多通道脑电信号采集系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种多通道脑电信号采集系统，适用于脑电信号采集技术领域。


背景技术：

2.脑电信号是大脑神经细胞正常生理活动产生的一种自发性、节律性的生物电信号，蕴含丰富的人体生理和病理信息，可被用于检测人的生理以及心理状态，也可为脑卒中、癫痫、痴呆、肿瘤等脑部疾病或脑死亡提供诊断信息。采集有效的脑电信号并进行数据处理与分析，对大脑研究、生理研究和临床诊断具有重要意义。
3.随着神经医学、人工智能等技术的不断发展，基于脑电信号的脑机接口技术也已经被应用在许多领域，比如医学康复、智能控制、游戏娱乐、疲劳检测、军事领域等。在脑机接口技术中，脑电采集系统是重要的环节，能否方便地获取脑电信号，得到的脑电信号是否可靠，都将直接影响到脑机接口的性能以及应用场景。
4.脑电信号是一种微弱的生理电信号，并且不稳定，仅靠目视分析很难在复杂的脑电信号中提取出有意义的信号，因此采集难度较大。在脑电采集系统设计中，一般采用特殊电极进行采集，然后对脑电信号进行放大和滤波，通过ad转换后将信号传输到计算机。
5.传统的脑电采集系统虽然在采集精度上能够满足医疗和研究的要求，但是集成度低，存在装置体积较大、不宜携带、操作不便、价格昂贵、功率高等缺点，限制了其研究和应用的范围。这些问题都会影响脑机接口技术未来的发展方向及使用场景，一定程度上会制约脑电研究水平的发展。


技术实现要素：

6.本实用新型要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种高精度、体积小、信号传输速率快、传输稳定、功耗低、便于操作的多通道脑电信号采集系统。
7.本实用新型所采用的技术方案是：一种多通道脑电信号采集系统，其特征在于：
8.信号采集电极，用于与用户接触，采集用户的脑电信号；
9.ads1299芯片，用于将所述信号采集电极采集的脑电信号转换为无限逼近原始数据的离散数字信号序列；
10.滤波电路，用于将所述信号采集电极采集的脑电信号滤波后发送给ads1299芯片；
11.控制器，用于对所述ads1299芯片生成的离散数字信号序列进行工频陷波和0.3～45hz带通滤波处理；
12.通信模块，与控制器连接，用于所述控制器与上位机通信。
13.所述滤波电路包括工频陷波电路和低通滤波电路。
14.所述工频陷波电路采用双t型有源陷波器滤波电路。
15.所述低通滤波电路采用二阶低通滤波。
16.所述通信模块具有usb接口和/或蓝牙通信模块。
17.所述控制器上接有用于检测所述信号采集电极与用户头皮之间接触阻抗阻抗值
的阻抗检测模块；
18.所述阻抗检测模块具有接地的阻抗检测辅助电极；所述信号采集电极电路连接电流输出端；
19.电流输出端输出的电信号经信号采集电极、用户人体和阻抗检测辅助电极后接地，其中用户人体与信号采集电极和阻抗检测辅助电极之间均具有接触阻抗。
20.所述信号采集电极电路连接所述ads1299芯片，由ads1299芯片提供电流输出端；所述阻抗检测辅助电极电路连接ads1299芯片提供接地。
21.所述电流输出端输出电流为i、频率为f的交流信号，通过周期性对该采集系统采集的脑电信号数据做fft运算并得到频率f处的电压幅值vm，根据电压幅值vm结合电流i计算所述接触阻抗的阻抗值。
22.所述控制器上接有与所述阻抗检测模块关联的提示模块。
23.本实用新型的有益效果是：本实用新型通过硬件和软件滤波，使得获取的脑电信号质量更高，抗干扰性能更好。本实用新型通过采用高集成度、高性能的集成模拟前端代替原来的模拟放大电路，实现了脑电信号采集系统的小型化，同时保持系统性能的相对稳定和低能耗。本实用新型具有极高的输入阻抗、极低的输入参考噪声、采样率可调、极高的共模抑制比、可编程增益、极低的输入偏置电流、极低的功耗、超长待机等优点。本实用新型通过阻抗检测模块获取接触阻抗的阻抗值，根据接触阻抗阻抗值判断系统与被试头皮连接信号质量，在设备低电量时自动提醒，导联线掉线能够自动检测，具有更好的人机交互体验。本实用新型披露的脑电信号采集系统同时具备usb接口和蓝牙通信模块，能够满足不同的开发需求，具有更高的通信效率。
附图说明
24.图1为实施例的结构示意图。
25.图2为实施例中ads1299芯片与控制器的连接电路原理图。
26.图3为实施例中滤波电路的电路原理图。
27.图4为实施例控制器中软件处理流程图。
28.图5为实施例中阻抗检测模块的电路原理图。
29.1、信号采集电极；2、工频陷波电路；3、低通滤波电路；4、ads1299芯片；5、控制器；51、工频陷波模块；52、带通滤波模块；6、通信模块；7、上位机。
具体实施方式
30.本实施例为一种多通道脑电信号采集系统，具有信号采集电极、滤波电路、ads1299芯片、控制器和通信模块(usb接口和/或蓝牙通信模块)，滤波电路包括工频陷波电路和低通滤波电路，信号采集电极依次经工频陷波电路和低通滤波电路连接ads1299芯片，ads1299芯片经spi通信总线连接控制器，控制器采用stm32rcbt6，控制器配置有工频陷波模块和带通滤波模块，控制器上接有通信模块，控制器通过通信模块与上位机通信。
31.本实施例的工作原理如下：
32.选择合适头围的电极帽，将电极帽戴在用户头上，用盐水润湿棉签，依次拨开每个电极孔的头发，润湿头皮，用3g/100ml浓度的电解质盐水泡过的灵克棉，通过卡托安装到电
极帽上的相应信号采集电极上；
33.通过导联线将信号采集电极采集的脑电信号接入到ads1299芯片的前置处理电路(工频陷波电路和低通滤波电路)；
34.经过预处理的脑电信号再经过ads1299芯片的差分输入端口后被采集到a/d芯片内部，对数据进行内部处理，然后脑波信号被转换为无限逼近原始数据的离散数字信号序列；
35.ads1299芯片通过spi传输方式将转换后的数字量传送到控制器，数据暂储存在控制器；
36.控制器对ads1299芯片传输来的数字量进行数据处理：50hz工频陷波处理、0.3
‑‑
45hz的带通滤波处理，工频陷波处理具有无限冲击响应(iir)数字滤波器；带通滤波处理方式是采用设备中的控制器对数字信号进行处理，采用iir滤波器直接i型的带通滤波器，直接i型iir滤波器是基于二阶biquad级联的方式来实现的。每个biquad由一个二阶的滤波器组成：
37.y[n]＝b0*x[n]+b1*x[n
‑
1]+b2*x[n
‑
2]+a1*y[n
‑
1]+a2*y[n
‑
2]
[0038]
直接i型算法每个阶段需要5个系数和4个状态变量。本实施例的滤波阶数采用4阶，4阶iir滤波器的实现是采用二阶biquad级联的方式来实现的，参数numstages就是用来做指定二阶biquad的个数，此处numstages＝2，利用matlab工具箱生成iir滤波器系数。
[0039]
然后通过配置蓝牙模块与上位机的部分参数，如：蓝牙收发时的主从模式配置、上下位机通信的波特率、数据传输格式等，配置完成后，数据将从控制器通过蓝牙传输到上位机。
[0040]
本实施例中控制器上接有阻抗检测模块，用于检测信号采集电极与用户头皮之间接触阻抗阻抗值。阻抗检测模块具有阻抗检测辅助电极，阻抗检测辅助电极经电阻后接ads1299芯片的bias driver，bias driver作为电流的ground；信号采集电极经电阻电路连接ads1299芯片的lead off。
[0041]
信号采集电极和阻抗检测辅助电极均与用户头皮接触，由于阻抗检测辅助电极接地，ads1299芯片lead off端输出的6na，频率为62.5hz的交流电信号经信号采集电极、用户人体和阻抗检测辅助电极后接地，其中用户人体与信号采集电极和阻抗检测辅助电极之间均具有接触阻抗。
[0042]
本实施例通过周期性对该采集系统采集的脑电信号数据做fft运算并得到频率为62.5hz处的电压幅值vm，根据电压幅值vm结合lead off端输出的6na结合计算公式计算接触阻抗的阻抗值。本例中通过接触阻抗的阻抗值可以用来评估脑电信号连接质量。
[0043]
本实施例中在控制器上接有与阻抗检测模块关联的提示模块，提示模块包括电池电量显示、脑电信号连接质量提示和蓝牙连接信号提示。提示模块可以采用变换灯光颜色、亮度、频率等方式实现，也可以采用震动的方式实现。
[0044]
在一些实施例中，脑电信号连接质量提示采用三色灯显示，三色灯安装在脑电信号检测模块上。当三色灯显示为绿色时，表示连接质量良好；显示为黄色时，表示连接质量中等，可以稍作调整；显示为红色时，表示连接质量差，需要调整脑电信号检测模块的位置。
[0045]
在一些实施例中，电池电量提示采用4段格提示：满格4段亮，25％为一个段，低电量显示一格，同时显示为红色并以1hz频率闪烁。
[0046]
在一些实施例中，蓝牙连接信号提示采用三段圆弧形灯提示，满格为连接质量佳，闪烁则为不稳定，需要重新连接。