据上传电路包括FPGA芯片相关电路、光纤以太网电路和通信控制电路，所述光纤以太网电路为支持100M及以上的光纤以太网电路。

6.根据权利要求1所述的高频脑电高速采集系统，其特征在于，所述采集终端为PC机。

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