本發(fā)明屬于集成電路領(lǐng)域，特別涉及一種檢測腦電信號的干電極系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，在臨床上，EEG(腦電信號)已經(jīng)用于癲癇、腦外傷、腦血管疾病、顱內(nèi)炎癥及睡眠障礙等神經(jīng)性疾病的診治中，此外在精神分裂、抑郁、躁狂等精神疾病的輔助診療中。隨著醫(yī)學(xué)神經(jīng)科學(xué)認(rèn)知心理學(xué)和人工智能研究的深入發(fā)展，EEG檢測分析正在被越來越多地應(yīng)用到功能康復(fù)、神經(jīng)生物學(xué)研究及腦科學(xué)研究等領(lǐng)域。腦電檢測歷史悠久，但由于腦電信號本身、被測對象以及測量環(huán)境等因素的特殊性，仍然是棘手的難題。首先，腦電信號幅值十分微小，輸出阻抗卻很高，并含有接近直流的低頻成分；第二，EEG信號信噪比低，易受工頻信號、肌電信號及環(huán)境噪聲的影響；第三，腦電檢測必須考慮被測者的生理自然性和保證操作安全性等。目前，腦電采集通常采用濕電極，被試者在進(jìn)行腦電采集前，必須涂抹導(dǎo)電介質(zhì)以降低角質(zhì)層的超高阻抗，使放大器可以正常工作，但該過程需要在外人輔助下進(jìn)行，時(shí)間花費(fèi)較長。另外，傳統(tǒng)腦電采集系統(tǒng)普遍采用有線腦電放大儀器，受環(huán)境制約較大，一般只能在特定場合進(jìn)行腦電采集。對于需要EEG檢測的患者，需要到醫(yī)院腦電檢測的科室專門檢測，同時(shí)由于腦電信號的非周期性，EEG中病理信號隨機(jī)出現(xiàn)，因此為了獲得準(zhǔn)確的診斷結(jié)果，需要進(jìn)行較長時(shí)間的EEG檢測，這給患者造成了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)、時(shí)間損失，同時(shí)漫長的就診流程也為醫(yī)院的門診帶來巨大的負(fù)荷。目前常規(guī)腦電干電極接觸電阻大，易受環(huán)境干擾的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的目的在于提供一種檢測腦電信號的干電極系統(tǒng)，旨在解決上述的至少一項(xiàng)技術(shù)問題。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提供了一種檢測腦電信號的干電極系統(tǒng)，包括：

信號采集模塊，用于采集并輸出原始腦電信號；

前置放大模塊，用于放大所述原始腦電信號，并輸出腦電放大信號；

電源模塊，用于為前置放大模塊供電，并將腦電放大信號輸出至外界。

優(yōu)選地，所述信號采集模塊包含至少一個(gè)彈簧探針，每個(gè)彈簧探針內(nèi)部設(shè)置有一個(gè)彈簧。

優(yōu)選地，所述彈簧探針的探針頭的直徑為1-2mm，長度為10-20cm。

優(yōu)選地，所述前置放大模塊包括：第一電路板和連接插座，

連接插座，位于第一電路板的一個(gè)面上，用于連接電源模塊；

第一電路板，通過位于其另一面上的探針孔與所述信號采集模塊連接，用于放大所述原始腦電信號。

優(yōu)選地，所述第一電路板包括運(yùn)放AD620，放大倍數(shù)為10-100倍。

優(yōu)選地，所述電源模塊包括：連接插針、外接插座和第二電路板，

連接插針，位于第二電路板的一個(gè)面上，用于連接所述放大模塊的連接插座；

外接插座，位于第二電路板的另一個(gè)面上，用于連接外界儀器；

第二電路板，通過所述連接插座和連接插針與所述第一電路板連接。

優(yōu)選地，所述電源模塊包含實(shí)現(xiàn)電壓反轉(zhuǎn)的電壓變換器。

(三)有益效果

本發(fā)明相較于現(xiàn)有技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、腦電信號極為微弱，為微伏級信號，檢測過程中易受到環(huán)境干擾，因此采用前置放大器，微弱腦電信號經(jīng)過前置放大后進(jìn)行傳輸，可以最大限度的減小干擾，提高檢測準(zhǔn)確度。

2、采用雙層電路板，結(jié)合金屬探針形成封閉的法拉第籠，放大電路位于籠中，可以減小環(huán)境電磁信號對腦電信號的干擾。

3、干電極接觸電阻遠(yuǎn)大于濕電極，本發(fā)明采用了具有高輸入阻抗高共模抑制比的放大器使得本發(fā)明能夠精確地感知腦電細(xì)微的變化，滿足干電極檢測的需求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的前置放大模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的前置放大模塊的運(yùn)放電路圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的電源模塊示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的電源模塊的電壓變換器電路圖；

圖6為本發(fā)明的電路原理圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例的干電極的總體效果示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

腦的發(fā)育和衰老、學(xué)習(xí)與記憶、高級認(rèn)知功能與人類密切相關(guān)，了解腦的結(jié)構(gòu)和功能是對人類認(rèn)識世界、認(rèn)識自我的最終挑戰(zhàn)，腦研究被認(rèn)為是當(dāng)今最令人興奮的研究領(lǐng)域、制高點(diǎn)和最活躍的前沿之一，不僅具有重大理論意義，而且對提高國民的健康水平、生活質(zhì)量、創(chuàng)新能力、心理和精神狀態(tài)都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。腦認(rèn)知的關(guān)鍵是腦神經(jīng)信息的檢測。頭皮腦電信號(EEG)是大腦皮層神經(jīng)細(xì)胞集群自發(fā)電活動(dòng)傳遞至頭皮上的皮層電位，EEG信號的檢測分析對腦功能的研究、神經(jīng)性疾病診療及功能恢復(fù)和腦機(jī)接口都十分有意義。

針對已有腦電信號檢測的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種檢測腦電信號的干電極系統(tǒng)。圖1為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)示意圖，如圖1所示，所述檢測腦電信號的干電極系統(tǒng)包括：信號采集模塊、前置放大模塊和電源模塊。

所述信號采集模塊，用于采集并輸出原始腦電信號，可以采用微針技術(shù)，通過穿越角質(zhì)層采集得到腦電信號；超高輸入的阻抗放大器；彈簧探針，通過探頭和頭皮緊密接觸，采集腦電信號。影響腦電信號采集的主要因素有頭發(fā)、頭皮分泌物，以及信號采集模塊與頭皮的接觸狀態(tài)及兩者之間較大的阻抗。本發(fā)明實(shí)施例中采用了彈簧探針作為信號采集模塊，所述信號采集模塊包含至少一個(gè)彈簧探針，每個(gè)彈簧探針內(nèi)部設(shè)置有一個(gè)小型彈簧，使得探針具有彈性。彈簧探針的探針頭的直徑尺寸選為1-2mm，長度10-20cm。彈簧探針可以保證探針穿過頭發(fā)接觸到頭皮，同時(shí)其大小不會(huì)刺穿頭皮毛引起疼痛感。彈簧的應(yīng)力可以選擇，保證足夠大以確保探針能夠和腦頭皮緊密接觸，同時(shí)需要防止過大以至于造成皮膚表面的損傷。

所述前置放大模塊用于降低噪聲干擾，其原始信號輸入端與彈簧探針相連，對原始腦電信號進(jìn)行放大，并輸出腦電放大信號。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的前置放大模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，前置放大模塊包括第一電路板和四個(gè)連接插座，連接插座位于第一電路板的一個(gè)面上，用于和電源轉(zhuǎn)接模塊進(jìn)行通訊，4個(gè)接口分別傳輸GND、負(fù)電壓、正電壓和放大腦電信號。

第一電路板通過位于其另一面上的探針孔與所述信號采集模塊連接，其中，所述探針孔用于放置彈簧探針，主要實(shí)現(xiàn)原始腦電信號放大，由于前置放大器的噪聲水平在很大程度上決定的整個(gè)系統(tǒng)的噪聲水平，因此在設(shè)計(jì)前置放大器的時(shí)候，放大器的輸入噪聲就成了首要的考慮因素；同時(shí)，前置放大器應(yīng)該能夠無損的獲取微電極中的信號，因此需要前置放大器具有高輸入阻抗高共模抑制比，使得其輸入阻抗遠(yuǎn)大于傳感器的輸出阻抗，因此選擇等效輸入電壓噪聲低輸入阻抗大的運(yùn)放AD620。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的前置放大模塊的運(yùn)放電路圖，核心芯片為AD620。AD620是一種低功耗差分儀表放大器，輸入的原始腦電信號和GND信號進(jìn)行差分放大，獲得放大腦電信號。電路如圖3所示，運(yùn)放AD620的引腳3即輸入端接收原始腦電信號，提供引腳6即輸出端輸出放大腦電信號。引腳1通過電阻R與引腳8連接，前置放大模塊的放大倍數(shù)由R調(diào)節(jié)，強(qiáng)制放大倍數(shù)可以為10-100倍。運(yùn)放的引腳2連接電源模塊的地電壓，引腳7接電源模塊的正電壓，引腳4接電源模塊的負(fù)電壓，三者為芯片工作提供能源。同時(shí)引腳5懸空。

所述電源模塊的正電壓輸入端與外界相連，正電壓輸出端和負(fù)電壓輸出端和前置放大模塊相連，用于將外界輸入的單向直流電壓轉(zhuǎn)換為正負(fù)電壓，為前置放大模塊供電，同時(shí)將收到的前置放大器輸出的腦電放大信號提供外部轉(zhuǎn)接口輸出至外界。其中電源模塊中的電壓變換器MAX860，可以實(shí)現(xiàn)電壓反轉(zhuǎn)，輸出負(fù)電壓。圖4為本發(fā)明實(shí)施例的電源模塊示意圖，如圖4所示，電源模塊包括：連接插針、外接插針和第二電路板。連接插針，位于第二電路板的一個(gè)面上，用于連接所述放大模塊的連接插座，其中連接插針有4個(gè)，與前置放大模塊的連接插座配合，作用是傳輸數(shù)據(jù)和固定；外接插座，位于第二電路板的另一個(gè)面上，用于連接外界儀器；第二電路板，通過所述連接插座和連接插針與所述第一電路板連接，與所述第一電路板、信號采集模塊形成封閉法拉第籠。第二電路板中的電壓變換器，實(shí)現(xiàn)電壓的反轉(zhuǎn)，將外界輸入的單向直流電流轉(zhuǎn)換成正負(fù)電壓。其中，外接插座有3個(gè)插針負(fù)責(zé)和外界儀器進(jìn)行連接，包括GND、正電壓和放大腦電信號三個(gè)通路。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的電源模塊的電壓變換器電路圖，如圖5所示，其核心芯片為MAX860，MAX860是一種低噪聲、直流電轉(zhuǎn)換芯片，可以將輸入的正電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)電壓。本發(fā)明中MAX860將輸入的正電壓轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的負(fù)電壓，然后將原始輸入的正電壓、轉(zhuǎn)換后的負(fù)電壓及GND作為輸出與前置放大模塊相連，為前置放大模塊提供能源。同時(shí)前置放大模塊輸出的放大腦電信號通過電壓變換器輸出給外界。

圖6為本發(fā)明的電路原理圖，如圖6所示，彈簧探針將采集到的原始腦電信號輸出至前置放大模塊，前置放大模塊將原始腦電信號放大后輸出腦電放大信號至電源模塊，電源模塊輸出接收到的腦電放大信號至外界。同時(shí)外界輸出正電壓和地電壓至電源模塊，電源模塊將單向直流電壓轉(zhuǎn)換成正、負(fù)電壓，將正、負(fù)電壓和地電壓輸出至前置放大模塊以供電。

通過以下步驟制備干電極：

步驟1、設(shè)計(jì)制備前置放大模塊的第一電路板和電源轉(zhuǎn)接模塊電路板，其中第一電路板采用高性能高阻抗PCB材料，GND和原始腦電信號走線保持平行，長度基本一致。

步驟2、將電阻電容、芯片和連接部件(連接插針、連接插座和外接插座等)等電子元器件組裝到PCB板上，完成前置放大模塊和電源模塊的構(gòu)建。

步驟3、將前置放大模塊和電源轉(zhuǎn)接模塊通過連接插針、連接插座進(jìn)行組裝，將彈簧探針插入預(yù)留的探針孔，焊好，完成干電極的制備。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例的干電極的總體效果示意圖，如圖7所示，彈簧探針通過探針孔連接到前置放大模塊的第一電路板上，前置放大模塊通過連接插針、連接插座與電源模塊的第二電路板連接，電源模塊通過外接插座與外界連接。同時(shí)，第一電路板、第二電路板和金屬探針形成封閉的法拉第籠，前置放大電路位于籠中，可以減小環(huán)境電磁信號對腦電信號的干擾。

以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。