專利名稱：用于獲得eeg數(shù)據(jù)的儀器和方法
用于獲得EEG數(shù)據(jù)的儀器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于獲得EEG數(shù)據(jù)的儀器和方法。
大約占世界人口 1%的人患有被稱為癲癇的慢性神經(jīng)疾病。在美國有超過250萬人受到該種疾病侵?jǐn)_，在英國為35萬人，且每年有3萬人將感染此疾病。盡管用抗癲癇的藥物進(jìn)行治療，但是患有癲癇的40-50%的人繼續(xù)經(jīng)歷癲癇的發(fā)作或嚴(yán)重的副作用。
腦電圖(EEG)在神經(jīng)性疾病例如癲癇的診斷和治療中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通常簡單地在醫(yī)院內(nèi)(in-house)用硬接線的笨重的裝備監(jiān)視患者不超過24小時(shí)，產(chǎn)生用于診斷和治療的有限數(shù)據(jù)。在患者的日常環(huán)境中對(duì)患者的持續(xù)(或定期)的長期監(jiān)視有可能顯著改進(jìn)診斷和治療。更長期才莫式和潛在的目標(biāo)將更加確定地被神經(jīng)科專門醫(yī)師所認(rèn)可，當(dāng)前藥物的效果將被更精確地監(jiān)視并且劑量將被更有把握地控制。此外，長期持續(xù)的監(jiān)視導(dǎo)致通過發(fā)作預(yù)報(bào)預(yù)先警告患者的可能性，以及甚至是通過例如神經(jīng)中樞刺激的 一些行為來預(yù)防發(fā)作。
使用商業(yè)上可得到的動(dòng)態(tài)EEG (AEEG)系統(tǒng)在患者的家庭環(huán)境中監(jiān)視患者是可能的。貼附在患者頭部的電極被連接到記錄單元，通常佩戴在腰帶或肩上的袋子上。大部分的型號(hào)重約lkg，包括電池組和硬件驅(qū)動(dòng)器，大約是便攜式CD播放機(jī)的大小并通常記錄24小時(shí)的數(shù)據(jù)。
使用EEG監(jiān)視的其它應(yīng)用包括諸如睡眠呼吸暫停的睡眠紊亂的監(jiān)視和i貪斷。
EEG監(jiān)視不僅僅用于檢測(cè)不正常的健康狀態(tài)，而且也可用來確定一個(gè)人的情緒狀態(tài)并能用于確定一個(gè)人是否例如無聊、疲勞、受到壓力或生氣。這樣的監(jiān)視能幫助允許，例如，對(duì)于諸如飛行員的人來說改善對(duì)數(shù)據(jù)干擾(barrage)的反應(yīng)，以及通過將想法電子地傳遞給操作信號(hào)來改善假肢的控制。
參考
圖1能進(jìn)一步理解常規(guī)EEG監(jiān)視方法的基本結(jié)構(gòu)，圖1顯示了放在組織層102例如皮(scale)上、接收諸如EEG信號(hào)的信號(hào)的多個(gè)電極100a、 100b和100c。 ^t擬信號(hào)傳遞通過放大器和轉(zhuǎn)換電路104,將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)然后被儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器106里。隨后在步驟(step)108下載儲(chǔ)存的數(shù)字化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
然而，由于其重量和體積，當(dāng)前的AEEG系統(tǒng)可造成配戴者明顯的不適。
發(fā)明在權(quán)利要求中進(jìn)行陳述。特別地，由于提供用于獲得EEG數(shù)據(jù)的儀器，該儀器包括用于將EEG信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為簡化的數(shù)據(jù)集的信號(hào)處理部件，因此功率的需求減少了。在一方面，由于提供簡化的數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)的數(shù)量減少了 ，使得結(jié)合可接受的電池或電源壽命而使無線傳輸成為可能。
現(xiàn)將參考附圖，作為例子，描述本發(fā)明的實(shí)施方式，其中
圖1是顯示現(xiàn)有技術(shù)AEEG系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的方框圖2a是顯示根據(jù)這里描述的方法的AEEG系統(tǒng)的方框圖2b是顯示安裝的AEEG系統(tǒng)的第一實(shí)施例示意圖2c是顯示安裝的AEEG系統(tǒng)的第二實(shí)施例示意圖3是更詳細(xì)顯示根據(jù)這里描述的方法的AEEG的信號(hào)處理部件的組成的方框圖4a顯示有DC偏移的EGG軌跡；
圖4b顯示來自斬波器(chopper)輸入電路的互補(bǔ)的兩等分部分的斬波器信號(hào)；
圖4c顯示借助于圖4b的斬波器信號(hào)的圖4a的EEG信號(hào)的調(diào)制；圖4d顯示移除DC偏移的再生的EEG信號(hào)；圖5是顯示斬波器放大器的電路圖6是顯示到斬波器差分放大器的等效高通濾波器的簡圖；圖7更詳細(xì)顯示了斬波器差分放大器的電路設(shè)計(jì)；
圖8是顯示根據(jù)本方法的特征提取電路的組成的方框圖；以及
圖9是顯示根據(jù)本方法的數(shù)據(jù)壓縮部件的組成的方框圖。
總的來說，參考圖2a的方框圖能進(jìn)一步理解本發(fā)明。多個(gè)電極200a、200b和200c被緊靠例如為頭皮202的組織放置。如下面更詳細(xì)描述以及能夠部分地或全部地以才莫擬部件實(shí)現(xiàn)的信號(hào)處理部件204接收來自電極的模擬EEG信號(hào)。信號(hào)處理部件204將接收的EEG信號(hào)轉(zhuǎn)換為簡化的數(shù)據(jù)集，也就是，轉(zhuǎn)換為減少數(shù)量的數(shù)據(jù)，同時(shí)確保保留的數(shù)據(jù)沒有丟失可與特殊應(yīng)用相關(guān)的EEG信息。例如，如果系統(tǒng)是用于癲癇的監(jiān)視，那么信號(hào)處理單元識(shí)別明顯不代表癲癇活動(dòng)的數(shù)據(jù)的部分并保持可能代表癲癇活動(dòng)的數(shù)據(jù)的那些部分。在涉及認(rèn)知狀況例如疲勞、瞌睡、壓力、工作量、記憶力、注意力的監(jiān)視的實(shí)施例應(yīng)用中，數(shù)據(jù)的相關(guān)部分可以是包含指示用戶的認(rèn)知狀況的腦波特征的那些部分。
為了最小化電池大小，實(shí)現(xiàn)了低功率電路和系統(tǒng)，以允許簡化的EEG數(shù)據(jù)集的無線傳輸。如下面更詳細(xì)描述的，實(shí)現(xiàn)兩種主要方法。
首先，可從信號(hào)移除在電極組織界面(202 )產(chǎn)生的偏移電壓。這樣通過減少數(shù)字化數(shù)據(jù)的數(shù)量，例如超過6位，降低需要的分辨率。如果移除偏移所需的電路消耗的功率小于其他電路塊處理增加的動(dòng)態(tài)范圍(也就是增加的位數(shù)，典型地為6位)所需的額外功率，就可實(shí)現(xiàn)這一目的。
第二，實(shí)現(xiàn)本地信號(hào)處理技術(shù)而不是為隨后的處理儲(chǔ)存所有的數(shù)據(jù)。典型地實(shí)時(shí)執(zhí)行的信號(hào)處理技術(shù)被用于在偏移電壓的移除之后的數(shù)據(jù)，包括用于重要的EEG信號(hào)事件的識(shí)別和隔離的特征提取步驟，并確保數(shù)據(jù)集受限于重要的事件。此外，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)被用來減少數(shù)據(jù)量同時(shí)丟失少量信息或不丟失信息。
然后將簡化的數(shù)據(jù)集提供給數(shù)據(jù)輸出部件206，數(shù)據(jù)輸出部件206是到儲(chǔ)存設(shè)備例如磁盤或硬盤驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)輸出，或者在最優(yōu)化方法中，是到連接到基站210的無線接收器208的無線發(fā)射機(jī)，基站210可以是例如監(jiān)視計(jì)算機(jī)或衛(wèi)生保健專家觀察的屏幕。根據(jù)這里描述的方法，由于筒化的數(shù)據(jù)集以及由此傳輸較少數(shù)據(jù)所需要的減少的功率，實(shí)現(xiàn)控制功率消耗的這種無線結(jié)構(gòu)。例如試圖發(fā)送完整
數(shù)據(jù)集的當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平的低功率無線收發(fā)器，將以常規(guī)EEG設(shè)備中的數(shù)據(jù)速率在不到幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就耗盡單個(gè)微型紐扣電池。
如果不儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，則能夠免除在常規(guī)設(shè)備中典型地由患者佩戴的硬盤或其它存儲(chǔ)設(shè)備。這具有進(jìn)一步的好處，即現(xiàn)有設(shè)備的存儲(chǔ)容量不再是限制因素，例如在能夠繼續(xù)監(jiān)視前要求用戶從充滿的存儲(chǔ)盤上載數(shù)據(jù)。類似的可免除到硬盤的連接線，硬盤典型地佩戴在腰帶上或在肩袋里。因此設(shè)備可被制造成更輕、體積更小且更不顯眼，確保其可被更舒適地定期地或持續(xù)地佩戴，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的長期監(jiān)視。例如圖2b和圖2c所示，整個(gè)儀器能安裝在頭部212上，而不是要求線下垂到在配戴者身體上其他地方的其他大體積部件。特別地，電極214、 216、 218、 220、 222、 224、 226可安裝在頭部上并連接到殼體228，殼體228安裝在用戶的頭部上或頸部上，且包含功率部件、信號(hào)處理部件和數(shù)據(jù)輸出部件。這種結(jié)構(gòu)在圖2b顯示。可選4奪地，如圖2c所示，電路和電池可分布在整個(gè)頭部上，因此也分?jǐn)偭酥亓恳允褂脩舻氖孢m度達(dá)到最佳。例如， 一些電路可出現(xiàn)在每個(gè)電極214、216、 218、 220、 222、 224、 226中或出現(xiàn)在電極214、 216、 218、 220、222、 224、 226的子集中。
通過以;溪擬的方式提供處理部件中的一些或全部，進(jìn)一步增強(qiáng)低功率需求一例如對(duì)于要求信噪比只是大約80dB (13位)的系統(tǒng)來說，模擬實(shí)現(xiàn)方式的功率消耗能夠小于等效的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式。
轉(zhuǎn)到本發(fā)明的更詳細(xì)的方面，參考圖3可進(jìn)一步理解信號(hào)處理電路的組成。通過線路300a到300f從各自的電極接收一個(gè)或更多EEG信號(hào)一應(yīng)知道在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候處理任何數(shù)量的電極和相應(yīng)的信號(hào)。輸入信號(hào)在被傳遞到塊304的初始處理步驟之前，進(jìn)入在塊302的電壓偏移減少部件，在塊304信號(hào)^皮;故大，這個(gè)特征在下面更詳細(xì)描述。特別地，電壓偏移減少電路302移除電壓偏移以減少數(shù)據(jù)集，這個(gè)步驟能使用模擬部件，例如斬波器放大器實(shí)現(xiàn)。
向前轉(zhuǎn)送移除DC偏移的每個(gè)接收的信號(hào)到塊306中的特征提取部件。特征提取部件使用本地信號(hào)處理算法來檢測(cè)重要的事件，例如過濾已知的
EEG分布(profile),這將是神經(jīng)科專門醫(yī)師或自動(dòng)化分析工具所感興趣的，這減少了總的功率消耗以及神經(jīng)科專門醫(yī)師的負(fù)擔(dān)，神經(jīng)科專門醫(yī)師沒必要查看不重要的數(shù)據(jù)。
然后，包括提取的特征的進(jìn)一步簡化的數(shù)據(jù)集被轉(zhuǎn)送到數(shù)據(jù)壓縮部件308。可使用各種各樣的數(shù)據(jù)壓縮方法，例如比較各自簡化的EEG信號(hào)并輸出代表各自的EEG信號(hào)之間的相關(guān)性的簡化的數(shù)據(jù)集。例如基礎(chǔ)EEG信號(hào)能夠與用于其它信道的各自的附加信號(hào)共同輸出或傳輸，其僅代表在這些信道的每一個(gè)和基礎(chǔ)信號(hào)之間的差。鑒于典型地觀察到的從頭皮的不同部位上的EEG電極接收的信號(hào)之間的相關(guān)性，我們發(fā)現(xiàn)用這種方式能獲得顯著的數(shù)據(jù)減少。通過自動(dòng)地或啟發(fā)式地識(shí)別電極的子組，例如可能表明高度的相關(guān)性的位于頭皮的公共區(qū)域的電極，可進(jìn)一步改進(jìn)本方法。
為了舉例說明，假定一個(gè)信號(hào)只來自于一個(gè)電極，參考圖4到圖7能進(jìn)一步理解電壓偏移減少部件。示意性的EEG信號(hào)400顯示在圖4A中，并合并了 DC偏移402。頭皮EEG信號(hào)展示在大約30赫茲的典型頻率下，大約1微伏和500微伏之間的典型振幅。EEG電極產(chǎn)生典型地在幾十mV(10，s of mV)范圍內(nèi)的DC偏移電壓。這個(gè)DC偏移大約是實(shí)際信號(hào)的1000倍，如果在放大之前沒有被除去，則此DC偏移將控制動(dòng)態(tài)范圍。
因此前端^:大器的性能對(duì)于符合功率、電壓電源和噪聲約束、與由偏移控制的信號(hào)結(jié)合的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說是關(guān)鍵的。8位的動(dòng)態(tài)范圍要求小于2pV的均方根輸入?yún)⒖荚肼曤妷?。增益?yīng)在40dB和50dB之間，以獲得所需的分辨率同時(shí)保證;故大器不飽和。電流消耗應(yīng)該只是在IV電源消耗不超過幾微安，且為了獲得所需的動(dòng)態(tài)范圍必須除去大的DC偏移。
根據(jù)具體的實(shí)施方式，使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電路，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體特別適用于低成本、低功率系統(tǒng)一單芯片解決方案。然而，這樣的系統(tǒng)表現(xiàn)出高閃爍噪聲(flicker noise )。
因此在一種不限制的實(shí)施方式中，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)"斬波器，，放大器。有專業(yè)技能的讀者一般都知道這種放大器，且參考圖4b到4d能理解一般操作。參考圖4b，能夠看出包括方波脈沖的互補(bǔ)的反相位(out-of-phase)斬波器頻率以斬波頻率(ch叩frequency) &產(chǎn)生。在用斬波頻率的方波;故大之前，調(diào)制EEG信號(hào)，該斬波頻率理想地被設(shè)置為閃爍噪聲可忽略不計(jì)的頻率。如在圖4c所示，增加調(diào)制的信號(hào)，并在斬波頻率fe處放大后，信號(hào)被下變頻到基帶，同時(shí)閃爍噪聲和任何放大器偏移電壓被同時(shí)上變頻到它們能一皮濾出的斬波頻率。因此從圖4c的調(diào)制的信號(hào)有效提取信號(hào)，以提供沒有DC偏移的圖4d的信號(hào)。發(fā)現(xiàn)斬波器技術(shù)一貫地實(shí)現(xiàn)印象深刻的噪聲性能且低功率操作是可能的。然而，現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)沒有滿足這里描述的類型的EEG無線收發(fā)器特別要求的規(guī)范，且特別是沒有滿足低電壓操作、低噪聲和低功耗的規(guī)定。
另一方面，發(fā)現(xiàn)圖5的電路提供所需的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提供用0.35pm的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的IV、 1.4pW的斬波器放大器。獲得的輸入?yún)⒖荚肼曤妷菏?.5pV均方根(rms)，且增益為44dB。由于輸入EEG信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍由在電極-組織界面產(chǎn)生的偏移電壓控制，因此，通過識(shí)別輸入斬波器開關(guān)能與放大器輸入電容結(jié)合以模擬大的阻抗，輸入高通濾波器將所需的濾波電容限制到40pF。
斬波器放大器接收電容Cf以及向放大器512提供斬波器的四個(gè)交叉開關(guān)504、 506、 508、 510上的輸入電壓Vm500。用四個(gè)NMOS晶體管來實(shí)現(xiàn)這些開關(guān)，四個(gè)NMOS晶體管由不重疊的反相時(shí)鐘信號(hào)^和cp2驅(qū)動(dòng)，以斬波頻率在0V和IV之間切換。提供在化和cp2切換的四個(gè)其他交叉的開關(guān)，也就是開關(guān)514、 516、 518、 520,以完成在i丈大器512的輸出的頻率轉(zhuǎn)換過程。輸入晶體管優(yōu)選最小的尺寸以減少從時(shí)鐘信號(hào)饋通的電荷，例如具有0.4pm的寬度但具有7|im的長度以減少開關(guān)的漏極電流噪聲(drain current noise )。由于輸出開關(guān)514、 516、 518、 520的噪聲貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)，因此它們能夠保持最小尺寸。在操作中，開關(guān)化和92以反相操作，以向放大器512提供圖4b所示的方波頻率輸入，且輸出開關(guān)cp!和q>2， 514到520,類似地以反相操作以提供放大后的下變頻。
在放大之前，除去電極DC偏移是達(dá)到需要的動(dòng)態(tài)范圍所必需的，其由低電壓源嚴(yán)格限制。對(duì)于0.5Hz以下的高通拐角頻率(high pass cornerfrequency)來說，最小化所需的電容要求非常大的阻抗(對(duì)于CF^40pF,RF >101Q D)。最理想地在上變頻信號(hào)之前發(fā)生高通濾波，以避免在fc和化+0.5Hz之間設(shè)計(jì)拐角頻率。此外，為了最小化閃爍噪聲，在頻率上變頻之前不使用有源設(shè)備。
從開關(guān)電容理論能夠看出，輸入斬波器開關(guān)結(jié)合差分;^文大器的輸入電容模擬了電阻器RF。等效電路在圖6中顯示。CF 502和有效電阻Rp構(gòu)成高通濾波器。Cm,! 600和Cin,2 602表示差分放大器的輸入電容。產(chǎn)生電壓Vp的節(jié)點(diǎn)被NMOS輸入開關(guān)的體源(body-source) 二極管加偏壓。在時(shí)鐘相位化期間，CmJ 600被充電到VF同時(shí)Cm,2 602被放電到地電位。相對(duì)照地，在cp2期間，Cm,2被放電到VF， Chu被放電。平均電流,m,ave由下式給出
(1)
r r
其中i;是時(shí)鐘周期。
假定Cm,尸CmfQn,則等效的濾波器電阻RF由下式給出
f力
通過降低斬波頻率并減小差分放大器輸入晶體管Mi和M2的大小來實(shí)現(xiàn)高&,如下面參考圖7討論的。
因此可以看出，通過適當(dāng)選擇斬波器開關(guān)排列和差分^:大器512的部件，能模擬大的阻抗，允許濾波器電容Cp保持為和40pF —樣低，提供3dB頻率0.5Hz的高通濾波器。
圖7的差分放大器包括晶體管Mi 704、 M2706的常規(guī)差分放大器級(jí)，其接收輸入電壓700、 702并連接到二極管連接的晶體管M3和M4，晶體管M3和線工作在弱反轉(zhuǎn)(weak inversion)狀態(tài)且作為負(fù)載電阻器，該電阻器形成所需要的尺寸以最優(yōu)化低噪聲。差分放大器級(jí)的輸出被各自的電
12容器Ci 728、 C2 730和負(fù)載MR1 722、 Mr2 724濾波。在輸入晶體管M5 712、M6 714接收輸出，輸入晶體管M5 712、 M6 714被連接到各自的晶體管M7716、 M8 718構(gòu)成電流鏡像。在晶體管M6和M8之間，橫跨電容器<:3 732和二極管方式連接的晶體管MR3 726的另一個(gè)濾波器兩端，獲得輸出電壓。作為各自的電流源的各自的晶體管M9 734、 M1() 736結(jié)合主電流源、晶體管MB9 738，提供到兩個(gè)級(jí)的DC偏壓條件。
因此差分放大器被設(shè)計(jì)在兩級(jí)中。放大器直接從四個(gè)輸入斬波器開關(guān)504-510接收未轉(zhuǎn)換的信號(hào)VilU(700) - Vm,2(702)。標(biāo)準(zhǔn)低噪聲設(shè)計(jì)策略是在第一級(jí)中提供高增益。然而，這里第一級(jí)已經(jīng)被選定為二極管方式連接的有源負(fù)載差分對(duì)。這個(gè)緩沖級(jí)的自偏壓和低增益是必需的，以使輸入晶體管704和Af2 706小而不發(fā)生促使放大器飽和的失諧以及制程偏差(process variation )。
設(shè)計(jì)晶體管704、 Af2 706、 Af3 708和M4 710的尺寸是在最小化噪聲、維持高RF和確保Mgml的增益不明顯小于Af3gm3的增益之間的精確的平衡，因?yàn)檫@個(gè)第一級(jí)的增益是gml/gm3。 M和M2是最小長度以最大化RF。寬度被設(shè)置為3.5pm以允許250nA的漏極電流，同時(shí)仍然處于子閾值之內(nèi)，M3和線處于弱反轉(zhuǎn)，其為寬度36pm、長度4pm。用于在弱反轉(zhuǎn)的MOS晶體管的等效柵極參考信道噪聲電壓的平方v2n由下式給出
A/ (3)
其中k是波爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，是體源跨導(dǎo)gmbs與柵源跨
導(dǎo)gw的比率，KF是經(jīng)驗(yàn)的閃爍噪聲參數(shù)，C;是每單位面積的氧化物電容，W是設(shè)備寬度以及L是設(shè)備長度。
MOS差分放大器的等效輸入?yún)⒖荚肼曤妷旱钠椒絭;是
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中Vnk是晶體管A4的柵極參考信道噪聲電壓。
在這個(gè)電路里，為了最小化噪聲，增加漏極電流。由于頻率的上變頻處理，噪聲主要是熱噪聲，以及通過增加的漏極電流改進(jìn)弱反轉(zhuǎn)中的跨導(dǎo)。 與強(qiáng)反轉(zhuǎn)操作不同，這樣導(dǎo)致設(shè)備大小的比率變得不重要。
晶體管A^712、 A/6714、 iW7716、 A/8 718和Af1Q 710構(gòu)成提供增益的 第二級(jí)差分放大器。這里的晶體管比第一級(jí)的那些晶體管大的多，以確保 失諧和制程偏差影響不大;M5和M6是72(xm乘lOjam的，M7和A^是160pm 乘8pm的。通過每條支路的電流是400nA,足夠使第二級(jí)的噪聲是可忽略 的。
第一級(jí)的差分輸出是高通濾波的，以控制第二級(jí)的共模輸入并除去由 于失諧或制程偏差引起的偏移電壓。在下變頻之前，輸出也被進(jìn)行高通濾 波。使用二極管方式連接的化m乘化m的PMOS設(shè)備Afw 722、 Mr2 724、 AfR3 726來完成濾波，PMOS設(shè)備yV/R1 722、 A/r2 724、 A/R3 726連同電容器 Q 728、 C2 730和C3 732構(gòu)成極高的增量電阻(<10")。 d和C2是10pF， C3是lpF。 d和C2被設(shè)置為10pF的更大的值以減少與下一級(jí)的輸入電容 的電容性分配。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖8,能夠更詳細(xì)地理解特征提取部件。特別地，從以上描 述的電壓偏移減少部件接收信號(hào)800。在實(shí)踐中，根據(jù)是否已經(jīng)單獨(dú)處理 信道或是否已經(jīng)應(yīng)用一些多路復(fù)用策略，接收一個(gè)或多個(gè)這樣的信號(hào)。以 任何適當(dāng)?shù)姆绞阶詣?dòng)4全測(cè)尖《奪或預(yù)期的EEG特征分布(feature profile )， 這對(duì)于有專業(yè)技能的讀者是明顯的，使得這里不需要詳細(xì)描述，但是一種 可能方法是^f吏用如更詳細(xì)描述的EEG小波分析，例如在Niels Coninx的 2005年6月17日的Maastricht大學(xué)的學(xué)士論文"Automated Detection of Epileptic Events in the Interictal EEG using the Wavelet Transform" 中，其在 這里通過引用而4皮并入。
每個(gè)信號(hào)傳遞通過濾波器802，濾波器802的沖激響應(yīng)一皮設(shè)計(jì)為對(duì)選 擇為以類似尖峰或預(yù)期的EEG特征分布的母小波執(zhí)行連續(xù)的小波變換。為 了減少對(duì)記錄的振幅的依賴，使用標(biāo)準(zhǔn)化小波系數(shù)的平方
一-，其中a和b是尺度和平移參數(shù)(translation parameter), cj是信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn) 偏差以及WCa,b)是連續(xù)的小波變換確定的小波系數(shù)。
標(biāo)準(zhǔn)化的小波系數(shù)被傳遞到塊804,在塊804與預(yù)定的閾值比較。如 果系數(shù)超過這個(gè)值，那么認(rèn)為在時(shí)間上相應(yīng)的瞬間已經(jīng)發(fā)生了癲癇事件， 對(duì)于其生成小波系數(shù)。通過比較用于母小波尺度的標(biāo)準(zhǔn)化小波系數(shù)與用于 較大尺度的標(biāo)準(zhǔn)化小波系數(shù)，來識(shí)別人為現(xiàn)象，其中母小波尺度類似癲癇 事件，較大的尺度類似人為現(xiàn)象。并行地計(jì)算這些人為現(xiàn)象系數(shù)。如果用 于人為現(xiàn)象的標(biāo)準(zhǔn)化小波系數(shù)較大，那么就認(rèn)為沒有發(fā)生癲癇事件。
使用不同的小波尺度檢測(cè)不同的特征。對(duì)于不同尺度的小波，使用時(shí) 移小波系數(shù)的線性組合來檢測(cè)例如尖峰和慢波的特征的組合
其中cl和c2是應(yīng)用于每個(gè)特征的預(yù)定的加權(quán)，as是用于慢波的小波 尺度以及t是兩個(gè)特征之間的預(yù)期的時(shí)移。并行地計(jì)算用于不同特征的所 有需要的尺度。
在塊806，能捐Jf又相關(guān)的特征，該相關(guān)的特征可例如通過時(shí)間匹配在 步驟804的峰值識(shí)別點(diǎn)與輸入信號(hào)的相應(yīng)的特征、以及選擇提取該特征而 被識(shí)別，并且被提取的特征被輸出到信號(hào)處理電路的下一級(jí)，如下面所描 述的。
因此塊802實(shí)現(xiàn)濾波器，該濾波器對(duì)于各種母小波尺度執(zhí)行連續(xù)的小 波變換。塊804進(jìn)行必要的線性組合和比較以檢測(cè)癲癇特征。塊806使特 征檢測(cè)與被認(rèn)為包含癲癇事件的原始信號(hào)相關(guān)聯(lián)。這需要存儲(chǔ)器或時(shí)間延 遲電路，以允許輸入信號(hào)的適當(dāng)部分/特征的選擇。特定的特征可用數(shù)字或 模擬部件適當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)。例如濾波器和沖激響應(yīng)可用模擬電路實(shí)現(xiàn)，并且相 關(guān)性和提取部件可用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖9，可更詳細(xì)地看到數(shù)據(jù)壓縮部件的組成。接收輸入信號(hào) 900,并且輸入信號(hào)900可相應(yīng)于，例如移除DC偏移的信號(hào)，并僅用于每 信道提取的特征。信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換器902被數(shù)字化，并且在比較部件904接收每個(gè)數(shù)字化的信道。比較部件比較可以是例如任何額定地挑選的輸入
信道信號(hào)的基線(base-line)信號(hào)，并將該信號(hào)作為基礎(chǔ)(base)信號(hào)表示 而輸出，連同將每個(gè)比較的信號(hào)中的差或增量(delata)作為差值信號(hào)表示 而輸出。由于有高的相關(guān)度，差值信號(hào)中的數(shù)據(jù)量將少于原始信號(hào)中的數(shù) 據(jù)量，差值信號(hào)從原始信號(hào)中得到。在一種方法中，到達(dá)比較部件的信號(hào) 可根據(jù)預(yù)定的組合(gro叩ing)而^皮分組，相應(yīng)于例如位于頭皮上已知具 有強(qiáng)烈相關(guān)的EEG活動(dòng)的區(qū)域內(nèi)的電極布置。信號(hào)能通過重新組合每個(gè)差 值信號(hào)和基礎(chǔ)信號(hào)而被重構(gòu)。
一個(gè)適當(dāng)?shù)腅EG壓縮方案在D Gopikrishna等人發(fā)表在Lecture Notes in Computer Science的2002年巻2552的第443—451頁的"A high performance scheme for EEG compression using a multichannel model" 中描
述，其在這里通過引用而被并入，并討論了使用適應(yīng)性濾波捕獲信道間的 相關(guān)性。
相關(guān)的EEG信道的組與使用自適應(yīng)濾波器的單個(gè)EEG信道相關(guān)，例 如H. Fan和W Kenneth Jenkins在1986年10月的IEEE Trans. Circuits and Systems的巻cas-33編號(hào)10的第939-947頁中的"ANew Adaptive HR Filter" 中提出的。單個(gè)信道信號(hào)x(t)首先使用小波變換壓縮，準(zhǔn)備進(jìn)行傳輸并且 然后^f皮重構(gòu)，相關(guān)的EEG信道的組中的其他信道信號(hào)與x(t)相關(guān)。此重構(gòu) 信號(hào)x'(t)被傳遞到自適應(yīng)濾波器中，其周期性地適應(yīng)性調(diào)整濾波器系數(shù)， 以將濾波器輸出y'(t)和相關(guān)的信道信號(hào)y(t)之間的誤差控制在某個(gè)預(yù)設(shè)值 之下。誤差信號(hào)e(t)和濾波器系數(shù)使用例如離散余弦變換的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)被壓 縮，并連同x(t)的壓縮版本一同被傳輸。于是所有的信息在解碼器中顯示， 以完美地重構(gòu)原始信號(hào)。
應(yīng)再一次理解，能以任何適當(dāng)?shù)姆绞?，例如使用模擬技術(shù)或數(shù)字技術(shù)， 來適當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)部件。
單獨(dú)的部件能夠是任何適當(dāng)?shù)念愋?。例如EEG電極和導(dǎo)線可以是提供 模擬信號(hào)到信號(hào)處理電路的任何適當(dāng)?shù)氖瞻l(fā)器。信號(hào)處理電路的各種部件 能同樣地以任何適當(dāng)?shù)姆绞讲⒂扇菀撰@得的部件制成，如對(duì)有專業(yè)技能的 讀者來說是明顯的。數(shù)據(jù)輸出部件能是任何適當(dāng)?shù)氖瞻l(fā)器，再次如對(duì)有專業(yè)技能的讀者來說是明顯的。使用任何適當(dāng)?shù)姆椒馨惭b或安放所有的部 件。
作為所描述的構(gòu)造的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了一種低功率、低噪聲、低電壓的構(gòu) 造，該構(gòu)造從模擬部件的使用和簡化的數(shù)據(jù)集的提供受益，以允許長的電 池壽命和可能實(shí)時(shí)地?zé)o線傳輸數(shù)據(jù)。信號(hào)處理部件選擇感興趣的專用特 征，例如在癲癇監(jiān)視情況下的癲癇瞬時(shí)現(xiàn)象，減少了將被傳輸和儲(chǔ)存的數(shù) 據(jù)量。此外在癲癇的特殊情況下，這為醫(yī)生節(jié)約了大量時(shí)間，不再要求醫(yī)
生查看不重要的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的減少降低了 AEEG設(shè)備的功率消耗、大小和重量。
應(yīng)理解，可適當(dāng)?shù)夭⒅没蚧Q這里描述的方法的各個(gè)方面，且本方法 不限于以上描述的具體的實(shí)施方式。例如，能支持任何數(shù)量的EEG信號(hào)信 道，并且能實(shí)現(xiàn)以上描述的部件的任何組合，仍然實(shí)現(xiàn)功率/數(shù)據(jù)的節(jié)約。 例如，電壓偏移減少部件、特征提取部件或數(shù)據(jù)壓縮部件中的任何一個(gè)能 協(xié)同數(shù)據(jù)輸出部件或兩個(gè)或更多個(gè)的任何組合，以任何期望的順序，獨(dú)立
地使用。為了減少可能的耗電并行處理路徑的數(shù)量，單獨(dú)的信道在任何級(jí) 可被多路復(fù)用為較少的信道。實(shí)現(xiàn)的部件的部分或全部可以模擬方式實(shí) 現(xiàn)，且實(shí)際上應(yīng)注意，如果數(shù)據(jù)輸出部件接收的最終信號(hào)本身就是才莫擬的， 那么傳輸模擬信號(hào)而不是數(shù)字化該信號(hào)并傳送數(shù)字信號(hào)，這進(jìn)一步減少部 件要求和功率消耗。
在識(shí)別適當(dāng)?shù)男盘?hào)人為現(xiàn)象時(shí)，輸出信號(hào)能向患者和/或醫(yī)生觸發(fā)發(fā)作 開始的警報(bào)一例如使用特征識(shí)別電路和/或使用能例如使用已知的發(fā)作預(yù) 防設(shè)備來被激勵(lì)的預(yù)防步驟。
所述方法可實(shí)現(xiàn)可替換的方法，例如可以用可替換的噪聲減少電路代 替斬波器放大器。
儀器可以是置于皮下的或另外的植入式的，以及可以是適當(dāng)調(diào)整以適 應(yīng)例如增大了的信號(hào)振幅的各種電路。
最后，應(yīng)理解雖然這里討論的具體實(shí)施例是關(guān)于癲癇監(jiān)視，但是本發(fā) 明也適用于其它EEG應(yīng)用，例如監(jiān)視例如疲勞、瞌睡、壓力、工作量、記憶力和注意力的認(rèn)知狀況的那些應(yīng)用。這些是在軍事應(yīng)用中特別相關(guān)的。 在這些情況中，期望的數(shù)據(jù)是包含指示用戶的認(rèn)知狀況的腦波特征的數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1. 一種用于獲得EEG數(shù)據(jù)的儀器，所述儀器包括信號(hào)處理部件和數(shù)據(jù)輸出部件，所述信號(hào)處理部件用于從多個(gè)電極中的每一個(gè)電極接收一個(gè)或更多EEG信號(hào)，所述信號(hào)處理部件被布置為將各自的EEG信號(hào)實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換為簡化的數(shù)據(jù)集，并將所述簡化的數(shù)據(jù)集提供給所述數(shù)據(jù)輸出部件。
2. 如權(quán)利要求1所述的儀器，其中所述信號(hào)處理部件包括至少一個(gè) 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換部件以提供簡化的數(shù)據(jù)集。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的儀器，其中所述信號(hào)處理部件包括電壓 偏移移除部件，所述電壓偏移移除部件被布置為移除電壓偏移以減少所述 數(shù)據(jù)集的位的數(shù)量。
4. 如權(quán)利要求3所述的儀器，其中所述電壓偏移移除部件包括^t擬 部件。
5. 如權(quán)利要求4所述的儀器，其中所述電壓偏移移除部件包括模擬 斬波器放大器。
6. 如權(quán)利要求5所述的儀器，其中所述模擬斬波器放大器順序地包 括輸入斬波器開關(guān)電路級(jí)、放大器級(jí)和輸出斬波器開關(guān)電路級(jí)。
7. 如權(quán)利要求6所述的儀器，其中所述輸入斬波器開關(guān)電路級(jí)的有 效電阻和輸入電容以及所述放大器級(jí)的輸入電容被設(shè)計(jì)為構(gòu)成高通濾波 器。
8. 如權(quán)利要求6或7所述的儀器，其中所述放大器級(jí)包括處于弱反 轉(zhuǎn)的CMOS部件。
9. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的儀器，其中所述信號(hào)處理部件包 括特征提取部件。
10. 如權(quán)利要求9所述的儀器，其中所述特征提取部件包括具有相應(yīng) 于EEG信號(hào)分布的沖激響應(yīng)的濾波器。
11. 如權(quán)利要求10所述的儀器，其中所述沖激響應(yīng)被設(shè)計(jì)為對(duì)于相應(yīng)于EEG信號(hào)分布的母小波執(zhí)行小波變換。
12. 如權(quán)利要求10或11所述的儀器，其中所述特征提取部件被布置 為識(shí)別峰值濾波器輸出并識(shí)別用于提取的相應(yīng)的輸入信號(hào)特征。
13. 如權(quán)利要求9到12中任一項(xiàng)所述的儀器，其中所述特征提取部 件包括才莫擬部件。
14. 如權(quán)利要求9到13中任一項(xiàng)所述的儀器，其被布置為從信號(hào)中 提取特征，所述信號(hào)從如權(quán)利要求3到8中任一項(xiàng)所述的電壓偏移移除部 件接收。
15. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的儀器，其中所述信號(hào)處理部件包 括數(shù)據(jù)壓縮部件。
16. 如權(quán)利要求15所述的儀器，其中所述數(shù)據(jù)壓縮部件被布置為比 較第一和第二各自的EEG信號(hào)，并輸出表示所述各自的EEG信號(hào)之間的 相關(guān)性的簡化的數(shù)據(jù)集。
17. 如權(quán)利要求16所述的儀器，其中所述相關(guān)性包括相應(yīng)于所述第 一和第二各自的EEG信號(hào)之一的基礎(chǔ)信號(hào)表示，以及相應(yīng)于所述第一EEG 信號(hào)和第二 EEG信號(hào)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系的所產(chǎn)生的第三信號(hào)。
18. 如權(quán)利要求17所述的儀器，其中所述基礎(chǔ)信號(hào)和所述第三信號(hào) 表示被進(jìn)一步壓縮。
19. 如權(quán)利要求16到18中任一項(xiàng)所述的儀器，其中所述數(shù)據(jù)壓縮部 件被進(jìn)一步布置為比較至少第三EEG信號(hào)。
20. 如權(quán)利要求16到19中任一項(xiàng)所述的儀器，其中EEG信號(hào)被分組 以用于以預(yù)定的相關(guān)組進(jìn)行比較。
21. 如權(quán)利要求20所述的儀器，其中基于相應(yīng)的電極放置而選擇所 述相關(guān)組。
22. 如權(quán)利要求16到21中任一項(xiàng)所述的儀器，其中所述數(shù)據(jù)壓縮部 件從如權(quán)利要求3到8中任一項(xiàng)所述的電壓偏移移除部件接收信號(hào)。
23. 如權(quán)利要求16到21中任一項(xiàng)所述的儀器，其中所述數(shù)據(jù)壓縮部件從如權(quán)利要求9到15中任一項(xiàng)所述的特征提取部件接收信號(hào)。
24. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的儀器，其進(jìn)一步包括用于為所述 信號(hào)處理部件獲得EEG信號(hào)的EEG電極。
25. 如權(quán)利要求24所述的儀器，其中所述EEG電極將模擬信號(hào)提供 到所述信號(hào)處理部件。
26. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的儀器，其中所述數(shù)據(jù)輸出部件包 括至少一個(gè)傳輸部件。
27. 如權(quán)利要求26所述的儀器，其中所述數(shù)據(jù)輸出部件包括無線傳輸。
28. 如權(quán)利要求27所述的儀器，其中所述數(shù)據(jù)輸出部件包括模擬無 線傳輸部件。
29. 如權(quán)利要求24到28中任一項(xiàng)所述的儀器，其中所述儀器可安裝 在佩戴者的頭部。
30. —種EEG監(jiān)視系統(tǒng)，其包括如權(quán)利要求1到28中任一項(xiàng)所述的 儀器和布置為從數(shù)據(jù)輸出部件接收數(shù)據(jù)輸出信號(hào)的基站。
31. —種獲得EEG數(shù)據(jù)的方法，其包括在數(shù)據(jù)處理部件從多個(gè)電極中 的每個(gè)電極接收EEG信號(hào)，將所述EEG信號(hào)實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換為表示特定特征 的簡化的數(shù)據(jù)集，以及將所述簡化的數(shù)據(jù)集提供給數(shù)據(jù)輸出部件。
32. 如權(quán)利要求31所述的方法，其進(jìn)一步包括將所述簡化的數(shù)據(jù)集 從所述數(shù)據(jù)輸出部件傳輸?shù)交尽?br>
33. 如權(quán)利要求31或32所述的方法，其進(jìn)一步包括識(shí)別表示發(fā)作或 認(rèn)知狀況發(fā)生的EEG信號(hào)，并提供發(fā)作或認(rèn)知狀況發(fā)生的警告和/或激勵(lì) 發(fā)作預(yù)防步驟。
34. —種模擬斬波器放大器，其順序地包括輸入斬波器開關(guān)電路級(jí)、 放大器級(jí)和輸出斬波器開關(guān)電路級(jí)，其中所述輸入斬波器開關(guān)電路級(jí)的有 效電阻和輸入電容以及所述放大器級(jí)的輸入電容被設(shè)計(jì)為構(gòu)成高通濾波 哭-口 o
35. 如權(quán)利要求34所述的放大器，其中所述放大器級(jí)包括處于弱反 轉(zhuǎn)的CMOS部件。
36. —種電壓偏移移除部件，其包括如權(quán)利要求34或35所述的放大器。
37. —種儀器或方法，所述儀器或方法實(shí)質(zhì)上如這里參考附圖的描述。
全文摘要
一種用于獲得EEG數(shù)據(jù)的儀器包括用于從多個(gè)電極中的每個(gè)電極接收EEG信號(hào)的信號(hào)處理部件和數(shù)據(jù)輸出部件。信號(hào)處理部件被布置為將各自的EEG信號(hào)實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換為簡化的數(shù)據(jù)集，并將該簡化的數(shù)據(jù)集提供給數(shù)據(jù)輸出部件。
文檔編號(hào)A61B5/00GK101553166SQ200780034760
公開日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2007年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月3日
發(fā)明者以斯帖-奧利維亞·羅德里格茲-維勒加斯, 大衛(wèi)-克里斯多佛·葉提斯 申請(qǐng)人:帝國創(chuàng)新有限公司