本發(fā)明屬于生物信息技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種腦電信號(hào)采集系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

腦電信號(hào)是人腦神經(jīng)認(rèn)知過(guò)程的一種實(shí)時(shí)反映，而且獲取EEG信號(hào)時(shí)對(duì)人體沒(méi)有任何創(chuàng)傷性損害，因此腦電信號(hào)是研究大腦各種功能活動(dòng)的最常用信號(hào)。其中將腦電信號(hào)應(yīng)用到腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制，解決殘障人士無(wú)法正?；顒?dòng)等問(wèn)題，是當(dāng)前應(yīng)用研究的一個(gè)熱點(diǎn)。但由于電極、信號(hào)采集設(shè)備體積、功耗的限制，導(dǎo)致該方面的研究大多停留在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。

腦電信號(hào)幅度非常微弱，而且容易受到外界干擾，因此對(duì)信號(hào)采集電路的性能要求很高。目前，市場(chǎng)上有很多腦電信號(hào)采集設(shè)備能夠有效的采集腦電信號(hào)。但這些設(shè)備為了有效的抑制信號(hào)中包含的噪聲，獲得高信噪比的腦電信號(hào)，通常需要復(fù)雜的硬件電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波等處理，導(dǎo)致這些設(shè)備通常體積較大，只能應(yīng)用到科學(xué)研究或者臨床診斷等不需要隨身攜帶設(shè)備的領(lǐng)域。雖然市場(chǎng)上也一些可穿戴腦電信號(hào)采集設(shè)備，但此類設(shè)備是通過(guò)降低電路性能，換取設(shè)備體積的減小，所以將采集的低信噪比信號(hào)應(yīng)用到腦機(jī)接口中。此外，由于當(dāng)前主流的信號(hào)采集電極為濕電極(如Ag/AgCl電極)，該類電極需要配合使用電極膏，以便降低電極與人腦頭皮接觸阻抗，這就限制了腦機(jī)接口技術(shù)在實(shí)際生活中的應(yīng)用。雖然干電極無(wú)需使用電極膏，能夠即帶即用，但干電極本身噪聲較大，且電極與人腦頭皮接觸阻抗較大，因此采用當(dāng)前的采集設(shè)備無(wú)法采集高信噪比的腦電信號(hào)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的是：為了解決現(xiàn)有技術(shù)中在信號(hào)采集過(guò)程中干電極噪聲較大、電極與人腦頭皮接觸阻抗過(guò)高，無(wú)法在實(shí)際應(yīng)用中使用的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種具有高共模抑制比的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種腦電信號(hào)采集系統(tǒng)，包括：

腦電信號(hào)采集電極，用于采集人體的腦電信號(hào)，并將采集得到的腦電信號(hào)傳輸至腦電信號(hào)處理電路；

腦電信號(hào)處理電路，用于接收所述腦電信號(hào)采集電極采集的腦電信號(hào)并進(jìn)行處理，將處理后的腦電信號(hào)傳輸至無(wú)線信號(hào)傳輸模塊；所述腦電信號(hào)處理電路包括模擬電路和數(shù)字電路；所述模擬電路用于放大腦電信號(hào)并抑制腦電信號(hào)中的噪聲信號(hào)及直流偏移量；所述數(shù)字電路用于將腦電信號(hào)由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；

無(wú)線信號(hào)傳輸模塊，用于接收所述腦電信號(hào)處理電路處理后的腦電信號(hào)，并將處理后的腦電信號(hào)無(wú)線傳輸至腦電信號(hào)接收模塊；

腦電信號(hào)接收模塊，用于接收所述無(wú)線信號(hào)傳輸模塊無(wú)線傳輸?shù)哪X電信號(hào)，將腦電信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。

進(jìn)一步地，所述腦電信號(hào)采集電極包括主動(dòng)電極和參考電極；所述主動(dòng)電極設(shè)置于大腦頭皮，所述參考電極設(shè)置于耳部。

進(jìn)一步地，所述腦電信號(hào)處理電路的模擬電路包括射隨器、儀用運(yùn)算放大器、抗混疊濾波器、直流偏移量抑制單元；所述射隨器的輸入端與腦電信號(hào)采集電極連接，輸出端與儀用運(yùn)算放大器的輸入端連接；所述抗混疊濾波器的輸入端與所述儀用運(yùn)算放大器的輸出端連接，輸出端與所述無(wú)線信號(hào)傳輸模塊連接；所述直流偏移量抑制單元的輸入端與所述儀用運(yùn)算放大器的輸出端連接，輸出端與所述儀用運(yùn)算放大器的參考端連接。

進(jìn)一步地，所述腦電信號(hào)采集電極還包括右腿驅(qū)動(dòng)電極，所述右腿驅(qū)動(dòng)電極設(shè)置于前額。

進(jìn)一步地，所述腦電信號(hào)處理電路的模擬電路還包括右腿驅(qū)動(dòng)單元；所述右腿驅(qū)動(dòng)單元的輸入端與所述儀用運(yùn)算放大器的共模信號(hào)端連接，輸出端與所述右腿驅(qū)動(dòng)電極連接。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)采用腦電信號(hào)采集電極采集腦電信號(hào)，利用腦電信號(hào)處理電路對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行放大、抑制噪聲信號(hào)及直流偏移量和模數(shù)轉(zhuǎn)換，再利用無(wú)線信號(hào)傳輸模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸，由腦電信號(hào)接收模塊進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示，完成腦電信號(hào)采集，具有功耗低、性能高、共模抑制比高、輸入阻抗高的優(yōu)點(diǎn)，能夠利用干電極采集腦電信號(hào)，在腦機(jī)接口、家庭監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的腦電信號(hào)處理電路的模擬電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明中前置放大電路輸入等效示意圖。

圖4是本發(fā)明中前置放大電路輸入等效簡(jiǎn)化示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，為本發(fā)明的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。一種腦電信號(hào)采集系統(tǒng)，包括：

腦電信號(hào)采集電極，用于采集人體的腦電信號(hào)，并將采集得到的腦電信號(hào)傳輸至腦電信號(hào)處理電路；

腦電信號(hào)處理電路，用于接收所述腦電信號(hào)采集電極采集的腦電信號(hào)并進(jìn)行處理，將處理后的腦電信號(hào)傳輸至無(wú)線信號(hào)傳輸模塊；所述腦電信號(hào)處理電路包括模擬電路和數(shù)字電路；所述模擬電路用于放大腦電信號(hào)并抑制腦電信號(hào)中的噪聲信號(hào)及直流偏移量；所述數(shù)字電路用于將腦電信號(hào)由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；

無(wú)線信號(hào)傳輸模塊，用于接收所述腦電信號(hào)處理電路處理后的腦電信號(hào)，并將處理后的腦電信號(hào)無(wú)線傳輸至腦電信號(hào)接收模塊；

腦電信號(hào)接收模塊，用于接收所述無(wú)線信號(hào)傳輸模塊無(wú)線傳輸?shù)哪X電信號(hào)，將腦電信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。

本發(fā)明的腦電信號(hào)采集電極包括主動(dòng)電極和參考電極；所述主動(dòng)電極設(shè)置于人腦的大腦頭皮，其決定了腦電信號(hào)采集電路的導(dǎo)聯(lián)數(shù)，根據(jù)國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)“10-20導(dǎo)系統(tǒng)”的安置方法進(jìn)行設(shè)置。所述參考電極設(shè)置于人腦的耳部，即左耳或者右耳。特別的，本發(fā)明的腦電信號(hào)采集電極還包括右腿驅(qū)動(dòng)電極，所述右腿驅(qū)動(dòng)電極設(shè)置于人腦的前額。本發(fā)明的腦電信號(hào)采集電極可以采用濕電極和干電極兩種方式，根據(jù)不同的實(shí)際的需求可以選擇不同的腦電信號(hào)采集電極，例如進(jìn)行腦科學(xué)研究時(shí)，可以選擇濕電極，以便獲得質(zhì)量更高的腦電信號(hào)，在實(shí)際應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)即帶即用，則需要選擇干電極。腦電信號(hào)采集電極采集人體的腦電信號(hào)后將采集得到的腦電信號(hào)傳輸至腦電信號(hào)處理電路的輸入端。

本發(fā)明的腦電信號(hào)處理電路包括模擬電路和數(shù)字電路；所述模擬電路用于放大腦電信號(hào)并抑制腦電信號(hào)中的噪聲信號(hào)及直流偏移量，這里抑制腦電信號(hào)中的噪聲信號(hào)包括抑制共模噪聲和高頻噪聲；所述數(shù)字電路用于利用微控制器控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器將腦電信號(hào)由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。如圖2所示，為本發(fā)明的腦電信號(hào)處理電路的模擬電路結(jié)構(gòu)示意圖。腦電信號(hào)處理電路的模擬電路包括射隨器、儀用運(yùn)算放大器、抗混疊濾波器、直流偏移量抑制單元；所述射隨器用于接收所述腦電信號(hào)采集電極采集的腦電信號(hào)，對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行緩沖后傳輸至儀用運(yùn)算放大器，該功能可以采用高輸入阻抗、低噪聲的基本運(yùn)算放大器構(gòu)成，具體例如AD8639運(yùn)算放大器；所述儀用運(yùn)算放大器用于對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行放大和共模噪聲的抑制，并將腦電信號(hào)傳輸至抗混疊濾波器；所述抗混疊濾波器用于對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行濾波，抑制腦電信號(hào)中的高頻噪聲，輸出處理后的腦電信號(hào)至無(wú)線信號(hào)傳輸模塊；所述直流偏移量抑制單元用于獲取儀用運(yùn)算放大器輸出端的信號(hào)，提取信號(hào)中的直流成份，然后反饋至儀用運(yùn)算放大器的參考端，該功能的實(shí)現(xiàn)可采用常用的積分器電路。特別的，本發(fā)明的腦電信號(hào)處理電路的模擬電路還包括右腿驅(qū)動(dòng)單元，所述右腿驅(qū)動(dòng)單元用于從儀用運(yùn)算放大器的共模信號(hào)端口提取共模噪聲，經(jīng)過(guò)放大后通過(guò)腦電信號(hào)采集電路的右腿驅(qū)動(dòng)電極反相疊加至人體，實(shí)現(xiàn)對(duì)共模噪聲的進(jìn)一步抑制。

本發(fā)明的腦電信號(hào)處理電路的連接方式具體為所述射隨器的輸入端與腦電信號(hào)采集電極連接，輸出端與儀用運(yùn)算放大器的輸入端連接；所述抗混疊濾波器的輸入端與所述儀用運(yùn)算放大器的輸出端連接，輸出端與所述無(wú)線信號(hào)傳輸模塊連接；所述直流偏移量抑制單元的輸入端與所述儀用運(yùn)算放大器的輸出端連接，輸出端與所述儀用運(yùn)算放大器的參考端連接；所述右腿驅(qū)動(dòng)單元的輸入端與所述儀用運(yùn)算放大器的共模信號(hào)端連接，輸出端與所述右腿驅(qū)動(dòng)電極連接。

本發(fā)明的無(wú)線信號(hào)傳輸模塊用于接收所述腦電信號(hào)處理電路處理后的腦電信號(hào)，并將處理后的腦電信號(hào)無(wú)線傳輸至腦電信號(hào)接收模塊，該功能的實(shí)現(xiàn)可以采用藍(lán)牙模塊或者wifi模塊。

本發(fā)明的腦電信號(hào)接收模塊用于接收所述無(wú)線信號(hào)傳輸模塊無(wú)線傳輸?shù)哪X電信號(hào)，將腦電信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示，該功能的實(shí)現(xiàn)可以采用PC機(jī)，或者手機(jī)、平板等手持設(shè)備。

為了進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)的有益效果進(jìn)行說(shuō)明，下面針對(duì)高輸入阻抗減少干電極與頭皮接觸阻抗進(jìn)行分析。

在腦電信號(hào)采集過(guò)程中，采用濕電極的方法，在接觸良好的情況下可以使得電極與頭皮的接觸阻抗在1KΩ以下。在傳統(tǒng)電路中，信號(hào)采集電路輸入阻抗為兆歐母級(jí)的，因此該阻抗值對(duì)腦電信號(hào)的信噪比影響較小。當(dāng)使用干電極時(shí)，電極與頭皮的接觸阻抗將達(dá)到幾十KΩ，甚至為兆歐母級(jí)，因此傳統(tǒng)信號(hào)采集電路無(wú)法有效采集腦電信號(hào)。因此，需要高輸入阻抗的信號(hào)采集電路，才具備使用干電極的條件。

如圖3所示，為本發(fā)明中前置放大電路輸入等效示意圖。假設(shè)腦電信號(hào)源內(nèi)阻、電極和頭皮之間的阻抗以及前置放大電路輸入阻抗的關(guān)系如圖3所示，其中U_S為腦電信號(hào)；R1、R4為人體內(nèi)電阻；R2、R5為電極與頭皮接觸電阻，電極與頭皮接觸狀態(tài)決定了阻值的大小，該值一般在數(shù)百歐姆至數(shù)百千歐姆之間；C1、C2為電極與頭皮之間的分布電容，其值一般在數(shù)皮法至數(shù)十皮法之間；R3、R6為信號(hào)線和放大器輸入保護(hù)電阻，通常小于30KΩ；C3、C4為信號(hào)線對(duì)地電容，長(zhǎng)1m的電纜線對(duì)地電容約為幾十皮法；Zi為前置放大電路輸入阻抗。

為了更直觀的分析前置放大電路輸入阻抗和外部阻抗的關(guān)系，可以進(jìn)一步將圖3簡(jiǎn)化，如圖4所示，為本發(fā)明中前置放大電路輸入等效示意圖。

根據(jù)圖3和圖4，設(shè)定如下關(guān)系式：

其中，Z1、Z2分別為簡(jiǎn)化后的輸入阻抗，ω為角速度。

設(shè)前置放大電路的差分增益為A_d，根據(jù)圖4可得：

其中，U_OUT為輸出信號(hào)，U_cm為共模信號(hào)，CMRR為共模抑制比。

根據(jù)公式(1)、公式(2)、公式(3)可知，當(dāng)前置放大電路的輸入阻抗遠(yuǎn)大于外部阻抗時(shí)，就可以減小外部阻抗對(duì)信號(hào)信噪比的影響。因此，本發(fā)明通過(guò)采用射隨器能夠獲得TΩ級(jí)的輸入阻抗。該輸入阻抗值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)電路輸入阻抗(通常為幾百兆歐母)，則可以忽略干電極與頭皮接觸阻抗對(duì)腦電信號(hào)的影響。

為了進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)的有益效果進(jìn)行說(shuō)明，下面針對(duì)直流偏移對(duì)電路性能的影響進(jìn)行分析。

在采集腦電信號(hào)的過(guò)程中，電極將會(huì)引入毫伏級(jí)的直流偏移電壓，因此傳統(tǒng)的電路中，儀用運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)A_d通常為k(十幾倍)，以避免儀用運(yùn)算放大器的飽和，這就造成了信號(hào)采集電路整體共模抑制比較低，從而無(wú)法有效抑制噪聲，使得信號(hào)信噪比較大。本項(xiàng)目采用直流偏移量抑制單元能夠?qū)崟r(shí)抑制儀用運(yùn)算放大器輸入端的直流偏移電壓，因此，可以設(shè)置儀用運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為A_d＝100k。根據(jù)共模抑制比的計(jì)算公式(4)可知，當(dāng)A_d的倍數(shù)增加時(shí)，可以提高共模抑制比，因此本發(fā)明的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)共模抑制比可以比傳統(tǒng)電路提高20dB以上。

其中，U_ic為共模信號(hào)輸入，U_oc為共模信號(hào)輸出。

本發(fā)明的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)采用腦電信號(hào)采集電極采集腦電信號(hào)，利用腦電信號(hào)處理電路對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行放大、抑制噪聲信號(hào)及直流偏移量和模數(shù)轉(zhuǎn)換，再利用無(wú)線信號(hào)傳輸模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸，由腦電信號(hào)接收模塊進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示，完成腦電信號(hào)采集，具有功耗低、性能高、共模抑制比高、輸入阻抗高的優(yōu)點(diǎn)，能夠利用干電極采集腦電信號(hào)，在腦機(jī)接口、家庭監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。