用於腦機接口的腦電信號檢測系統及其檢測方法
2023-05-31 13:37:31
專利名稱：用於腦機接口的腦電信號檢測系統及其檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種用於腦機接口的腦電信號檢測系統及其檢測方法，具體的說，設計了一 種腦電信號檢測系統及其檢測方法，能夠將P V級的腦電信號經放大、A/D轉換後送入計算機， 進而對信號記錄、顯示、保存、生成報表。具有可移植性強、操作簡單且功能全面等特點。
背景技術：
腦機接口主要包括兩個方面腦電信號的檢測和腦電信號的識別。其中，腦電信號的檢 測是前提和基礎。目前，檢測系統主要使用為腦認知領域研究而開發的腦電信號採集系統，
該系統價格昂貴，體積大、不適合於腦機接口的實際應用；也有單獨使用LabVIEW或MATLAB 軟體來實現的，LabVIEW在數值處理分析和算法工具等方面效率低、功能簡單，且程序可讀 性差；MATLAB則不方便實現實時操作和控制。
為了解決以上存在的問題，人們一直在尋求一種更為合理的方案。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，從而提供一種實時高效的用於腦機接口的腦電信 號檢測系統及其檢測方法。
為了實現上述目的，本發明採用下述技術方案
一種用於腦機接口的腦電信號檢測系統，包括一個電極帽，其特徵在於所述電極帽經一 個放大電路和一個數據採集卡連接到一個計算機。電極帽獲得頭皮的微弱腦電信號，輸出到
放大電路放大，放大後由數據採集卡對信號進行A/D轉換，轉換後的數字量送往計算機，由 使用CVI編寫的軟體實現數據採集、記錄顯示、保存等功能。
所述電極帽採用AgCl電極，有20個通道，具有清洗方便、彈性好等特點；數據採集卡 採用美國國家儀器NI公司的PCI-6229，該卡是基於32位PCI總線的16位32通道數據採集 卡，具有通道數目多、精度高、速度快等特點，利用它對信號進行A/D轉換。
所述放大電路由一個前置放大電路連接一個後級放大電路構成。在前置放大電路中，由 電極帽提取的WV級腦電信號的兩端經屏蔽電纜分別連接兩個運算放大器U1、 U2的同相輸入 端， 一個電阻R3分別與該兩個運算放大器U1、 U2的負輸入端連接，另一個電阻R連接在第 一運放U1的輸出端與負輸入端之間，還有一個電阻R2連接在一個第三運放U3的輸出端與負 輸入端之間，第一運放U1與第二運放U2的輸出端分別經電容兩個d、 G與一個第五運算放 大器U5的輸入端連接。第一運放Ul、第二運放U2的輸出之間串接電阻R4與R"電阻&與 Rs的公共端與第三運放U3的正輸入端相連接，第三運放U3的負輸入端直接與其輸出端相連，構成信號跟隨器，其輸出端與電阻R6、 R7的公共端連接。電容d與電阻Rs串聯，串聯後d的 另一端與第一運算放大器U1的輸出端連接，R6的另外一端接第三運放U3的輸出。電容C2與 電阻R7串聯，串聯後C2的另一端與第二運算放大器U2的輸出端連接，電阻R7的另外一端接 第三運放U3的輸出。第三運放U3的輸出端與一個第四運放U4的正輸入端連接，第四運放 U4的負輸入端直接與其輸出端連接，構成信號跟隨器，其輸出端與二電纜屏蔽層連接。電阻 Rs連接在第五運放U5的1、 8引腳間。前置放大電路的輸出(U5的6端)連接後級放大電路， 後級放大電路中，電阻R,s與一個第八運放U8的負輸入端連接，電阻Rw、電容Cn並聯後一端 接第八運放U8的正輸入端， 一端接地。電位器R2。連接在第八運放U8的負輸入端和輸出端之 間，第八運放U8的輸出端與電阻R2,的一端連接。
運放U1、 U2、 U3、 U4、 U8選用0P07晶片，具有高輸入阻抗、低噪聲、低功耗，低輸入 偏置電流，低輸入失調電壓的特點。運放U5選用新型的高精度儀表放大器AD620，具有低輸 入偏置電流、低輸入失調電壓以及較寬的輸入電壓(土2.3V-士18V)範圍，共模抑制比可高達 100dB，輸入噪聲很低，小於0.28uV (峰峰值)，帶寬120KHz (G=100)，而且功耗極低，最大 電源電流僅1. 3mA，電路增益可由1、 8引腳間的電阻決定。
在前置放大電路中，第一第二兩個運算放大器m、 U2和三個電阻R,、 R2、 Rs組成第一級 放大；電容C,、電阻R"電容C"電阻R7組成高通濾波電路。高通濾波電路用於消除極化電 壓的影響，濾除腦電信號中的直流和低頻成分，為第二級儀表放大器提高增益，進而為提高 電路的共模抑制比創造了條件；第五放大器U5和電阻R8構成第二級放大，將雙端差動輸出信 號轉換為單端輸出信號。後級放大電路用於對腦電信號做進一步的放大，使得電路整體放大 倍數為兩萬倍到十萬倍左右。
一種用於腦機接口的腦電信號檢測方法，採用上述的檢測系統進行檢測，其特徵在於軟 件部分採用LabWindows/CVI編寫，實現信號的記錄、顯示、保存、列印等功能，且具有嵌入 C語言及MATLAB算法的優點，且操作簡單、功能全面。具體操作步驟如下
1) 參數設置在界面上設置有關採樣的通道號、通道數、每個通道的採樣點數、採樣率、 信號的幅值範圍、文件保存時間、實驗者的姓名、性別和年齡等相關信息。
2) 信號採集與波形顯示單擊"Acquire"採集按鈕，多路開關對採樣通道進行一次掃描， 每通道採樣一個點，經A/D轉換晶片並存儲數據至緩存，如此循環，直到採集到了所需的次 數。同時通過設備驅動程序，將緩存中數據讀取到計算機內存並實現多通道數據實時波形顯 示。
3)數據存儲點擊"Acquire"控制項(相當於時間零基準)，在其後的TimerFrom毫秒後開始數據的存儲，持續記錄Timerlnterval毫秒。或者選中複選框存儲全部數據。數據以文 本的格式存儲。
4)報表生成程序利用了 LabWindows/CVI與ActiveX自動化庫中Microsoft Word相結 合生成Word報表，並賦以列印功能，充分結合了 Word的強大功能，能將被試全部個人信息 完整的保留在計算機中或列印出來，便於離線分析。
本發明與現有技術相比，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點能夠實現腦 電數據的實時採集，有利於腦電信號的在線分析，為腦機接口的實現奠定了基礎，能夠作為 腦電信號的檢測系統及其檢測方法。
圖1是本發明具體實施例的檢測系統框圖。 圖2是本發明具體實施例的放大電路圖。 圖3是本發明具體實施例的放大電路輸入輸出波形。 圖4是本發明具體實施例的檢測方法流程圖。 圖5是本發明具體實施例的檢測方法界面圖。
具體實施例方式
本發明的一個優選實施例結合附圖詳述如下參見圖1，用於腦機接口的腦電信號檢測
系統，包括一個電極帽l，該電極帽經一個放大電路2和一個數據採集卡3連接到一個計算 機4。電極帽1獲得頭皮的微弱腦電信號，輸出到放大電路2放大，放大後由數據採集卡3 對信號進行A/D轉換，轉換後的數字量送往計算機4，由使用CVI編寫的軟體實現數據採集、 記錄顯示、保存等功能。其中，電極帽1中採用AgCl電極，有20個通道，數據採集卡3採 用美國國家儀器NI公司的PCI-6229，該卡是基於32位PCI總線的16位32通道數據採集卡。 參見圖2，上述放大電路2由一個前置放大電路連接一個後級放大電路構成。 1)在前置放大電路中，由電極帽l提取的iiV級腦電信號的兩端經屏蔽電纜分別連接第 一、第二兩個運放U1、 U2的同相輸入端，電阻R3分別與第一、第二兩個運放U1、 U2的負輸 入端連接，電阻R,連接在第一兩個運放U1的輸出端與負輸入端之間，電阻R2連接在一個第 三運放U3的輸出端與負輸入端之間，第一、第二兩個運放U1與U2的輸出端分別經電容C,、 C2與一個第五運算放大器U5的輸入端連接。第一、第二兩個運放U1、 U2的輸出之間串接電 阻R4與R5， &與Rs的公共端與第三運放U3的正輸入端相連接，第三運放U3的負輸入端直接
與其輸出端相連，構成信號跟隨器，其輸出端與電阻Rs、 R7的公共端連接。電容d與電阻Re
串聯，串聯後d的另一端與第一運算放大器Ul的輸出端連接，Re的另外一端接第三運放U3的輸出。電容C2與電阻R7串聯，串聯後G的另一端與第二運算放大器U2的輸出端連接，R7 的另外一端接第三運放U3的輸出。第三運放U3的輸出端與一個第四運放U4的正輸入端連接， 第四運放U4的負輸入端直接與其輸出端連接，構成信號跟隨器，其輸出端與二電纜屏蔽層連 接。電阻Rs連接在第五運放U5的1、 8引腳間。前置放大電路的輸出(U5的6端)連接後級 放大電路，後級放大電路中，電阻R,s與一個第八運放U8的負輸入端連接，電阻Rw、電容d, 並聯後一端接U8的正輸入端， 一端接地。電位器R2。連接在第八運放U8的負輸入端和輸出端 之間，第八運放U8的輸出端與電阻^的一端連接。
運放U1、 U2、 U3、 U4、 U8選用OP07晶片，具有高輸入阻抗、低噪聲、低功耗，低輸入 偏置電流，低輸入失調電壓的特點。第五運放U5選用新型的高精度儀表放大器AD620，具有 低輸入偏置電流、低輸入失調電壓以及較寬的輸入電壓(士2.3V-土18V)範圍，共模抑制比可 高達100dB，輸入噪聲很低，小於0.28uV (峰峰值)，帶寬120KHz (G=100)，而且功耗極低， 最大電源電流僅1.3mA，電路增益可由l、 8引腳間的電阻決定。前置放大電路放大倍數設為 2000倍左右，其中第一、二級放大電路放大倍數分別設為20、 100，可取電阻R產R^10k， R3=lk， R6=0. 5K。
2)後級放大電路中， 一個電阻IU與第八運放U8的負輸入端連接，電阻R^、電容Cu並 聯後一端接第八運放U8的正輸入端， 一端接地。電位器R2。連接在第八運放U8的負輸入端和 輸出端之間，第八運放U8的輸出端與電阻I^的一端連接。採用反相放大器的形式，通過一 個電位器R2。對電路整體增益進行調節，用於對腦電信號做進一步的放大，使其幅值落在A/D 轉換器的輸入範圍之內。
參見圖3，所述本發明具體實施例的電路輸入輸出波形。對圖2所述放大電路，當輸入 信號幅值為50uV，頻率為20Hz時，經過本電路放大兩萬多倍後，輸出電壓幅值約1.15V。
參見圖4及圖5，本發明具體實施例的檢測方法採用上述的檢測系統進行檢測，採用CVI 編寫，實現信號的記錄、顯示、保存、列印等功能，具體操作步驟如下
1) 參數設置在界面上設置有關採樣的通道號、通道數、每個通道的採樣點數、採樣率、 信號的幅值範圍、文件保存時間、實驗者的姓名、性別和年齡等相關信息。
2) 信號採集與波形顯示單擊"Acquire"採集按鈕，多路開關對採樣通道進行一次掃描， 每通道採樣一個點，經A/D轉換晶片並存儲數據至緩存，如此循環，直到採集到了所需的次 數。同時通過設備驅動程序，將緩存中數據讀取到計算機內存並實現多通道數據實時波形顯
3) 數據存儲點擊"Acquire"控制項(相當於時間零基準)，在其後的Ti鵬rFrom毫秒後開始數據的存儲，持續記錄Timerlntei"val毫秒。或者選中複選框存儲全部數據。數據以文 本的格式存儲。
4)報表生成程序利用了 LabWindows/CVI與ActiveX自動化庫中Microsoft Word相結合 生成Word報表，並賦以列印功能，充分結合了 Word的強大功能，能將被試全部個人信息完 整的保留在計算機中或列印出來，便於離線分析。 使用上述方法前，校驗系統的方法-
採用可輸出PV級信號的WY1606L數字合成函數信號發生器作為電路輸入，經腦電信號 檢測電路處理後的輸出經採集卡由編寫的CVI軟體進行採集、記錄和顯示，其中一個通道的 採集結果的波形顯示如說明書附圖中圖5所表示。
權利要求
1. 一種用於腦機接口的腦電信號檢測系統，包括一個電極帽(1)，其特徵在於所述電極帽(1)經一個放大電路(2)和一個數據採集卡(3)連接到一個計算機(4)；所述電極帽(1)獲得頭皮的微弱腦電信號後輸出到所述放大電路(2)放大，放大後由所述數據採集卡(3)對信號進行A/D轉換，轉換後的數字量送往所述計算機(4)，實現數據採集、記錄顯示和保存，為腦機接口中腦電信號檢測識別奠定基礎。
2. 根據權利要求1所述的用於腦機接口的腦電信號檢測系統，其特徵在於所述電極帽(1)中 採用AgCl電極，有20個通道；所述數據採集卡(3)採用美國國家儀器NI公司的PCI-6229 型採集卡，該卡是基於32位PCI總線的16位32通道數據採集卡，利用它實現信號的A/D 轉換。
3. 根據權利要求1所述的用於腦機接口的腦電信號檢測系統，其特徵在於所述放大電路(2) 由一個前置放大電路連接一個後級放大電路構成；在前置放大電路中，由電極帽提取的PV 級腦電信號的兩端經屏蔽電纜分別連接兩個運算放大器Ul、 U2的同相輸入端， 一個電阻 fc分別與兩個運算放大器Ul、 U2的負輸入端連接，另一個電阻R,連接在一個運算放大器 Ul的輸出端與負輸入端之間，還有一個電阻R2連接在第三個運算放大器U3的輸出端與負 輸入端之間，所述兩個運算放大器Ul與U2的輸出端分別經兩個電容d、 C2與第五個運算 放大器U5的輸入端連接；所述兩個運算放大器U1、 U2的輸出之間分別各串接兩個電阻R4 與R5， R,與Rs的公共端與第三個運算放大器U3的正輸入端相連接，第三個運算放大器U3 的負輸入端直接與其輸出端相連，構成信號跟隨器，其輸出端與兩個電阻R6、 &的公共端 連接；所述電容d與電阻Re串聯，串聯後電容C,的另一端與所述第一運算放大器U1的輸 出端連接，電阻R6的另外一端接第三個運算放大器U3的輸出；電容C2與電阻R7串聯，串 聯後電容C2的另一端與所述第二運算放大器U2的輸出端連接，R7的另外一端接第三運放 U3的輸出；第三運放U3的輸出端與第四運放U4的正輸入端連接，第四運放U4的負輸入 端直接與其輸出端連接，構成信號跟隨器，其輸出端與二電纜屏蔽層連接；電阻&連接在 第五運放U5的1、 8引腳間；前置放大電路的輸出，即第五運放U5的6端連接後級放大電 路；後級放大電路中，電阻l與第八運放U8的負輸入端連接，電阻Rw、電容d,並聯後一 端接第八運放U8的正輸入端， 一端接地；電位器R2。連接在第八運放U8的負輸入端和輸出 端之間，第八運放U8的輸出端與電阻R2,的一端連接。
4. 一種用於腦機接口的腦電信號檢測方法，採用權利要求1所述用於腦機接口的腦電信號檢 測系統進行檢測，其特徵在於該檢測方法的具體操作步驟為-1)參數設置在界面上設置有關採樣的通道號、通道數、每個通道的採樣點數、採樣率、信號的幅值範圍、文件保存時間、實驗者的姓名、性別和年齡信息；2) 信號採集與波形顯示多路開關對採樣通道進行一次掃描，每通道採樣一個點，經A/D 轉換晶片並存儲數據至緩存，如此循環，直到採集到了所需的次數；同時通過設備驅 動程序，將緩存中數據讀取到計算機內存並實現多通道數據實時波形顯示；3) 數據存儲在時間零基準後開始數據的存儲，數據以文本的格式存儲；4) 報表生成生成Word報表，並賦以列印功能,將被試全部個人信息完整的保留在計算 機中或列印出來，便於離線分析。
全文摘要
本發明涉及一種用於腦機接口的腦電信號檢測系統及其檢測方法。本系統包括一個電極帽，電極帽經一個放大電路和一個數據採集卡連接到一個計算機。完成腦電信號的放大濾波等預處理及A/D轉換。A/D轉換後的腦電信號經過數據採集卡送入計算機，由軟體部分實現信號的記錄、顯示、保存、列印等功能，用LabWindows/CVI軟體編寫。該檢測系統具有可移植性強、開發周期短、開發質量高、操作簡單且功能全面的特點。本發明能夠作為腦電信號檢測系統，且能方便地嵌入腦機接口的模式識別方法，為腦機接口的實現奠定了基礎。
文檔編號A61B5/0476GK101436100SQ20081020397
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月4日 優先權日2008年12月4日
發明者關俊強, 楊幫華, 潘中橋, 玲 袁, 馬世偉 申請人:上海大學