CN103519807B - 脑电采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脑电采集装置，具体包括：N通道脑电采集电极、脑电信号采集器、传输模块和数据接收模块，本发明的脑电采集装置采用N通道脑电采集电极将获取到的脑电信号送入高阻抗前置缓冲级，然后脑电信号经高精度脑电采集转换模块转换为数字信号，并被送入数字信号处理器，再根据具体需要将处理后的信号传输到数据接收模块。本发明具体使用24位高精度的模数转换芯片直接获取脑部相关位置的信号，并将与所对应通道转换的数字信号相减，消除了共模干扰、器件噪声以及其它相关的背景噪声，得到的信号基本为纯净的脑电信号。

Description

脑电采集装置

技术领域

本发明属于生物医学技术领域，具体涉及一种脑电采集装置的设计。

背景技术

脑电放大器是一种通过无创方式获取大脑信号的采集装置，但是由于脑电信号淹没在环境噪声中，而采用模拟电路去除噪声时，模拟电路经常因偏移电压等的限制无法提高共模抑制比，而且模拟器件的增加也会增加器件噪声，所以常规脑电放大器采集到的信号不仅频带范围受到限制，而且采集到的信号还会包含一些噪声干扰，不仅加大了后续处理的难度而且会影响医疗和科研的进展。

在CN201220428883.2、CN201120111758.4以及CN201210308665.X中所公开的脑电采集装置虽然可以采集脑电信号，但是它们都采用传统的信号调理模块如前置放大器、模拟陷波器等来实现信号的分离采集，这种设置很难以很高的共模抑制比来获取高精度的脑电信号，它们不仅共模抑制比较低，而且模拟器件的增多不仅增加电路的体积和成本，同时器件本身的噪声也会影响到脑电信号的质量。

发明内容

本发明的目的就是针对现有的脑电采集装置容易受到噪声干扰，无法获取高精度脑电信号的问题，提出一种高精度的脑电信号采集装置。

本发明的技术方案为：一种脑电采集装置，具体包括：N通道脑电采集电极、脑电信号采集器、传输模块和数据接收模块，其中，所述脑电信号采集器包括第一N通道的高阻抗前置缓冲级、第二N通道的高阻抗前置缓冲级、第一N通道的高精度脑电采集转换模块、第二N通道的高精度脑电采集转换模块和数字信号处理器，N通道脑电采集电极分别与第一N通道的高阻抗前置缓冲级的同相输入端相连接，与N通道脑电采集电极相对应的N个脑电参考信号分别与第二N通道的高阻抗前置缓冲级的同相输入端相连接，第一N通道的高阻抗前置缓冲级的输出端分别与第一N通道的高精度脑电采集转换模块的输入端相连接，第二N通道的高阻抗前置缓冲级输出端分别与第二N通道的高精度脑电采集转换模块的输入端相连接；第一N通道的高精度脑电采集转换模块和第二N通道的高精度脑电采集转换模块的输出端分别与数字信号处理器的两个数字信号输入端相连接，数字信号处理器的输出信号通过所述的传输模块传输至所述的数据接收模块。

本发明的有益效果：本发明的脑电采集装置采用N通道脑电采集电极将获取到的脑电信号送入高阻抗前置缓冲级，然后脑电信号经高精度脑电采集转换模块转换为数字信号，并被送入数字信号处理器，再根据具体需要将处理后的信号传输到数据接收模块。本发明具体使用24位高精度的模数转换芯片直接获取脑部相关位置的信号，并将与所对应通道转换的数字信号相减，消除了共模干扰、器件噪声以及其它相关的背景噪声，得到的信号基本为纯净的脑电信号。

附图说明

图1是本发明实施例的脑电采集装置的结构示意图；

图2是本发明中脑电信号采集器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。

本发明的脑电采集装置，具体包括：N通道脑电采集电极、脑电信号采集器、传输模块和数据接收模块，其中，所述脑电信号采集器包括第一N通道的高阻抗前置缓冲级、第二N通道的高阻抗前置缓冲级、第一N通道的高精度脑电采集转换模块、第二N通道的高精度脑电采集转换模块和数字信号处理器，N通道脑电采集电极分别与第一N通道的高阻抗前置缓冲级的同相输入端相连接，与N通道脑电采集电极相对应的N个脑电参考信号分别与第二N通道的高阻抗前置缓冲级的同相输入端相连接，第一N通道的高阻抗前置缓冲级的输出端分别与第一N通道的高精度脑电采集转换模块的输入端相连接，第二N通道的高阻抗前置缓冲级输出端分别与第二N通道的高精度脑电采集转换模块的输入端相连接；第一N通道的高精度脑电采集转换模块和第二N通道的高精度脑电采集转换模块的输出端分别与数字信号处理器的两个数字信号输入端相连接，数字信号处理器的输出信号通过所述的传输模块传输至所述的数据接收模块。具体结构简图如图1所示。

本发明的脑电采集装置具体实现过程如下：图1中的N通道脑电采集电极101将获取到的脑电信号送入高阻抗前置缓冲级102，然后脑电信号经高精度脑电采集转换模块103转换为数字信号，并被送入数字信号处理器104，再根据具体需要将脑电数据通过蓝牙模块105或者USB传输模块106送到数据接收模块107中。其中，高阻抗前置缓冲级102具体采用高精度、低噪声、低温漂的放大器芯片如AD8639构成的电压跟随器，高精度脑电采集转换模块103为N通道高精度模数转换芯片如AD7731，数字信号处理器104作用为控制模数转换并将读取到的模数转换芯片中的数字信号传送到传输模块，这里的传输模块具体为蓝牙模块105或者USB传输模块106，蓝牙模块105为标准的蓝牙传输模块，USB传输模块106为标准USB2.0传输模块，数据接收模块107为上位机接收系统。

图2为第N通道的脑电信号采集器的具体实施过程：第N通道电极将脑电信号送入高阻前置缓冲级201的同相输入端，参考信号送入高阻前置缓冲级202的同相输入端，然后两路信号经过高阻前置缓冲级201、202构成的电压跟随器分别到的模数转换芯片203的CH1接口和模数转换芯片204的CH2接口。数字信号处理器205（即是图1中的数字信号处理器104）的IO口将模数转换芯片203的引脚CS1和模数转换芯片204的引脚CS2拉为高电平分别选中这个芯片，接着数字信号处理器205的IO口通过DIN1和DIN2分别向模数转换芯片203和模数转换芯片204写初始化程序，然后数字信号处理器205的IO同时将模数转换芯片203的引脚SYNC1和模数转换芯片204的引脚SYNC2拉高，同步启动模数转换芯片203和模数转换芯片204，并将转换后的数据通过DOUT1和DOUT2送到数字信号处理器205，在数字信号处理器205中将DOUT1和DOUT2的数据相减就得到纯净的脑电信号。

本发明的具体实现原理说明如下：

为了最大程度的减小噪声，获取高质量的脑电信号，本发明使用24位高精度的模数转换芯片直接获取脑部相关位置的信号，并将与所对应通道转换的数字信号相减，从而获得纯净的脑电信号。

假设图2中第一模数转换芯片203的输入通道CH1的信号S1是大脑采集点N的信号，它具体包括：脑电信号S_d1、共模信号V_cm1、器件噪声V_ch1以及其它背景噪声V_N1,与输入通道CH1的信号S1相对应的第二模数转换芯片204的输入通道CH2的信号S2是大脑参考点的信号，具体包括：脑电信号S_d2、共模信号V_cm2、器件噪声V_ch2以及其它背景噪声V_N2，则数字信号处理器的输出信号具体为两个通道数字信号相减的到的信号S为：

S=S1-S2

=(S_d1+V_cm1+V_ch1+V_N1)-(S_d2+V_cm2+V_ch2+V_N2)   （1）

=(S_d1-S_d1)+(V_cm1-V_cm2)+(V_ch1-V_ch2)+(V_N1-V_N2)

由于本发明实施例中所选用的24位高精度模数转换芯片是同一种芯片，因此两个芯片的性能基本完全相同，所以模数转换芯片203和模数转换芯片204中所包含的噪声信号基本相同，即：

V_cm1≈V_cm2,V_ch1≈V_ch2,V_N1≈V_N2（2）

所以得到的信号S：

S=S1-S2

                  (3)

≈(S_d1-S_d1)

从公式（3）中可以得出：本发明脑电采集装置所采集的信号消除了共模干扰、器件噪声以及其它相关的背景噪声，得到的信号基本为纯净的脑电信号；此外本发明采集装置中不包含高通滤波器，而是直接采用高精度24位模数转换器采用脑电信号，因此所采集到的信号与常规脑电放大器相比包含了0-0.5HZ的信号，而且根据公式（4）的奈奎斯特采样定理设置模数转换器不同的采样频率f_s.max，可以获得0HZ以上不同带宽的脑电信号，所以本实施例的采集装置不仅保证了很高的脑电信号的质量而且获得了完整的脑电信号，为医疗和脑认知等相关研究提供更丰富的数据。

f_s.max≥2f_max   （4）

其中，f_s.max为模数转换器的采样频率，f_s为被采集信号的最高频率。

本发明采用以上技术方案具有如下的优点：

1.采用本发明的脑电采集装置可以获得无限高的共模抑制比（>120dB），与常规脑电采集装置相比，本发明在降低设备费用以及减小设备体积的基础上提高了共模抑制比，获得的脑电信号质量更高。具体计算为：参照国家提出的计算标准得出（The people’s Republicof China National Metrology Verification Regulation,JJG954,2000），共模抑制比计算公式为：

$\mathrm{CMMR}=20\mathrm{lgK}+20\lg \frac{U_d}{U_c}---\left(5\right)$

其中，Ud代表了差模信号的幅度，Uc代表了运算放大器输入共模信号后输出端的共模信号的最大幅值，K代表了共模输入信号与差模输入信号的比值。

针对本发明的脑电采集装置分别输入1Vpp的共模信号和1Vpp的差模信号，得到的Uc<1μV，因此本发明的脑电采集装置的共模抑制比CMMR>120dB。

2.本发明可以根据公式（5）的奈奎斯特采样频率设置模数转换器不同的采样频率，从而获得0Hz以上的不同带宽的信号；

3.电路的整体性能可靠，抗干扰能力强，结构简单，不仅能够高精度的获得脑电信号而且成本较低，可以广泛的应用到医疗、家庭监护等领域。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种脑电采集装置，具体包括：N通道脑电采集电极、脑电信号采集器、传输模块和数据接收模块，其中，所述脑电信号采集器包括第一N通道的高阻抗前置缓冲级、第二N通道的高阻抗前置缓冲级、第一N通道的高精度脑电采集转换模块、第二N通道的高精度脑电采集转换模块和数字信号处理器，N通道脑电采集电极分别与第一N通道的高阻抗前置缓冲级的同相输入端相连接，与N通道脑电采集电极相对应的N个脑电参考信号分别与第二N通道的高阻抗前置缓冲级的同相输入端相连接，第一N通道的高阻抗前置缓冲级的输出端分别与第一N通道的高精度脑电采集转换模块的输入端相连接，第二N通道的高阻抗前置缓冲级输出端分别与第二N通道的高精度脑电采集转换模块的输入端相连接；第一N通道的高精度脑电采集转换模块和第二N通道的高精度脑电采集转换模块的输出端分别与数字信号处理器的两个数字信号输入端相连接，数字信号处理器的输出信号通过所述的传输模块传输至所述的数据接收模块；

所述的高精度脑电采集转换模块具体通过模数转换芯片AD7731实现；具体的，所述第一N通道的高精度脑电采集转换模块具体通过第一模数转换芯片实现，所述第二N通道的高精度脑电采集转换模块具体通过第二模数转换芯片实现，

所述第一模数转换芯片的输入通道CH1的信号S1是大脑采集点N的信号，具体包括：脑电信号S_d1、共模信号V_cm1、器件噪声V_ch1以及其它背景噪声V_N1,与输入通道CH1的信号S1相对应的第二模数转换芯片的输入通道CH2的信号S2是大脑参考点的信号，具体包括：脑电信号S_d2、共模信号V_cm2、器件噪声V_ch2以及其它背景噪声V_N2，则数字信号处理器的输出信号具体为两个通道数字信号相减的到的信号S：

S＝S1-S2

＝(S_d1+V_cm1+V_ch1+V_N1)-(S_d2+V_cm2+V_ch2+V_N2)

＝(S_d1-S_d1)+(V_cm1-V_cm2)+(V_ch1-V_ch2)+(V_N1-V_N2)

由于第一模数转换芯片与第二模数转换芯片是同一种芯片，因此两个芯片的性能基本完全相同，所以第一模数转换芯片与第二模数转换芯片中所包含的噪声信号基本相同，即：

V_cm1≈V_cm2,V_ch1≈V_ch2,V_N1≈V_N2

得到的信号S：

S＝S1-S2

≈(S_d1-S_d1)。

2.根据权利要求1所述的脑电采集装置，其特征在于，所述的传输模块具体为蓝牙模块或者USB传输模块。