专利名称：硬件与软件结合的脑电检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及了一种新型的脑电检测技术，采用该技术的脑电检测装置具有结构简单、稳定性高、使用灵活的特点。
背景技术：
常规数字化脑电图仪的主要原理如图10所示从头皮电极引入的微弱的脑电信号经过前置放大电路进行约100倍左右的放大，然后进入后级多级滤波和放大电路，为了把脑电信号放大到采集芯片能分辨的程度，需要大约1～5万倍的总放大倍数。在放大滤波后的脑电信号进入A/D转换，转换后的数据通过各种通讯介质传送到计算机中进行处理。
在脑电电极引入的信号中除了有用的脑电信号以外，还含有大量的干扰信号和伪迹。因此，要求前置放大器具有低噪声、高输入阻抗、高共模抑制比，当前一般采用高性能的仪表放大器来实现。即使满足了这些要求，但在前置放大器的输出中，仍不免含有残存的干扰信号和伪迹，这些信号甚至有时比有用的脑电信号还强，而这些信号的存在很容易使后级放大的有源滤波电路饱和，当电路饱和时，脑电信息也全部丢失，无法恢复。当饱和深度较深时，会引起放大器的恢复变得很长。
另外，总放大倍数过大和滤波级数过多，容易造成信号通道的不稳定，很容易产生自激和漂移。而且，电路结构相当复杂，对器件选择要求很高，造成了生产、调试的困难，成品率低。
发明内容
综上所述，如何克服传统数字脑电检测由于检测微弱脑电信号而必须使放大倍数大于10000倍而导致电路设计上的困难，存在放大电路动态范围小、易饱和、恢复时间长、易受干扰、生产加工困难等缺点。这些都是本发明所要解决的技术问题，为此，本发明的目的在于提供一种可与计算机相结合的、结构简单、稳定性高、生产加工方便的脑电检测装置，其与上位计算机结合，进行数据处理。
本发明的技术解决思路是为了解决常规脑电设备所存在的动态范围小、易饱和、恢复时间长、易受到干扰等缺点，对脑电的检测方法进行改进，以简化了硬件模拟部分的结构，减小硬件的放大倍数，采用高精度A/D转换和超采样技术，并相对于常规脑电设备加宽了放大通道的带宽，使更多的脑电信息进入到采集部分。大部分对脑电信号的处理都可以在软件中完成，从而，系统的灵活性也得到大大的提高。
采用超采样技术，按照香农定理，对于频率为f的信号，要得到正确的采样信号，采样频率fs必须大于1/2f，按照此定理脑电的有用频率大约在60Hz以下。因此，数字化脑电检测装置的采样频率只要大于120Hz就可以了。但是由于存在A/D转换误差、和开关噪声等，如果采样频率过低(如128Hz)，会引起波形变形。本发明采用的过采样技术，就是采用频率非常高的采样频率，例如10KHz，对脑电信号进行采样，然后经过一定的算法处理，可以大大降低A/D转换的噪声对采集波形的影响，并且由于采样频率很高也使得抗混迭滤波器的设计可以变得非常简单。
前置放大由贴在人体头皮的电极引入的脑电信号首先进入前置放大器，由于伴随着脑电信号会同时有很多干扰和伪迹被引入放大器，这些无用的信号甚至比脑电信号幅度大几百甚至上千倍，所以要求前置放大器既能检测到微弱的有用信号也要具有高抗干扰性和耐受能力。为了达到这些要求，前置放大器必须具有高输入阻抗、高共模抑制比。为了使放大器在大信号时不被饱和，即使有一些干扰信号存在，也可以通过数字滤波等方式把干扰信号去除。因此，前置放大倍数不能太大，本发明采用了电压放大倍数为80的仪表放大器做为前置放大至多为500倍即可。前置放大器具有60mVp-p的动态范围，也就是说只要干扰或伪迹的幅度不大于60mV，放大器就能正常工作，它们在经过A/D转换后，在计算机上通过软件滤除，从而得到高质量的脑电波形。
抗混迭滤波一般脑电信号的频率范围在60Hz以下，此滤波器用来滤除高频无用的信号，避免高频信号使A/D采样电路产生频谱混迭。
采样保持使各通道在同一时刻进行采样，保证各通道采样的同步性。
通道切换使多个通道复用一个A/D转换芯片。
高精度A/D转换高精度采样(18位以上)保证了对信号的分辨率，使在硬件放大倍数很小的情况下也可以分辨微伏级的脑电信号。
传输传输可以选择多种形式，本发明的产品中采用了USB、光纤等方式，使数据可以传递到上位计算机，进行处理。
综上所述，本发明的技术方案如下根据本发明的一种硬件与软件结合的脑电检测装置，包括依次以数据流联结的采集放大器和通讯介质，该采集放大器包括依次以电路联结的多路前置放大部分、模数转换部分和主控部分，该多路前置放大部分中的每一路前置放大部分主要具放大器、连接该放大器的抗混迭滤波器和连接该抗混迭滤波器的采样保持电路，特点是a.该放大器的放大倍数为80-500；b.该采样保持电路受主控部分提供的采样信号控制，使各通道在同一时刻进行采样；c.模数转换部包括以电路联结的一只多选一模拟开关和一块ADC芯片，该多选一模拟开关的通道选择端连接主控部分的编号信号输出端；而各输入端分别连接各通道的采样保持电路的输出端；以及输出端则连接ADC芯片的输入端，该ADC芯片的A/D转换位数与放大器的放大倍数相适应；d.该主控部分为一块DSP芯片，其内设有主控模块，提供采集放大器的数据采集操作；其内设有数字滤波器和陷波器功能模块和滤波子模块，进行滤波操作；e.采样频率至少为10KHZ。
具体地，该放大器的放大倍数＝100，便为一级前置放大器；若放大器的放大倍数K为100≤K≤500则为由多级放大器构成；该放大器的放大倍数与ADC芯片的A/D转换位数相适应是指放大器的放大倍数为80，则ADC的A/D转换位数至少为20bit；放大倍数为500，则ADC取16bit。
所述的通讯介质为以USB或光纤方式，将多道脑电采集数据由主控部分送到上位计算机进行数据处理。
本发明的优点列表于下性能比较
图1为本发明的系统结构示意图；图2为本发明的实施例系统结构电原理图；图3为本发明的前置放大部分的电路原理图；图4为本发明实施例的数模转换部分电路图；图5为本发明的DSP电路图；图6为本发明的USB通讯部分电路图；图7为本发明的电源部分电路图；图8为本发明的实施例的主程序流程图；图9为本发明的数字滤波器和数字陷波器的生成程序流程图；图10为本发明的滤波器程序流程图；图11为传统的数字化脑电图仪的结构示意图。
具体实施例方式
下面根据图1-图10给出本发明的一个8导高性能数字化脑电图仪的实施例子，并予以详细说明，为的是便于本领域技术人员能更易于了解本发明的结构特征和功能特色，而不是用来限定本发明的范围。
请参阅图1，本发明包括依次以数据流联结的采集放大器1、通讯介质2和上位计算机3。
请参阅图2，其显示了本实施例中8导高性能的数字化采集放大器，即依次以电路联结的前置放大部分11、模数转换部分12和主控部分13。
请参阅图3，其示出了前置放大部11中的电路原理图，由于本实施例中由8导组成，8导中的每一导都是具有相同的电路结构，图中仅示出单一导的电路原理图，如图所示，每一路前置放大部11包括依次以电路联结的前置放大器111、抗混迭滤波器112和采样保持电路113，其中8路前置放大器111主要由模拟集成电路AD620构成，放大倍数为100，抗混迭滤波器112由电容C3和电阻R5组成的低通滤波器，共有8路；采样保持电路113包括隔离缓冲运算放大器U2、开关管Q1以及积分电路R6C4组成，由积分电路连接8选1模拟开关电路U3，本实施例使用过采样技术，采样频率为10KHZ。8导同时采样，由各自的保持电路113保持，由8选1模拟开关电路U3控制选通，逐一往同一块模数转换芯片AD7714进行A/D转换，本实施例中AD7714为24bit，本实施例中，对8通道中的开关管Q1的栅极均由主控部分13提供的采样脉冲来开关，这样在同一时刻进行采样，可以保证各通道采样的同步性；使用8个通道复用一块A/D转换芯片，解决人为精度偏差。本实施例使用AD7714，24bit，高精度A/D转换，保证对微弱脑电信号的分辨率，使在前置放大倍很小(放大倍数为100)的情况下，也可分分辨微伏级(峰-峰值为3μV)的脑电信号，在本实施例中，前置放大倍也可为80；若使用16citA/D转换芯片，前置放大倍数应为500。转换后的数据送入U18，进行数据处理，如图5所示U18是TI公司生产的DSP芯片TMS320VC5402本实施例中，使用软件滤波、陷波、数据取代替传统数字脑电图仪使用硬件制成的滤波器、陷波器等，这些都可在DSP中实现，从而使原来的3-5级硬件有源滤波器或陷波电路都可被软件式的相应功能模块来取代。图8、图9、和图10所示的程序流程序图可构成相应的功能模块安装于主控部分13中，本实施例中的主控部分13主要由DSP芯片构成，因此。按图7主程序100构成的主控功能模块10，按图8中断服务程序200构成的中断服务功能模块20，以及按图9滤波器程序300构成的数字滤波器30都分别安装在该DSP芯片中。
请参阅图6，其表达本实施例中USB通讯部分2，如图所示U21为CYPRESS公司生产的具有USB2.0接口CPU，在本实施例完成USB工作通讯。
请参阅图7，其给出了提供数字电路使用的3.3v、1.8v和适用于模拟电路使用的VDD电源。
本实施例中，提供的产品以USB方式，将采集的脑电信号数据传递到上位计算机进行处理，当然也可采用光纤方式将脑电数据传递到上位计算机进行处理，这些都是公知技术，此处就不赘述了。
权利要求
1.一种硬件与软件结合的脑电检测装置，包括依次以数据流联结的采集放大器(1)和通讯介质(2)，该采集放大器(1)包括依次以电路联结的多路前置放大部分(11)、模数转换部分(12)和主控部分(13)，该多路前置放大部分(11)中的每一路前置放大部分主要具放大器(111)、连接放大器(111)的抗混迭滤波器(112)和连接抗混迭滤波器(112)的采样保持电路(113)，其特征在于a.该放大器(111)的放大倍数为80-500；b.该采样保持电路(113)受主控部分(13)提供的采样信号控制，使各通道在同一时刻进行采样；c.模数转换部(12)包括以电路联结的多选一模拟开关(121)和一块ADC芯片(122)，该多选一模拟开关(121)的通道选择端连接主控部分(13)的编码信号输出端；而各输入端分别连接各通道的采样保持电路(113)的输出端；以及输出端则连接ADC芯片(122)的输入端，该ADC芯片(122)的A/D转换位数与放大器(111)的放大倍数相适应；d.该主控部分(13)为一块DSP芯片，其内设有主控模块(10)，提供采集放大器(1)的数据采集操作；其内设有数字滤波器和陷波器功能模块(20)和滤波子模块(30)，进行数字滤波操作；e.采样频率至少为10KHZ。
2.根据权利要求1所述的硬件与软件结合的脑电检测装置，其特征在于，该放大器(111)的放大倍数＜100，便为一级前置放大器；而放大倍数K为100≤K≤500，则该放大器(111)为由多级放大器构成。
3.根据权利要求1所述的硬件与软件结合的脑电检测装置，其特征在于，该放大器(111)的放大倍数与ADC芯片的A/D转换位数相适应是指放大器(111)的放大倍数为80，则ADC的A/D转换位数至少为20bit；若放大倍数为500，则ADC取16bit。
4.根据权利要求1所述的硬件与软件结合的脑电检测装置，其特征在于，所述的通讯介质(2)为以US或光纤方式将多道脑电采集数据由主控部分(13)送到上位计算机(3)进行数据处理。
全文摘要
一种硬件与软件结合的脑电检测装置，包括采集放大器和通讯介质，采集放大器具有多路前置放大部分，模数转换部分和主控部分，前置放大部分的放大倍数为80－500，其中的采样保持电路由主控部分提供采样信号进行控制，确保多路在同一时刻进行采样，而各路保持电压则由多选一模拟开关选通送入同一块ADC芯片进行A/D转换，ADC的精度为16bit－24bit，主控部分为一块DSP电路，其内设有主控模块，数字滤波电路和陷波电路功能模块，从而可实施低放大倍放大器之设计，使电路简单，系统结构灵活，且由于采用过采样技术，也提高了精度。
文档编号A61B5/0476GK101088457SQ20061002765
公开日2007年12月19日 申请日期2006年6月13日 优先权日2006年6月13日
发明者茆顺明, 张群峰 申请人:上海诺诚电气有限公司