腦電信號放大系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種腦電信號放大系統(tǒng)，更具體地說，本實用新型涉及一種應(yīng)用于直流精神分裂癥的具備40通道并行采集、放大的腦電信號放大系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]腦電圖(EEG)是腦神經(jīng)細(xì)胞電生理活動在大腦皮層或頭皮表面的總體反映。腦電信號中包含了大量的生理與疾病信息，在臨床醫(yī)學(xué)方面，腦電信號處理不僅可為某些腦疾病提供診斷依據(jù)，而且還為某些腦疾病提供了有效的治療手段。在工程應(yīng)用方面，人們也嘗試?yán)媚X電信號實現(xiàn)腦-計算機接口(BCI)，利用人對不同的感覺、運動或認(rèn)知活動的腦電的不同，通過對腦電信號的有效的提取和分類達(dá)到某種控制目的。但由于腦電信號是不具備各態(tài)歷經(jīng)性的非平穩(wěn)隨機信號，而且其背景噪聲也很強，因此腦電信號的分析和處理一直是非常吸引人但又是具有相當(dāng)難度的研究課題。本實用新型提供了高效的腦電信號放大方案，旨在為人腦生物電的監(jiān)測與分析技術(shù)提供新的方法。精神分裂癥是一組病因未明的重性精神病，多在青壯年緩慢或亞急性起病，臨床上往往表現(xiàn)為癥狀各異的綜合征，涉及感知覺、思維、情感和行為等多方面的障礙以及精神活動的不協(xié)調(diào)?；颊咭话阋庾R清楚，智能基本正常，但部分患者在疾病過程中會出現(xiàn)認(rèn)知功能的損害。病程一般迀延，呈反復(fù)發(fā)作、加重或惡化，部分患者最終出現(xiàn)衰退和精神殘疾，但有的患者經(jīng)過治療后可保持痊愈或基本痊愈狀態(tài)。
【實用新型內(nèi)容】
[0003]本實用新型的一個目的是解決至少上述問題和缺陷，并提供后面將說明的優(yōu)點。
[0004]本實用新型還有一個目的是提供一種腦電信號放大系統(tǒng)，通過設(shè)置40個40個腦電極，能夠進(jìn)一步提高腦電信號的采集范圍，更細(xì)致觀測腦區(qū)。
[0005]本實用新型還有一個目的是通過設(shè)置36個單極性放大器和4個雙極性放大器，由于雙電極的距離應(yīng)在3-6cm以上才能保證信號不被抵消，因此電極帽上電極之間距離不能太短，又因為電極帽上的電極是左右對稱設(shè)計的，放大器的個數(shù)必須為偶數(shù)，綜合考慮選擇36個單極性放大器和4個雙極性放大器的設(shè)計是最優(yōu)的。
[0006]本實用新型還有一個目的是通過在主控模塊的第一微處理器和第二微處理器之間設(shè)置磁耦隔離器，磁隔離不僅比光隔離速度更快，還具有電路設(shè)計更加簡潔，集成度高，低功耗等特點。
[0007]為了實現(xiàn)根據(jù)本實用新型的這些目的和其它優(yōu)點，提供了一種腦電信號放大系統(tǒng)，包括腦電極帽、腦電信號放大模塊以及并行采集模塊:
[0008]所述腦電極帽設(shè)置在頭皮上，其設(shè)置40個腦電極，任意一個所述腦電極接收腦皮層的腦電，并輸出腦電模擬信號；
[0009]所述腦電信號放大模塊將接收到的腦電模擬信號差分放大，其包括36個單極性信號放大器和4個雙極性信號放大器，所述任意一個單極性信號放大器或雙極性信號放大器與所述40個腦電極對應(yīng)；
[0010]所述并行采集模塊包括40個AD轉(zhuǎn)換器，任意一個所述AD轉(zhuǎn)換器與且只與一個單極性信號放大器或雙極性信號放大器導(dǎo)聯(lián)，對40路放大后的腦電模擬信號實時并行采集，并轉(zhuǎn)換成腦電數(shù)字信號。
[0011]優(yōu)選地，所述腦電信號放大系統(tǒng)還包括在線阻抗檢測網(wǎng)絡(luò)，其通過給所述腦電極帽施加交流電流，調(diào)節(jié)電極-皮膚接觸面反應(yīng)的電壓，使阻抗達(dá)到5-80毫歐。
[0012]優(yōu)選地，所述腦電信號放大系統(tǒng)還包括主控模塊，其包括第一微處理器以及第二微處理器，其中所述第一微處理器向并行采集模塊發(fā)送控制命令，根據(jù)阻抗值判斷是否從所述并行采集模塊接收腦電數(shù)字信號，隨后將接收的40路腦電數(shù)字信號經(jīng)磁耦隔離器傳輸至所述第二微處理器。
[0013]優(yōu)選地，所述腦電信號放大系統(tǒng)還包括USB2.0數(shù)據(jù)傳輸模塊和Butterworth濾波處理模塊，所述USB2.0數(shù)據(jù)傳輸模塊同步接收所述第二微處理器輸出的腦電數(shù)字信號，并向所述Butterworth濾波處理模塊傳輸，所述Butterworth濾波處理模塊設(shè)置一階高通、二階低通兩種濾波器對所采集腦電信號數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，完成顯示腦電信號的放大功能。
[0014]優(yōu)選地，所述腦電信號放大系統(tǒng)還包括設(shè)置在頭皮上的刺激模塊，所述刺激模塊包括均勻粘貼于頭部各處的電極，優(yōu)選為頭部的穴位上，用仿生物電自顱外無創(chuàng)傷地穿透顱骨屏障刺激大腦，所述刺激模塊與所述主控模塊相連，在所述主控模塊發(fā)出的刺激命令下，所述刺激模塊對頭皮進(jìn)行腦電仿生電刺激；
[0015]其中，所述主控模塊還包括第三微處理器，其對頭皮進(jìn)行分區(qū)，并對所述刺激模塊發(fā)出特定區(qū)域的刺激命令，同時對大腦皮層經(jīng)過電刺激后發(fā)出的腦電信號進(jìn)行對比，記錄發(fā)出最強腦電信號和最弱腦電信號的反應(yīng)區(qū)域。
[0016]優(yōu)選地，所述單極性信號放大器的輸入端為對二極管，輸出端為精密皮安級輸入電流的運算放大器。
[0017]優(yōu)選地，所述雙極性信號放大器的電流為1.3mA，輸入失調(diào)為50uV，輸入偏置電流為InA，CMRR為100dB，輸入噪聲為0.28uV。
[0018]優(yōu)選地，所述AD轉(zhuǎn)換器的分辨率為22bit，動態(tài)范圍為105dB，非線性為±0.003% ο
[0019]優(yōu)選地，所述并行采集模塊的接口為SPI總線接口。
[0020]優(yōu)選地，所述腦電仿生電刺激頻率為0.5Hz，刺激電流強度為20-400 μ A。本實用新型至少包括以下有益效果:
[0021]1、通過設(shè)置40個40個腦電極，能夠進(jìn)一步提高腦電信號的采集范圍，更細(xì)致觀測腦區(qū)。
[0022]2、通過設(shè)置36個單極性放大器和4個雙極性放大器，由于雙電極的距離應(yīng)在3-6cm以上才能保證信號不被抵消，因此電極帽上電極之間距離不能太短，又因為電極帽上的電極是左右對稱設(shè)計的，放大器的個數(shù)必須為偶數(shù)，綜合考慮選擇36個單極性放大器和4個雙極性放大器的設(shè)計是最優(yōu)的。
[0023]3、通過在主控模塊的第一微處理器和第二微處理器之間設(shè)置磁耦隔離器，磁隔離不僅比光隔離速度更快，還具有電路設(shè)計更加簡潔，集成度高，低功耗等特點。
[0024]本實用新型的其它優(yōu)點、目標(biāo)和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對本實用新型的研究和實踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。
【附圖說明】
[0025]圖1為本實用新型中實施例1的系統(tǒng)框圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實施。
[0027]應(yīng)當(dāng)理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術(shù)語并不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。
[0028]—種腦電信號放大系統(tǒng)，包括腦電極帽、腦電信號放大模塊以及并行采集模塊:
[0029]所述腦電極帽設(shè)置在頭皮上，其設(shè)置40個腦電極，任意一個所述腦電極接收腦皮層的腦電，并輸出腦電模擬信號；
[0030]所述腦電信號放大模塊將接收到的腦電模擬信號差分放大，其包括36個單極性信號放大器和4個雙極性信號放大器，所述任意一個單極性信號放大器或雙極性信號放大器與所述40個腦電極對應(yīng)；
[0031 ] 所述并行采集模塊包括40個AD轉(zhuǎn)換器，任意一個所述AD轉(zhuǎn)換器與且只與一個單極性信號放大器或雙極性信號放大器導(dǎo)聯(lián)，對40路放大后的腦電模擬信號實時并行采集，并轉(zhuǎn)換成腦電數(shù)字信號。
[0032]所述腦電信號放大系統(tǒng)還包括在線阻抗檢測網(wǎng)絡(luò)，其通過給所述腦電極帽施加交流電流，調(diào)節(jié)電極-皮膚接觸面反應(yīng)的電壓，使阻抗達(dá)到5-80毫歐。
[0033]所述腦電信號放大系統(tǒng)還包括主控模塊，其包括第一微處理器以及第二微處理器，其中所述第一微處理器向并行采集模塊發(fā)送控制命令，根據(jù)阻抗值判斷是否從所述并行采集模塊接收腦電數(shù)字信號，隨后將接收的40路腦電數(shù)字信號經(jīng)磁耦隔離器傳輸至所述第二微處理器。
[0034]所述腦電信號放大系統(tǒng)還包括USB2.0數(shù)據(jù)傳輸模塊和Butterworth濾波處理模塊，所述USB2.0數(shù)據(jù)傳輸模塊同步接收所述第二微處理器輸出的腦電數(shù)字信號，并向所述Butterworth濾波處理模塊傳輸，所述Butterworth濾波處理模塊設(shè)置一階高通、二階低通兩種濾波器對所采集腦電信號數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，完成顯示腦電信號的放大功能。
[0035]所述單極性信號放大器的輸入端為對二極管，輸出端為精密皮安級輸入電流的運算放大器。
[0036]所述雙極性信號放大器的電流為1.3mA，輸入失調(diào)為50uV，輸入偏置電流為InA，CMRR為100dB，輸入噪聲為0.28uV。
[0037]所述AD轉(zhuǎn)換器的分辨率為22bit，動態(tài)范圍為105dB，非線性為±0.003%。
[0038]所述并行采集模塊的接口為SPI總線接口。
[0039]所述腦電仿生電刺激頻率為0.5Hz，刺激電流強度為20-400 μ Α，有效輸出電流量小，對皮膚刺激小，使用者的接受程度高，并且由于是對頭皮進(jìn)行刺激，不需要植入腦內(nèi)，增強使用者的滿意度。
[0040]如圖1所示，一種腦電信號放大系統(tǒng)由在線阻抗檢測網(wǎng)絡(luò)、直流放大模塊、并行采集模塊、隔離電路、USB2.0傳輸模塊、Triger電路、數(shù)字Butterworth濾波處理顯示模塊，共7部分組成；
[0041]在線阻抗檢測網(wǎng)絡(luò):
[0042]電極-皮膚接觸阻抗的大小影響著腦電、心電等生理信號的質(zhì)量，過大容易引入50Hz干擾，生理信號的幅度也減小。在線阻抗檢測是通過給電極一皮膚接觸面施加交流電流，檢測電極一皮膚接觸面反應(yīng)的電壓信號，計算R = U/I。在植入過程中如果阻抗過大，就要調(diào)整處理，以減小接觸電阻。在線阻抗檢測網(wǎng)絡(luò)能實現(xiàn)實時的顯示電極帽和頭皮層接觸的阻抗值大小。
[0043]直流放大模塊:
[0044]直流放大，反應(yīng)了更寬的生理信號可以記錄，能夠更真實地反應(yīng)信號的成份。EEG生理電信號一般通過金屬拾取，在與腦膜接觸時會產(chǎn)生極化直流電位，一般在百mV以上，而模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍±2.5V，因而采用低倍率放大。低倍率放大，放大系統(tǒng)的穩(wěn)定性高，反應(yīng)快，沒有AC放大時間常數(shù)。
[0045]本實用新型直流放大模塊包括單極性信號放大器和雙極性放大信號放大器?？偼ǖ罃?shù)為40，其中單極性通道數(shù)為36，雙極型通道數(shù)為4。單極性放大采用同相放大結(jié)構(gòu)，本結(jié)構(gòu)具有高的輸入阻抗。結(jié)構(gòu)簡單，易于參數(shù)一致性，易于進(jìn)行軟件差分，提高共模抑制比。輸入端采取了對二極管，可以有效對抗靜電，保護(hù)精密皮安級輸入電流放大器件不被靜電損毀，放大倍數(shù)能達(dá)到19倍。雙極性放大采用經(jīng)典的儀表放大器，電路經(jīng)典，AD芯片，易于實現(xiàn)。AD芯片的特點:低功耗:1.3mA、輸入失調(diào):50uV、輸入偏置電流:InA、CMRR:100dB。輸入噪聲:0.28uV，放大倍數(shù)能達(dá)到10倍。
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