一种生物信号采集及刺激系统的制作方法

本发明涉及生物电信号检测及临床监护设备，特别是涉及一种生物信号采集及刺激系统。

背景技术：

脑电信号采集及刺激已经广泛应用于脑部疾病的诊断治疗、情绪调控、脑-机接口的发展、临床监护等诸多领域。传统脑电信号采集设备多使用有线传输方式，设备笨重，设备间协同一般都需要同步时序电路，且可监测信号频率在百赫兹左右，应用范围局限大。另外，临床研究表明特定频率的电信号刺激有助于某些脑部疾病的诊疗。但是，目前电刺激诊疗手段多使用额外设备，其刺激反馈信号采集需要额外的时序同步才能完成，集成度低，从而导致设备体积较大，且操作复杂。

因此，现有的技术方案无法完全满足兼容性与便携性的要求，需要进一步改进。

技术实现要素：

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种生物信号采集及刺激系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种生物信号采集及刺激系统，包括数据采集模块、数据存储模块、传输模块、电刺激模块和控制模块，所述数据采集模块包括至少两个用于采集指定位置的生物电信号的电极，所述数据采集模块的输出端与数据存储模块的输入端相连，所述数据存储模块与传输模块连接，所述数据存储模块的输出端与电刺激模块的输入端相连，所述控制模块分别与数据采集模块、数据存储模块、传输模块、电刺激模块连接；所述数据采集模块、数据存储模块、传输模块、电刺激模块和控制模块均集成在一块电路板上。

进一步，所述数据采集模块还包括第一多路选择器、模数转换器和至少两组放大滤波电路，各所述放大滤波电路的输入端接一电极的输出端，各所述放大滤波电路的输出端均与第一多路选择器的输入端相连，所述第一多路选择器的输出端与模数转换器的输入端相连，所述模数转换器的输出端与数据存储模块的输入端连接。

进一步，所述数据存储模块包括第一SDRAM芯片、第二SDRAM芯片、第三SDRAM芯片和第二多路选择器，所述第一SDRAM芯片和第二SDRAM芯片的输入端均连接数据采集模块的输出端，所述第一SDRAM芯片和第二SDRAM芯片的输出端通过第二多路选择器与传输模块的输入端连接，所述第三SDRAM芯片的输入端连接传输模块的输出端，所述第三SDRAM芯片的输出端与电刺激模块的输入端连接，所述第一SDRAM芯片、第二SDRAM芯片和第三SDRAM芯片均与控制模块连接。

进一步，所述电刺激模块包括数模转换器、整形电路和刺激电极，所述数模转换器的输入端连接第三SDRAM芯片的输出端，所述数模转换器的输出端与整形电路的输入端连接，所述整形电路的输出端与刺激电极的输入端连接，所述数模转换器与主控模块连接。

进一步，所述控制模块包括单片机以及用于为单片机供电的电源电路。

进一步，所述单片机包括软件陷波器，所述软件陷波器用于对第一SDRAM芯片和第二SDRAM芯片存储的数据进行软件陷波。

进一步，所述传输模块包括WiFi芯片以及与WiFi芯片相连接的印制天线，所述WiFi芯片分别与数据存储模块和控制模块连接。

进一步，还包括数据接收与配置模块，所述数据接收与配置模块与传输模块连接。

进一步，所述数据接收与配置模块包括云平台和数据接收端，所述数据接收端通过云平台与传输模块连接。

本发明的有益效果是：本发明的一种生物信号采集及刺激系统，包括数据采集模块、数据存储模块、传输模块、电刺激模块和控制模块，数据采集模块包括至少两个用于采集指定位置的生物电信号的电极，数据采集模块的输出端与数据存储模块的输入端相连，数据存储模块与传输模块连接，数据存储模块的输出端与电刺激模块的输入端相连，控制模块分别与数据采集模块、数据存储模块、传输模块、电刺激模块连接；数据采集模块、数据存储模块、传输模块、电刺激模块和控制模块均集成在一块电路板上。本系统结构紧凑、集成度高、体积较小、功耗低，实现生物信号采集与电刺激功能一体化，具有高兼容性、低成本的优点，便于推广应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明一种生物信号采集及刺激系统的数据采集端的结构框图。

图2为本发明一种生物信号采集及刺激系统的数据采集端的内部结构框图。

图3为本发明一种生物信号采集及刺激系统的多通道数据帧格式。

图4为本发明一种生物信号采集及刺激系统的系统框图；

附图标记：1、控制模块1； 2、数据采集模块2；201、第一放大滤波电路；202、第二放大滤波电路；203、第一多路选择器；204、模数转换器；3、数据存储模块；301、第一SDRAM芯片；302、第二SDRAM芯片；303、第三SDRAM芯片；304、第二多路选择器；4、传输模块；5、电刺激模块；501、数模转换器；502、整形电路；503、刺激电极。

具体实施方式

参照图1，本发明提供了一种生物信号采集及刺激系统，其数据采集端包括数据采集模块2、数据存储模块3、传输模块4、电刺激模块5和控制模块1，所述数据采集模块2包括至少两个用于采集指定位置的生物电信号的电极，所述数据采集模块2的输出端与数据存储模块3的输入端相连，所述数据存储模块3与传输模块4连接，所述数据存储模块3的输出端与电刺激模块5的输入端相连，所述控制模块1分别与数据采集模块2、数据存储模块3、传输模块4、电刺激模块5连接；所述数据采集模块2、数据存储模块3、传输模块4、电刺激模块5和控制模块1均集成在一块电路板上。本实施例将控制模块1、数据采集模块2、数据存储模块3、传输模块4和电刺激模块5均集成在一块电路板，可以实现高度集成，减少设备体积。

进一步作为优选的实施方式，参照图2，所述数据采集模块2还包括第一多路选择器203、模数转换器204和至少两组放大滤波电路，各所述放大滤波电路的输入端接一电极的输出端，各所述放大滤波电路的输出端均与第一多路选择器203的输入端相连，所述第一多路选择器203的输出端与模数转换器204的输入端相连，所述模数转换器204的输出端与数据存储模块3的输入端连接。图2中包括第一放大滤波电路201和第二放大滤波电路202，两者的输出端均与第一多路选择器203的输入端相连，第一多路选择器203的输入端具有两个输入端口，可以分别接一放大滤波电路的输出端。

所述放大滤波电路用于将生物电信号预处理到适于模数转换器204的幅值，所述第一多路选择器203用于切换多路生物电信号数据的采集通道，所述模数转换器204用于将生物电信号由模拟信号转换为数字信号。

进一步作为优选的实施方式，所述数据存储模块3包括第一SDRAM芯片301、第二SDRAM芯片302、第三SDRAM芯片303和第二多路选择器，所述第一SDRAM芯片301和第二SDRAM芯片302的输入端均连接数据采集模块2的输出端，所述第一SDRAM芯片301和第二SDRAM芯片302的输出端通过第二多路选择器与传输模块4的输入端连接，所述第三SDRAM芯片303的输入端连接传输模块4的输出端，所述第三SDRAM芯片303的输出端与电刺激模块5的输入端连接，所述第一SDRAM芯片301、第二SDRAM芯片302和第三SDRAM芯片303均与控制模块1连接。所述第一SDRAM芯片301和第二SDRAM芯片302用于存储数据采集模块2采集的数据帧，所述第三SDRAM芯片303用于存储刺激波形数据，所述第二多路选择器用于切换对第一SDRAM芯片301和第二SDRAM芯片302的数据读写。

进一步作为优选的实施方式，所述电刺激模块5包括数模转换器501、整形电路502和刺激电极503，所述数模转换器501的输入端连接第三SDRAM芯片303的输出端，所述数模转换器501的输出端与整形电路502的输入端连接，所述整形电路502的输出端与刺激电极503的输入端连接，所述数模转换器501与主控模块连接。所述数模转换器501用于数字信号到模拟信号的转换，所述整形电路502用于把数模转换器501的输出波形调整到适当的幅值再输出。

进一步作为优选的实施方式，所述控制模块1包括单片机以及用于为单片机供电的电源电路。

进一步作为优选的实施方式，所述单片机包括软件陷波器，所述软件陷波器用于对第一SDRAM芯片301和第二SDRAM芯片302存储的数据进行软件陷波，即通过软件的方式进行软件陷波，可以减少电路体积。

进一步作为优选的实施方式，所述传输模块4包括WiFi芯片以及与WiFi芯片相连接的印制天线，所述WiFi芯片分别与数据存储模块3和控制模块1连接。WiFi芯片用于配置指令的接收、自定义刺激波形数据的接收和采集数据的发送，印制天线用于增强WiFi芯片的传输信号；WiFi芯片与控制模块1双向连接。

进一步作为优选的实施方式，还包括数据接收与配置模块，所述数据接收与配置模块与传输模块4连接。

进一步作为优选的实施方式，参照图4，所述数据接收与配置模块包括云平台和数据接收端，所述数据接收端通过云平台与传输模块4连接。云平台用于构建采集系统与用户端的交互、数据存储及后期处理，数据接收端用于发送配置指令和接收处理完毕的数据供查看。数据接收端通过云平台发送指令给单片机配置模数转换器204的采样率、配置数模转换器501的转换速率、配置数据帧编码格式、配置自定义点刺激波形及频率等。

参见图3，图3是为实现单模数转换器实现多通道采样而配置的特殊帧数据格式。在第一多路选择器203控制下对两路信号进行采样，把经由第一放大滤波电路201与第二放大滤波电路202处理的信号轮流采样，交错存放，在云平台实现通道数据分离，图3中分别用采样201数据和采样202数据表示第一放大滤波电路201与第二放大滤波电路202处理后的信号格式。

下面结合说明书附图和详细实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

参照图1~4，本发明的第一实施例：

本实施例的一种生物信号采集及刺激系统由数据采集端、云平台、数据接收端构成。数据采集端由控制模块1、数据采集模块2、数据存储模块3、传输模块4、电刺激模块5构成。

数据采集模块2通过放大滤波电路将电极采集到的信号进行放大，并通过模数转换器204将模拟信号转换成数字信号，并送入数据存储模块3。并且，控制模块1将数据存储模块3中的数据读出，进行软件陷波后发回数据存储模块3，再通过传输模块4完成数据进机。

本实施例的控制模块1在电路结构上包括单片机、时钟电路和电源电路。本实施例的单片机具有整个系统的控制调度功能且包含一个软件陷波器，此软件陷波器对数据存储模块3的数据进行软件陷波并写回数据存储模块3。

本实施例的数据采集模块2在电路结构上包括两组放大滤波电路、第一多路选择器和模数转换器。本实施例的数据采集模块2包含两个数据通道：第一放大滤波电路201，第二放大滤波电路202。由第一多路选择器203控制模数转换器204进行采样，形成数据帧，实现单个模数转换器204的多通道采样。

本实施例的数据存储模块3在电路结构上包含第二多路选择器304和三个DDR-III芯片：第一SDRAM芯片301、第二SDRAM芯片302、第三SDRAM芯片303。第一SDRAM芯片与第二SDRAM芯片接收来自数据采集模块2的数据以及经过软件陷波器处理过的数据。第三SDRAM芯片303接收来自传输模块4的刺激波形数据。

本实施例的传输模块4在电路结构上包含WiFi芯片及印制天线，完成与云平台的通信。

本实施例的传输模块5在电路结构上包含数模转换器501、整形电路502和刺激电极503。数模转换器根据数据存储模块3的第三SDRAM芯片303接收来自数据接收与配置模块的配置数据，生成电刺激波形，经过整形后达到要求，通过刺激电极503施加到被施加部位。

本实施例的数据接收与配置模块进行数据采集端的参数配置、波形数据配置和采样结果显示。云平台完成采样数据的存储及后期处理。

本实施例一种生物信号采集及刺激系统的工作原理为：

数据采集模块2中的放大滤波电路完成对电极信号的预处理，控制模块1通过第一多路选择器203控制模数转换器204按一定时序轮流采集信号并存入第一SDRAM芯片301，单片机读取第一SDRAM芯片301的数据，完成信号的数字陷波并告知控制模块1；传输模块4对第一SDRAM芯片301的数据进行发送，发送完后告知控制模块1； 进行第二SDRAM芯片302的数据存入及数字陷波，并告知控制模块1；传输模块4对第二SDRAM芯片302的数据进行发送并告知控制模块1；进行第一SDRAM芯片301的数据存入及数字陷波，并告知控制模块1。

云平台接收并存储来自数据采集端的数据。根据预先设置好的算法，云平台对数据进行后期处理，并将结果发给数据接收端。数据接收端通过云平台发送的电刺激预设波形数据通过传输模块4存入第三SDRAM芯片303，数模转换器501对其进行数模转换，随即整形为适用波形。

电刺激模块5在预定时间对指定部位进行预设波形的电刺激，数据采集模块2在控制模块1的调度下，在指定时间内采集生物电信号并发送给数据接收端。数据接收端可以是电脑、上位机或服务器等。

实际应用中，仅应用图1中的数据采集端也能实现本发明的生物信号采集及刺激功能，可根据实际需要选择是否配置云平台和数据接收端。

本实施例具有以下优点：

1、针对与其他设备协同需要额外的时序同步电路问题，设计了基于双缓存架构的异步“乒乓”数据吞吐机制，在缓存新采到的数据同时进行上次采集数据的传输，使前端采集与后端数据进机之间不需要时序同步电路，提高了采样数据与终端设备接入技术手段匹配的兼容性。保证系统工作在异步机制的情况下仍然能够完成连续不间断的监测。

2、设计了刺激与采集协同机制，上位机通过比对历史脑电信号，确定需要介入刺激的时间点及采样反馈信号的时间点，或者自定义。

3、设计了可调的采样率，用软件陷波方式替代传统的硬件滤波方式，提高迭代阶数，换取带外抑制率性能提升，进一步减小系统实现体积与成本。

4、依托云平台强大的存储及计算资源，进一步减小系统的体积、功耗与成本。

通过以上优点的结合，本发明实现了生物信号采集与电刺激功能一体化，具有高兼容性、低成本的优点，可以便携携带，便于推广应用。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。