一種微型可穿戴式腦電采集器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及腦電采集器領(lǐng)域，尤其涉及一種微型可穿戴式腦電采集器。
【背景技術(shù)】
[0002]在任何生物的生命活動(dòng)過(guò)程中，其體內(nèi)細(xì)胞、組織和器官都會(huì)發(fā)生電位變化，這種現(xiàn)象即所謂的生物電現(xiàn)象。生物電是生命活動(dòng)最基本的特征之一。人在安靜狀態(tài)下或是受到外界聲、光等刺激時(shí)，大腦皮層都會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的、有節(jié)律性的電位變化，通過(guò)在大腦皮層或頭皮上放置電極可采集到電位隨時(shí)間變化的波形，將其提取出來(lái)并加以放大、記錄即得到腦電圖(Electroencephalogram, EEG)。EEG是人體對(duì)體內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)(如離子交換、新陳代謝等)的綜合反映，其中包含著人的各種形式的思維狀態(tài)信息和大量生理信息，被廣泛應(yīng)用于心理學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究。
[0003]腦電信號(hào)的采集需要專用的采集系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，采集到的信號(hào)的質(zhì)量直接關(guān)系到結(jié)果的準(zhǔn)確性和研究的可靠性。但是，腦電信號(hào)具有信號(hào)微弱、頻率范圍低、隨機(jī)性強(qiáng)、背景噪聲強(qiáng)而且容易受到干擾等特點(diǎn)，這就對(duì)信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了很高的技術(shù)要求。
[0004]—個(gè)完整的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)通常包含三部分，即信號(hào)采集部分、信號(hào)處理部分以及記錄與顯示部分。信號(hào)采集部分通常采用電極來(lái)實(shí)現(xiàn)，電極實(shí)質(zhì)是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置，將腦皮層內(nèi)靠離子傳導(dǎo)的電流，轉(zhuǎn)換成電路中靠電子傳導(dǎo)的電流并傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)中。信號(hào)處理部分主要對(duì)通過(guò)電極獲取到的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、模一數(shù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)等加工處理，以便于后期對(duì)信號(hào)的分析、識(shí)別和研究。這個(gè)部分對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能起著關(guān)鍵性作用。記錄與顯示部分的主要作用是將采集結(jié)果以一定形式顯示出來(lái)，并按需要記錄下來(lái)以供后期研究分析。記錄與顯示的方式多種多樣，而且應(yīng)具備良好的人機(jī)交互界面和適宜性能。
[0005]目前常用的幾款腦電采集器都存在著各自或多或少的不足:
[0006]1、美國(guó)Neuroscan公司的Quik_Cap電極帽與放大器之間使用導(dǎo)線連接，便攜性差，會(huì)限制受試者自由活動(dòng)，而且實(shí)驗(yàn)前后還分別需要注射、清洗導(dǎo)電膏，使用起來(lái)極不方便。
[0007]2、Emotiv Systems (美國(guó)加州舊金山的神經(jīng)科技公司)和NeuroSky (神念科技公司)設(shè)計(jì)的腦電采集設(shè)備采用了可穿戴技術(shù)，在便攜性上有很大改善，但是價(jià)格昂貴，例如一套Emotiv EP0C+就需要499美元，而且Neuro Sky的設(shè)備不能滿足多通道采集的要求。
[0008]只有對(duì)腦電信號(hào)采集器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)才能使腦電信號(hào)采集過(guò)程簡(jiǎn)單化、方便化，進(jìn)而深入對(duì)腦電信號(hào)的研究和應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供了一種微型可穿戴式腦電采集器，本發(fā)明通過(guò)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，彌補(bǔ)以往采集裝置的不足，提高便攜性和可操作性，詳見下文描述:
[0010]一種微型可穿戴式腦電采集器，所述腦電采集器包括:采集電極、控制裝置和電源電路，所述控制裝置通過(guò)藍(lán)牙模塊與外部的上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；所述控制裝置由預(yù)處理電路、采集前端與控制器組成；
[0011]所述采集前端與所述控制器之間采用SPI通訊；所述控制器與所述上位機(jī)之間采用藍(lán)牙通訊；
[0012]EEG信號(hào)通過(guò)所述采集電極傳輸至所述預(yù)處理電路、及采集前端，實(shí)現(xiàn)EEG信號(hào)的濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，再借助SPI接口將預(yù)處理后的EEG信號(hào)傳送至所述控制器；
[0013]所述控制器內(nèi)置的微控制器對(duì)預(yù)處理后的EEG信號(hào)進(jìn)行處理，并通過(guò)藍(lán)牙模塊將處理后的數(shù)據(jù)傳送至所述上位機(jī)。
[0014]所述預(yù)處理電路用于抗混疊低通濾波；所述預(yù)處理電路采用電阻排和電容排實(shí)現(xiàn)，每個(gè)單一通道中電容和電阻構(gòu)成低通濾波器。
[0015]所述電源電路中的模擬電路、數(shù)字電路獨(dú)立供電，模擬地和數(shù)字地分開；
[0016]在數(shù)字電源與模擬電源、以及數(shù)字地與模擬地之間加磁珠構(gòu)成無(wú)源濾波電路。
[0017]其中，所述采集前端與所述控制器之間采用SPI通訊具體為:
[0018]在SPI模式下，所述控制器作為通信中的主機(jī)，所述采集前端作為從機(jī)，通過(guò)4線接口通信。
[0019]其中，所述采集前端為ADS1299芯片；所述控制器為CC2541芯片。
[0020]本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是:本發(fā)明提供的腦電采集器降低了整體的功耗和成本，實(shí)現(xiàn)微型可穿戴式、多通道腦電信號(hào)的采集。在保證信號(hào)分辨率的前提下，極大地提高了通用性能，更加符合用戶實(shí)際的使用需求；當(dāng)該腦電采集器基于ADS1299和CC2541芯片時(shí)，該腦電信號(hào)采集器還降低了生產(chǎn)制造成本。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為微型可穿戴式腦電采集器的設(shè)計(jì)流程圖；
[0022]圖2為微型可穿戴式腦電采集器的功能框圖；
[0023]圖3為預(yù)處理電路原理圖；
[0024]圖4為SPI通訊相應(yīng)管腳連接圖；
[0025]圖5為巴倫匹配電路原理圖；
[0026]圖6為PCB天線示意圖；
[0027]圖7為晶振電路原理圖；
[0028]圖8為電源電路原理圖；
[0029]圖9為微型可穿戴式腦電采集器軟件設(shè)計(jì)示意圖；
[0030]圖10為ADS1299系統(tǒng)采集腦電信號(hào)及頻譜圖；
[0031]其中，(a)為腦電信號(hào)示意圖；(b)為頻譜圖。
[0032]圖11為Neuroscan采集腦電信號(hào)及頻譜圖。
[0033]其中，(a)為腦電信號(hào)示意圖；(b)為頻譜圖。
[0034]附圖中，各標(biāo)號(hào)所代表的部件列表如下:
[0035]1:采集電極； 2:控制裝置；
[0036]3:電源電路； 4:上位機(jī)；
[0037]21:預(yù)處理電路；22:采集前端；
[0038]23:控制器。
【具體實(shí)施方式】
[0039]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0040]實(shí)施例1
[0041]—種微型可穿戴式腦電采集器，參見圖1，該腦電采集器包括:采集電極1、控制裝置2和電源電路3，控制裝置2通過(guò)藍(lán)牙模塊與外部的上位機(jī)4實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。該腦電采集器主體設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。
[0042]1、硬件設(shè)計(jì)包括:由預(yù)處理電路21、采集前端22與控制器23組成的控制裝置2。
[0043]其中，采集前端22以ADS1299例，控制器23以CC2541為例進(jìn)行說(shuō)明。
[0044]2、軟件設(shè)計(jì)包括:采集前端22與控制器23之間的SPI通訊設(shè)計(jì)；以及控制器23與上位機(jī)4之間的藍(lán)牙通訊設(shè)計(jì)。即ADS1299與CC2541之間的SPI通訊程序、CC2541與上位機(jī)4之間的藍(lán)牙通訊程序。
[0045]具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，EEG信號(hào)通過(guò)采集電極1傳輸至預(yù)處理電路21、采集前端22(ADS1299)，實(shí)現(xiàn)EEG信號(hào)的濾波、放大和模一數(shù)轉(zhuǎn)換，再借助SPI接口將預(yù)處理后的EEG信號(hào)傳送至控制器23(CC2541)，控制器23內(nèi)置的微控制器對(duì)預(yù)處理后的EEG信號(hào)進(jìn)行處理并通過(guò)藍(lán)牙模塊，將處理后的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)4。
[0046]其中，ADS1299具有轉(zhuǎn)換速率快、分辨率高、功耗低、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，以其便攜性、緊湊性、低功耗性被用來(lái)專門進(jìn)行腦電信號(hào)采集。CC2541是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，它采用最新的藍(lán)牙4.0技術(shù)，具有較快的運(yùn)算速度、數(shù)據(jù)傳輸速率以及豐富的片內(nèi)片外資源。ADS1299和CC2541的結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)腦電信號(hào)的采集、模一數(shù)轉(zhuǎn)換以及無(wú)線傳輸。
[0047]具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，該腦電采集器也可以采用其他型號(hào)的芯片實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不做限制。
[0048]綜上所述，該腦電采集器具有體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多通道采集以及數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，為研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微型化、可穿戴化腦電采集設(shè)備奠定了良好的基礎(chǔ)。
[0049]實(shí)施例2
[0050]下面結(jié)合具體的附圖，對(duì)實(shí)施例1中的方案進(jìn)行詳細(xì)描述，詳見下文:
[0051]一、硬件設(shè)計(jì)
[0052]硬件電路設(shè)計(jì)主要以TI (美國(guó)德州儀器)公司的ADS1299和CC2541兩款集成芯片為核心展開，只需要增加簡(jiǎn)單的外圍電路，即可完成對(duì)腦電信號(hào)的濾波、放大、模一數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線傳輸。電路是在Altium Designer環(huán)境下設(shè)計(jì)的。
[0053]圖2所示是采集器的功能框圖，主要有采集電極1、控制裝置2 (預(yù)處理電路21、ADS1299芯片、CC2541芯片)和電源電路3。
[0054]采集電極1采用的是盤狀電極，盤狀電極是目前國(guó)內(nèi)外腦電圖描記工作中較為理想的頭皮電極，具有對(duì)受檢查者無(wú)損傷，檢查中無(wú)痛苦，操作過(guò)程不會(huì)引起患者之間的相互交叉感染及易使嬰幼兒所接受等優(yōu)點(diǎn)。
[0055]參見圖3，預(yù)處理電路21主要用于抗混疊低通濾波。根據(jù)“奈奎斯特采樣定律”，在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行離散化時(shí)，采樣頻率f2至少應(yīng)2倍于被分析信號(hào)的最高頻率Π，即f2 ^ 2*fl，否則可能出現(xiàn)因采樣頻率不夠高，模擬信號(hào)中的高頻信號(hào)折疊到低頻段，出現(xiàn)虛假頻率成分的現(xiàn)象即混疊。
[0056]所以ADS1299芯片的每一信號(hào)通道前增加一個(gè)抗混疊低通濾波電路。另外出于對(duì)整體體積、功耗和成本等方面的考慮，本發(fā)明實(shí)施例使用的是電阻排和電容排，其中電阻排采用的是松下排阻系列EXB2HV223JV，即圖3中的Resl和Res2，電容排采用松下EZANPE470M，即圖3中的Capl和Cap2。每個(gè)單一通道中電容和電阻構(gòu)成低通濾波器。
[0057]ADS1299芯片主要作用是實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的放大和模一數(shù)轉(zhuǎn)換，其包含8個(gè)低噪聲可編程增益放大器(PGA)和8個(gè)高分辨率同步采樣模一數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其中PGA可以設(shè)置為1，2，4，6，8，12或24，ADC的模一數(shù)轉(zhuǎn)換速率介于250SPS_16k SPS之間，不超過(guò)8k SPS時(shí)其精度高達(dá)24位。本發(fā)明實(shí)施例采用單級(jí)電源供電