一种脑电信号采集装置的制作方法

1.本实用新型实施例涉及生物信息技术领域，尤其涉及一种脑电信号采集装置。


背景技术：

2.脑电信号是将脑部自发性生物电活动信号经由布置电极进行传导，并通过脑电采集设备放大而最终获取的生物电信号。由于脑电信号可以采用头皮非侵入式进行采集，方法简单对人体无损伤，被广泛应用在脑疾病诊断、心理状态测试以及脑机接口等系统中，是生物信号处理研究领域中的一个热点。
3.但是脑电信号极为微弱，需要经过多倍放大脑电信号采集设备才可以准确获取。目前科研用脑电信号采集设备和医用脑电信号采集设备体积较大，携带不便，而便携式脑电信号采集设备体积虽小，但是电路性能降低，存在采集的脑电信号质量较差的问题，如此使得脑电信号采集设别不能兼顾便携性和信号质量，限制了脑电信号采集设备在实际场景中的应用。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例提供一种脑电信号采集装置，以实现体积小，且采集脑电信号引入干扰小，在提升脑电信号信号质量的同时保证了便携性的效果，扩大了脑电信号采集装置的应用场景。
5.本实用新型实施例提供了一种脑电信号采集装置，该脑电信号采集装置包括：连接电极、前级放大模块、后级放大模块、数据处理控制电路和阻抗激励电路；
6.所述连接电极的第一端与头皮电连接，所述连接电极的第二端与所述前级放大模块的第一端电连接，用于将与所述头皮接触位置的脑电信号传输至所述前级放大模块；
7.所述前级放大模块的第二端与所述后级放大模块的第一端电连接，用于将所述脑电信号进行一次放大，并将一次放大后的脑电信号发送至后级放大模块；
8.所述后级放大模块的第二端与所述数据处理控制电路的第一端电连接，用于将一次放大后的脑电信号进行二次放大，并将二次放大后的脑电信号转换为数字信号，并将所述数字信号发送至所述数据处理控制电路；
9.所述数据处理控制电路的第二端与所述阻抗激励电路的第一端电连接，所述阻抗激励电路的第二端与所述连接电极电连接；
10.所述数据处理控制电路用于将所述数字信号发送至外部控制器或提取所述数字信号中的特征值，并将所述特征值和所述数字信号发送至所述外部控制器；
11.所述数据处理控制电路还用于接收所述外部控制器发送的控制指令，并根据所述控制指令发送控制信号至所述阻抗激励电路，以使所述阻抗激励电路根据所述控制信号输出阻抗检测信号至所述连接电极。
12.可选的，所述后级放大模块包括ads1299；所述ads1299用于将一次放大后的脑电信号进行二次放大，并将二次放大后的脑电信号转换为数字信号；或者，
13.所述后级放大模块包括后级放大器和模数转换器，所述后级放大器的第一端与所述前级放大模块的第二端电连接，所述后级放大器的第二端与所述模数转换器的第一端电连接，所述模数转换器的第二端与所述数据处理控制电路电连接；所述后级放大器用于接收一次放大后的脑电信号，并将一次放大后的脑电信号进行二次放大；所述模数转换器用于将二次放大后的脑电信号转换为数字信号。
14.可选的，所述前级放大模块包括：前级放大器；所述前级放大器为高性能仪表放大器；所述高性能仪表放大器的第一端与所述连接电极电连接，所述高性能仪表放大器的第二端与所述后级放大模块电连接。
15.可选的，所述连接电极包括：采集电极、参考电极和接地电极；
16.所述前级放大模块还包括：偏置驱动电路；
17.所述前级放大模块的第一端包括第一输入端和第二输入端；
18.所述采集电极的第一端与所述头皮电连接，所述采集电极的第二端与所述第一输入端电连接；
19.所述参考电极的第一端与皮肤电连接，所述参考电极的第二端与所述第二输入端电连接；
20.所述接地电极的第一端与皮肤电连接，所述接地电极的第二端与所述偏置驱动电路的第一端电连接；
21.所述偏置驱动电路的第二端与所述前级放大器的第三端电连接。
22.可选的，所述前级放大模块还包括：第一抗混叠滤波器和第二抗混叠滤波器；
23.所述第一抗混叠滤波器位于所述第一输入端和所述采集电极之间；
24.所述第二抗混叠滤波器位于所述第二输入端和所述参考电极之间。
25.可选的，所述前级放大模块还包括高通滤波器；所述高通滤波器位于所述前级放大器和所述后级放大模块之间。
26.可选的，还包括输入保护模块，位于所述连接电极和所述前级放大模块之间。
27.可选的，还包括分开设置的第一承载板和第二承载板；所述前级放大模块和所述阻抗激励电路设置于所述第一承载板；所述后级放大模块和数据处理控制电路设置于所述第二承载板。
28.可选的，还包括：无线传输模块，与所述数据处理控制电路的第三端电连接，所述数据处理控制模块通过所述无线传输模块将所述数字信号发送至所述外部控制器。
29.本实施例提供的脑电信号采集装置，通过在后级放大模块前设置前级放大模块，使得整个放大电路具有更好的输入阻抗和共模抑制比，从而使信号拾取能力更强，能够兼容多种电极；且后级放大模块和前级放大模块组成的两级放大可以保证信号整体的放大倍数较高，从而使采集到的电压分辨率较高；此外，本实施例提供的脑电信号采集装置还包括阻抗激励电路，如此，可以在进行脑电信号采集之前，先检测头皮和连接电极之间的接触阻抗，以防止较大的接触阻抗影响脑电信号质量，提高采集的脑电信号质量。
附图说明
30.图1是本实用新型实施例提供的一种脑电信号采集装置的结构示意图；
31.图2是本实用新型实施例提供的又一种脑电信号采集装置的结构示意图；
32.图3是本实用新型实施例提供的又一种脑电信号采集装置的结构示意图；
33.图4是本实用新型实施例提供的又一种脑电信号采集装置的结构示意图；
34.图5是本实用新型实施例提供的一种脑电信号采集方法的流程图。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
36.图1是本实用新型实施例提供的一种脑电信号采集装置的结构示意图，如图1所示，本实施例提供的脑电信号采集装置包括：连接电极10、前级放大模块20、后级放大模块30、数据处理控制电路40和阻抗激励电路50；连接电极10的第一端与头皮电连接，连接电极10的第二端与前级放大模块20的第一端电连接，用于将与头皮接触位置的脑电信号传输至前级放大模块20；前级放大模块20的第二端与后级放大模块30的第一端电连接，用于将脑电信号进行一次放大，并将一次放大后的脑电信号发送至后级放大模块30；后级放大模块30的第二端与数据处理控制模块40的第一端电连接，用于将一次放大后的脑电信号进行二次放大，并将二次放大后的脑电信号转换为数字信号，并将数字信号发送至数据处理控制模块40；数据处理控制模块40的第二端与阻抗激励电路50的第一端电连接，阻抗激励电路50的第二端与连接电极10电连接；数据处理控制模块40用于将数字信号发送至外部控制器或提取数字信号中的特征值，并将特征值和数字信号发送至外部控制器；数据处理控制模块40还用于接收外部控制器发送的控制指令，并根据控制指令发送控制信号至阻抗激励电路50，以使阻抗激励电路50根据控制信号输出阻抗检测信号至连接电极10。
37.具体的，现有技术中的脑电信号采集装置采用的是单级放大器，且共模抑制比比较低，信号噪声较高，尤其是通过盐水电极或干电极对脑电信号进行传输时，获得的脑电信号质量较差。而本实施例采用的是双极放大，即包括前级放大模块20和后级放大模块30，其中，前级放大模块20具有极高的输入阻抗，极高的共模抑制比，如此可以准确采集头皮的微弱的脑电信号；此外，由于前级放大模块20具有极高的输入阻抗，极高的共模抑制比，使得脑电信号采集装置可以兼容多种类型的连接电极，例如，湿电极、干电极或盐水电极等，即可以使用同一放大器根据实际使用环境搭配不同类型的连接电极，扩大了脑电信号采集装置的应用场景；前级放大模块20准确采集头皮的微弱的脑电信号后通过后级放大模块30将脑电信号进行放大，即通过前级放大模块20和后级放大模块的组合既可以把连接电极10的输入阻抗对脑电信号的影响降到很低，同时还可以保证输出的信号放大的倍数足够的高，以便后续对脑电信号进行相应的处理。此外由于采用的是双极放大，使得整个放大系统的脑电信号拾取能力更强，同时可以保证脑电信号的抗干扰能力较高，整体的放大倍数较高，从而使采集到的电压分辨率较高。
38.此外，本实施例采用两种工作模式，即信号采集模式和阻抗检测模式，以获得质量较好的脑电信号。示例性的，在进行脑电信号的采集之前，先采用阻抗检测模式，即先检测头皮和连接电极之间的接触阻抗，以防止较大的接触阻抗影响脑电信号质量。具体的，当需要检测头皮和连接电极10之间的接触阻抗时，外部控制器会发送一控制指令至数据处理控制电路40，数据处理控制电路40根据控制指令控制和驱动阻抗激励电路50输出电流模拟信
号至连接电极10。电流通过连接电极10形成回路，产生电压信号，通过分析经过连接电极环路的电流电压计算连接电极10和头皮的接触阻抗；当连接电极10和头皮的接触阻抗在预设接触阻抗内的话，则可以进行信号采集模式；如果连接电极10和头皮的接触阻抗大于等于预设接触阻抗，则需要调整头皮与连接电极10的接触，例如，可以拨开头皮与连接电极10之间的头发，直至计算得到的连接电极10和头皮的接触阻抗在预设接触阻抗内，即保证头皮和连接电极10接触良好之后，进行信号采集模式，如此，防止较大的接触阻抗影响脑电信号质量。当为信号采集模式时，阻抗激励电路50不工作，连接电极10将与头皮接触位置的脑电信号传输至前级放大模块20，前级放大模块20对此脑电信号进行一次放大后发送至后级放大模块，后级放大模块对此信号进行进一步的放大，并将放大后的脑电信号转化为数字信号发送至数据处理控制电路40，数据处理控制电路40对此数字信号进行处理，例如简单运算输出特征值，或将此数字信号直接发送至外部控制器，以使外部控制器对此数字信号做处理或进行存储。
39.综上所述，本实施例提供的脑电信号采集装置，通过在后级放大模块前设置前级放大模块，由于前级放大模块具有极高的输入阻抗，极高的共模抑制比，如此可以准确采集头皮的微弱的脑电信号，同时通过后级放大模块对脑电信号进行放大；此外，双极放大系统的信号拾取能力更强，能够兼容多种电极；且后级放大模块和前级放大模块组成的两级放大可以保证信号整体的放大倍数较高，从而使采集到的电压分辨率较高；此外，本实施例提供的脑电信号采集装置还包括阻抗激励电路，如此，可以在进行脑电信号采集之前，先检测头皮和连接电极之间的接触阻抗，以防止较大的接触阻抗影响脑电信号质量，提高采集的脑电信号质量。
40.可选的，后级放大模块包括ads1299；ads1299用于将一次放大后的脑电信号进行二次放大，并将二次放大后的所述脑电信号转换为数字信号；或者，后级放大模块包括后级放大器和模数转换器，后级放大器的第一端与前级放大模块的第二端电连接，后级放大器的第二端与模数转换器的第一端电连接，模数转换器的第二端与数据处理控制电路电连接；后级放大器用于接收一次放大后的脑电信号，并将一次放大后的脑电信号进行二次放大；模数转换器用于将二次放大后的脑电信号转换为数字信号。
41.示例性的，后级放大模块可以包括ads1299，即通过ads1299即可实现对脑电信号的二次放大，同时还可以将二次放大后的脑电信号转化为数字信号，如此，可以减小脑电信号采集装置的体积，保证了脑电信号采集装置的便携性。同时ads1299和前级放大模块的组合构建了高性能的脑电信号采集装置。
42.示例性的，后级放大模块还可以包括后级放大器和模数转换器，通过后级放大器将一次放大后的脑电信号进行二次放大；通过模数转换器将二次放大后的脑电信号转换为数字信号。
43.可选的，图2是本实用新型实施例提供的又一种脑电信号采集装置的结构示意图，如图2所示，前级放大模块20包括：前级放大器21；前级放大器21为高性能仪表放大器；高性能仪表放大器的第一端与连接电极10电连接，高性能仪表放大器的第二端与后级放大模块电连接。
44.本实施例采用的前级放大器21为高性能仪表放大器，由于高性能仪表放大器具有极高的输入阻抗，极高的共模抑制比，可以兼容多种类型的连接电极，例如，湿电极、干电极
或盐水电极等，如此，可以使用同一放大器根据实际使用环境搭配不同类型的连接电极，扩大了脑电信号采集装置的应用场景；且可以把连接电极10的输入阻抗对脑电信号的影响降到很低。由于高性能仪表放大器输出的脑电信号比较微弱，所以通过后级放大模块对高性能仪表放大器输出的脑电信号进行二次放大，即通过高性能仪表放大器和后级放大模块的组合既可以把连接电极10的输入阻抗对脑电信号的影响降到很低，同时还可以保证输出的信号放大的倍数足够的高，以便后续对脑电信号进行相应的处理。
45.可选的，继续参见图2，连接电极10包括：采集电极11、参考电极12和接地电极13；前级放大模块20还包括：偏置驱动电路22；前级放大模块10的第一端包括第一输入端o1和第二输入端o2；采集电极11的第一端与头皮电连接，采集电极11的第二端与第一输入端o1电连接；参考电极12的第一端与皮肤电连接，参考电极12的第二端与第二输入端o2电连接；接地电极13的第一端与皮肤电连接，接地电极13的第二端与偏置驱动电路22的第一端电连接；偏置驱动电路22的第二端与前级放大器21的第三端电连接。
46.其中，采集电极11的数量可以包括多个，多个采集电极11布置在头皮的不同位置，可以采集脑区不同位置的脑电信号。参考电极12的数量可以为一个也可以为两个，本实施例不对参考电极12的数量进行限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行设置。参考电极12与皮肤电连接，例如可以与人的耳垂电连接，由于皮肤的地方是没有脑电信号的，可通过将所有的采集电极11采集的脑电信号和参考电极12采集的皮肤作差，如此可以降低其他信号的影响，得到较准确的脑电信号。
47.此外，所有采集电极11将其采集的脑电信号以及参考电极12将其采集的信号传输至前级放大器21，从前级放大器21中提取所有通道各自的共模电压。偏置驱动电路22根据接地电极13连接到人体端电压，产生偏置驱动电压，并输入至前级放大器21，提高共模抑制比，保证放大信号受到共模干扰进一步减小。
48.可选的，继续参见图2，前级放大模块20还包括：第一抗混叠滤波器23和第二抗混叠滤波器24；第一抗混叠滤波器23位于第一输入端o1和采集电极11之间；第二抗混叠滤波器位于第二输入端o2和参考电极12之间。
49.其中，当采集电极11的数量为多个时，第一抗混叠滤波器23的数量也为多个。通过设置第一抗混叠滤波器23和第二抗混叠滤波器24，以滤除射频信号对脑电信号的干扰，提高脑电信号质量。
50.可选的，继续参见图2，前级放大模块20还包括高通滤波器25；高通滤波器25位于前级放大器21和后级放大模块30之间。
51.其中，高通滤波器25可以将前级放大器21输出的脑电信号进行交流耦合处理，将脑电信号中的直流部分积分滤除，防止后级放大模块30中的模数转换器饱和，同时高通滤波器25也可以滤除脑电信号中的低频干扰，进一步提高脑电信号质量，提高了信噪比。
52.需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际情况选择是否设置高通滤波器25。
53.可选的，图3是本实用新型实施例提供的又一种脑电信号采集装置的结构示意图，如图3所示，脑电信号采集装置还包括输入保护模块60，位于连接电极10和前级放大模块20之间。
54.其中，输入保护模块60例如可以包括esd二极管，利用esd二极管滤除瞬时高压的接触放电或空气放电，避免短路等意外造成输入电流过大的超载等故障，避免烧坏后续电
路模块，提高电路的可靠性。
55.可选的，图4是本实用新型实施例提供的又一种脑电信号采集装置的结构示意图，如图4所示，脑电信号采集装置还包括分开设置的第一承载板70和第二承载板80；前级放大模块20和阻抗激励电路50设置于第一承载板70；后级放大模块30和数据处理控制电路40设置于第二承载板80。
56.具体的，第一承载板70和第二承载板80分开设置，前级放大模块20和后级放大模块30可通过导线电连接，实现信号的传输；阻抗激励电路50和数据处理控制电路40同样可通过导线电连接，实现信号的传输。本实施例中由于第一承载板70和第二承载板80分开设置，避免了数字电路对模拟电路的干扰，保证两级放大后信号质量，提升了放大器整体性能。
57.可选的，继续参见图1，本实施例提供的脑电信号采集装置还包括：无线传输模块90，与数据处理控制电路40的第三端电连接，数据处理控制模块40通过无线传输模块90将数字信号发送至外部控制器。
58.其中，无线传输模块90例如可以包括：5g通信模块、蓝牙或wifi等。通过无线传输模块90可以将数字信号通过无线方式实时传输给外部控制器，例如传输给计算机，以使外部控制器对数字信号进行后续的处理与存储。本实施例通过设置无线传输模块90，极大缩小了脑电信号采集装置的体积，保证了脑电信号采集装置的便携性。
59.基于同样的实用新型构思，本实用新型实施例还提供了一种脑电信号采集方法，此脑电信号采集方法采用如上述任一项实施例提供的脑电信号采集装置进行采集。图5是本实用新型实施例提供的一种脑电信号采集方法的流程图，如图5所示，所述脑电信号采集方法包括：
60.s110、基于连接电极类型确定预设接触阻抗。
61.其中，连接电极类型包括干电极、盐水电极或湿电极等。不同的连接电极类型对应不同的预设接触阻抗。设置预设接触阻抗的目的是，保证头皮和连接电极的良好接触，即头皮和连接电极的接触阻抗降到预设接触阻抗内，才可以对脑电信号进行采集，避免了较大的接触阻抗影响脑电信号质量的问题。示例性的，干电极对应的预设接触阻抗为20千欧，即将所有干电极与头皮的接触阻抗值降低于20千欧以下，才可以对脑电信号进行采集；湿电极对应的预设接触阻抗为5千欧，即将所有湿电极的阻抗值降低于5千欧以下，才可以对脑电信号进行采集。
62.例如可以将连接电极类型与预设接触阻抗之间的对应关系存至放大器软件开发工具包(sdk)。当需要对脑电信号进行采集时，先根据需求更换不同类型的连接电极，然后打开sdk，并在sdk中选择连接电极类型，进而确定与此连接电极类型对应的预设接触阻抗。
63.s120、获取脑电信号采集装置采集的头皮与连接电极间的实测接触阻抗。
64.示例性的，阻抗激励电路50会在数据处理控制电路40的控制和驱动下，输出电流模拟信号至连接电极10。电流通过连接电极10形成回路，产生电压信号，通过分析经过电极环路的电流电压计算电极和头皮的接触阻抗，即为实测接触阻抗。
65.s130、调整连接电极与头皮的位置，直至实测接触阻抗小于预设接触阻抗。
66.示例性的，例如可以拨开头皮与连接电极10之间的头发，将头皮和连接电极的实测接触阻抗降到预设接触阻抗内，才可以对脑电信号进行采集，避免了较大的接触阻抗影
响脑电信号质量的问题。
67.s140、控制前级放大模块将连接电极传输的脑电信号进行一次放大，并将一次放大后的脑电信号发送至后级放大模块。
68.s150、控制后级放大模块将一次放大后的脑电信号进行二次放大，并将二次放大后的脑电信号转换为数字信号，并将数字信号发送至数据处理控制电路；
69.s160、采集数据处理控制电路中的数字信号或采集数据处理控制电路提取的数字信号中的特征值以及数字信号。
70.当实测接触阻抗小于预设接触阻抗时，则可通过选定类型的连接电极对脑电信号进行采集。具体的，连接电极10将与头皮接触位置的脑电信号传输至前级放大模块20，前级放大模块20对此脑电信号进行一次放大后发送至后级放大模块，后级放大模块对此信号进行进一步的放大，并将放大后的脑电信号转化为数字信号发送至数据处理控制电路40，外部控制器采集数据处理控制电路40中的数字信号即可。或者，数据处理控制电路40中集成了一些算法，基于集成的算法提取数字信号中的特征值，然后将特征值和数字信号一起发送至外部控制器，如此避免了外部控制器进行复杂运算的过程。
71.可选的，在进行脑电信号采集之前，可根据选定的连接电极的类型，设置滤波范围，采集导联等参数。
72.本实施例提供的脑电信号采集方法，可根据不同的连接电极类型确定不同的预设接触阻抗，即将头皮和连接电极的实测接触阻抗降到预设接触阻抗内，才可以对脑电信号进行采集，避免了较大的接触阻抗影响脑电信号质量的问题，使得脑电信号采集装置可以兼容多模式电极设计，可根据应用场景需求更换连接电极类型，扩大应用场景，实现科研级湿电极和应用级盐水电极/干电极的便利互换。
73.注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。