TWI750765B - 局部腦電信號增強之方法及腦電極 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種局部腦電信號增強之方法及腦電極：以一個以上中央電極接收一局部腦電信號，並以上述中央電極周圍之複數周圍電極接收一背景腦電信號，上述中央電極及周圍電極可使用乾式可伸縮的梳狀電極以符合人體頭型。該局部腦電信號輸入一主動式乾式電極電路之一個以上第一放大器，該背景腦電信號輸入該主動式乾式電極電路之複數第二放大器，藉以降低輸入信號衰減並放大上述局部腦電信號及背景腦電信號。經放大之背景腦電信號輸入一共模腦電信號抑制濾波電路之一共模信號電路以產生一共模背景腦電信號。該共模背景腦電信號與放大之該局部腦電信號輸入該共模腦電信號抑制濾波電路之一放大器，藉此去除該共模背景腦電信號並放大該局部腦電信號。

Description

局部腦電信號增強之方法及腦電極
本發明係有關於一種局部腦電信號增強之方法及腦電極，特別是指透過內外排列的中央電極及周圍電極分別獲取局部腦電信號及背景腦電信號，進一步透過濾波放大及去除由背景腦電信號產生的共模背景腦電信號，以增強局部腦電信號的發明。
腦電信號是一種由大腦神經元活動產生的電信號，並且已經廣泛應用於臨床。在臨床上通常使用導電凝膠搭配常規Ag/Ag或Au腦電極來測量腦電信號，但是使用導電凝膠於長期腦電測量會遇到乾燥和硬化的問題。
因此許多乾式腦電極被提出以改善上述問題。其中，基於微機電系統(microelectromechanical systems,MEMS)技術的乾式腦電極通常是一種半侵入式方法，製造成本相對昂貴。也有其他研究團隊分別使用了不同的導電材料，例如導電橡膠、織物、聚合物泡沫等用於乾式腦電極應用，但是這些電極的皮膚-電極界面阻抗仍高於傳統使用導電膠的腦電極，此外，利用這些腦電極在毛髮部位測量腦電信號仍然很困難，除非分開頭髮層，這些乾式電極無法與皮膚接觸良好。
為了解決在毛髮部位測量腦電信號的問題，一些研究團隊提出了幾種梳子形狀的乾式腦電極，例如g.tec公司提出了一種梳狀主動式乾電極 (g.SAHARA)用於腦電信號測量。雖然這些特殊形狀的乾式腦電極可以增加在毛髮部位的皮膚-電極接觸面積，但是它們的皮膚-電極界面阻抗仍然比使用導電凝膠的傳統腦電極高出許多。同時，腦電信號極為微弱而容易被其他背景腦電信號或是生理電信號干擾。
爰此，為了提高乾式腦電極所測得的腦電信號以供判讀，本發明提出一種局部腦電信號增強之腦電極，包括有一腦電信號接收電極及一腦電信號強化電路。
該腦電信號接收電極包括一電極基板、一個以上中央電極及複數周圍電極，該中央電極及該周圍電極設置在該電極基板上，且該周圍電極環繞在該中央電極之外側。該腦電信號強化電路包括一主動式乾式電極電路及一共模腦電信號抑制濾波電路，該主動式乾式電極電路包括一個以上第一放大器連接上述中央電極，以及複數第二放大器連接上述周圍電極，該共模腦電信號抑制濾波電路包括一放大器及一共模信號電路，上述第一放大器連接該放大器之一正極端，上述第二放大器連接該共模信號電路，且該共模信號電路連接該放大器之一負極端。
進一步，該共模信號電路係平均電路。
進一步，上述腦電信號接收電極為梳狀電極。
更進一步，該電極基板呈圓形，且上述中央電極位在該電極基板中央，上述周圍電極位在該電極基板周緣。
更進一步，上述中央電極及周圍電極皆包括有一導電套筒、一導電彈性件及一針狀電極，該導電套筒銲接在該電極基板上，該導電彈性件置入 該導電套筒中，該針狀電極一端伸入該導電套筒中而抵在該導電彈性件上，該針狀電極另一端伸出該導電套筒外，使該針狀電極可相對該導電套筒伸縮。
本發明亦為一種局部腦電信號增強之方法，包含：
利用一個以上中央電極接收一局部腦電信號，並以位在上述中央電極周圍之複數周圍電極接收一背景腦電信號。該局部腦電信號輸入一主動式乾式電極電路之一個以上第一放大器；該背景腦電信號輸入該主動式乾式電極電路之複數第二放大器；藉以降低輸入信號衰減並放大上述局部腦電信號及背景腦電信號。信號放大之局部腦電信號輸入一共模腦電信號抑制濾波電路之一放大器的正極端；信號放大之背景腦電信號輸入該共模腦電信號抑制濾波電路之一共模信號電路以產生一共模背景腦電信號，該共模信號輸入該放大器的負極端；藉此去除該共模背景腦電信號並放大該局部腦電信號。
進一步，該共模信號電路係平均電路，以採用平均法產生該共模背景腦電信號。
進一步，上述中央電極及周圍電極係可伸縮，以適應一待測者的頭型。
透過上述技術特徵可達成以下功效：
1.本發明為乾式腦電極，不須使用導電凝膠即可獲得足夠強度的腦電信號供判讀。
2.本發明之腦電信號接收電極為乾式梳狀電極，且電極基板上的中央電極接及周圍電極可伸縮以適應待測者的頭型，保持良好的電極-皮膚接觸狀態。
3.本發明利用主動式乾式電極電路放大局部腦電信號及背景腦電信號，並可提高接收的腦電信號強度，避免信號衰減及相位失真，且可達成共模抑制比的降低。之後利用共模信號電路自背景腦電信號獲得共模背景腦電信號，以去除局部腦電信號的共模信號，提高局部腦電信號的強度。
1:腦電信號接收電極
11:電極基板
12:中央電極
13:周圍電極
2:腦電信號強化電路
21:主動式乾式電極電路
211:第一放大器
212:第二放大器
22:共模腦電信號抑制濾波電路
221:放大器
2211:正極端
2212:負極端
222:平均電路
A:導電套筒
B:導電彈性件
C:針狀電極
D:局部腦電信號
E:背景腦電信號
F:共模背景腦電信號
[第一圖]係為本發明實施例之腦電極的整體架構示意圖。
[第二圖]係為本發明實施例之腦電信號接收電極的立體外觀圖。
[第三圖]係為本發明實施例之腦電信號接收電極的剖視圖。
[第四圖]係為本發明實施例之腦電信號接收電極的使用狀態圖。
[第五圖]係為本發明實施例中，未使用腦電信號強化電路之原始穩態視覺誘發電位腦電信號圖。
[第六圖]係為本發明實施例中，未使用腦電信號強化電路之穩態視覺誘發電位腦電信號的頻譜圖。
[第七圖]係為本發明實施例中，使用腦電信號強化電路之原始穩態視覺誘發電位腦電信號圖。
[第八圖]係為本發明實施例中，使用腦電信號強化電路之穩態視覺誘發電位腦電信號的頻譜圖。
綜合上述技術特徵，本發明局部腦電信號增強之方法及腦電極的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。
參閱第一圖及第二圖所示，本實施例之局部腦電信號增強之腦電極包括一腦電信號接收電極1及一腦電信號強化電路2。
該腦電信號接收電極1包括一電極基板11、一個以上中央電極12及複數周圍電極13，該中央電極12及該周圍電極13設置在該電極基板11上，且該周圍電極13環繞在該中央電極12之外側，較佳的，該腦電信號接收電極1為乾式梳狀電極，且該電極基板11呈圓形，上述中央電極12位在該電極基板11中央，上述周圍電極13位在該電極基板11周緣。
參閱第二圖及第三圖所示，本實施例之中央電極12及周圍電極13是可伸縮的。具體而言，上述中央電極12及周圍電極13皆包括有一導電套筒A、一導電彈性件B及一針狀電極C，該導電套筒A銲接在該電極基板11上，該導電彈性件B置入該導電套筒A中，該針狀電極C一端伸入該導電套筒A中而抵在該導電彈性件B上，該針狀電極C另一端伸出該導電套筒A外，藉以使該針狀電極C可相對該導電套筒A伸縮。
參閱第一圖所示，該腦電信號強化電路2包括一主動式乾式電極電路21及一共模腦電信號抑制濾波電路22。該主動式乾式電極電路21包括一個以上第一放大器211連接上述中央電極12，以及複數第二放大器212連接上述周圍電極13；該共模腦電信號抑制濾波電路22包括一放大器221及一共模信號電路，該共模信號電路為平均電路222，上述第一放大器211連接該放大器221之一正極端2211，上述第二放大器212連接該平均電路222，且該平均電路222連接該放大器221之一負極端2212。
參閱第四圖所示，偵測一待測者的腦電信號時，將該腦電信號接收電極1接觸該待測者的頭部，而由於頭部呈弧曲形，透過可伸縮的上述中央電極12及周圍電極13，使上述中央電極12及周圍電極13能夠完整接觸該待測者的 頭部，而適應該待測者的頭型，保持良好的電極-皮膚接觸狀態，以提高接收的腦電信號強度。
參閱第一圖及第四圖所示，上述中央電極12可接收該待測者的一局部腦電信號D，上述周圍電極13可接收該待測者的一背景腦電信號E。該局部腦電信號D輸入該主動式乾式電極電路21的第一放大器211；該背景腦電信號E輸入該主動式乾式電極電路21的第二放大器212；藉以降低輸入信號衰減並放大上述局部腦電信號D及背景腦電信號E。信號放大之局部腦電信號D輸入該共模腦電信號抑制濾波電路22之放大器221的正極端2211；信號放大之背景腦電信號E輸入該共模腦電信號抑制濾波電路22之平均電路222以產生一共模背景腦電信號F，該共模背景腦電信號F輸入該放大器221的負極端2212；藉此去除該共模背景腦電信號F並增強該局部腦電信號D。
參閱第五圖至第八圖所示，以前述腦電信號接收電極1量測14Hz穩態視覺誘發電位(Steady state visually evoked potentials；SSVEP)，量測部位為主要視覺皮質部位(Oz)。第五圖及第六圖顯示測得的局部腦電信號沒有經過前述腦電信號強化電路2處理的原始腦電信號及其頻譜圖；第七圖及第八圖顯示測得的局部腦電信號經過前述腦電信號強化電路2處理的原始腦電信號及其頻譜圖。根據比對後發現，經過前述腦電信號強化電路2處理後之穩態視覺誘發電位的頻譜特徵平均可以增強約9dB，克服了皮膚-電極界面阻抗太高使得局部腦電信號微弱，以及局部腦電信號微弱而容易被背景腦電信號或是生理電信號干擾的問題。
綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此 限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。
12:中央電極
13:周圍電極
2:腦電信號強化電路
21:主動式乾式電極電路
211:第一放大器
212:第二放大器
22:共模腦電信號抑制濾波電路
221:放大器
2211:正極端
2212:負極端
222:平均電路
D:局部腦電信號
E:背景腦電信號
F:共模背景腦電信號

Claims (8)

  1. 一種局部腦電信號增強之腦電極，包含：一腦電信號接收電極，包括一電極基板、一個以上中央電極及複數周圍電極，該中央電極及該周圍電極設置在該電極基板上，且該周圍電極環繞在該中央電極之外側；一腦電信號強化電路，包括一主動式乾式電極電路及一共模腦電信號抑制濾波電路，該主動式乾式電極電路包括一個以上第一放大器連接上述中央電極，以及複數第二放大器連接上述周圍電極，該共模腦電信號抑制濾波電路包括一放大器及一共模信號電路，上述第一放大器連接該放大器之一正極端，上述第二放大器連接該共模信號電路，且該共模信號電路連接該放大器之一負極端。
  2. 如請求項1之局部腦電信號增強之腦電極，進一步，該共模信號電路係平均電路。
  3. 如請求項1之局部腦電信號增強之腦電極，進一步，上述腦電信號接收電極為梳狀電極。
  4. 如請求項3之局部腦電信號增強之腦電極，進一步，該電極基板呈圓形，且上述中央電極位在該電極基板中央，上述周圍電極位在該電極基板周緣。
  5. 如請求項3之局部腦電信號增強之腦電極，進一步，上述中央電極及周圍電極皆包括有一導電套筒、一導電彈性件及一針狀電極，該導電套筒銲接在該電極基板上，該導電彈性件置入該導電套筒中，該針狀電極一端伸入該導電套筒中而抵在該導電彈性件上，該針狀電極另一端伸出該導電套筒外，藉以使該針狀電極可相對該導電套筒伸縮。
  6. 一種局部腦電信號增強之方法，包含：利用一個以上中央電極接收一局部腦電信號，並以位在上述中央電極周圍之複數周圍電極接收一背景腦電信號；該局部腦電信號輸入一主動式乾式電極電路之一個以上第一放大器；該背景腦電信號輸入該主動式乾式電極電路之複數第二放大器；藉以降低輸入信號衰減並放大上述局部腦電信號及背景腦電信號；信號放大之局部腦電信號輸入一共模腦電信號抑制濾波電路之一放大器的正極端；信號放大之背景腦電信號輸入該共模腦電信號抑制濾波電路之一共模信號電路以產生一共模背景腦電信號，該共模背景腦電信號輸入該放大器的負極端；藉此去除該共模背景腦電信號並放大該局部腦電信號。
  7. 如請求項6之局部腦電信號增強之方法，進一步，該共模信號電路係平均電路，以採用平均法產生該共模背景腦電信號。
  8. 如請求項6之局部腦電信號增強之方法，進一步，上述中央電極接及周圍電極係可伸縮，以適應一待測者的頭型。
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