頭皮電勢測量方法和設備的製作方法

2023-05-27 02:12:51 2

專利名稱：頭皮電勢測量方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及醫療設備，且特別涉及用於產生腦電圖(EEG)的醫療設備。然而， 將會理解，本發明不限於這種特定使用領域。已經主要提出了用於測量頭皮電勢的方法和設備的實施例，以下將參照本申請描 述這些實施例。
背景技術：
在本說明書中對現有技術的任何討論均不應當認為是承認這種現有技術普遍熟 知或形成本領域的公知常識的一部分。EEC波形按照常規記錄在臨床設置中，用於癲癇症的診斷和其它在腦電波數據明 顯的情況。這些EEC波形通常採用傳感器陣列進行測量，所述傳感器陣列應用於頭盔，所述 頭盔由從頭盔延伸並在下巴下拴緊的系帶固定到頭部。這些傳感器的應用通常要求給頭髮分縫，並通過施加導電磨料凝膠去除任何壞死 的頭皮組織。傳感器通常通過使用夾子或螺絲釘連接至頭盔，使得當使用頭盔時，它向著頭 皮向傳感器施加正壓。這種設置傳感器的方法通常允許在必須重新應用頭皮準備之前進行 約1個小時的連續BEG測量。如由Advanced Brain Monitoring公司提出的可替換的方案，設置了無線傳感器 頭帶式聽筒，其可以連續使用約8個小時才不能再用。然而，對於這種裝置，為了在傳感器 和頭皮之間提供8個小時的連接，傳感器在使用期間通過頭髮排出導電乳膏。目前的技術 通常教導了改進並維持在傳感器和頭皮之間的穩定導電連接以克服這種問題的方法。在本領域需要測量頭皮電勢的方法和設備，其很少要求至頭皮的傳導性。

發明內容
目標是提供一種用於測量頭皮電勢的改進的方法和設備，其可以有效地進行使 用，頭皮準備相對較少或幾乎沒有。根據本發明的第一方面，提供了一種用於頭皮電勢測量的設備，包括多個傳感器，適合通過頭皮和空氣接口測量原始頭皮電勢測量值，所述接口呈現 出耦接至所述頭皮的高的可變源阻抗；和多個預放大器，耦接至所述傳感器中的相應的一個，其中每個所述預放大器適合 具有明顯高於由所述傳感器源接口呈現的阻抗的輸入阻抗，其中所述預放大器接收所述原 始頭皮電勢測量值，並產生預放大的頭皮電勢測量值，用於產生預放大的頭皮電勢測量值。優選地，所述傳感器源接口阻抗由任何接觸介質、頭皮和皮下組織呈現。優選地，其中所述輸入阻抗為有源的，並且通過應用反饋而增加。優選地，所述預放大器包括寬帶高阻抗輸入端和有源偏置網絡，從0. 01Hz至 400Hz適合呈現出大於10千兆兆歐姆(Peta-Ohms)的輸入阻抗。更優選地，所述預放大器 包括具有10兆兆歐姆(Tera Ohms)的輸入阻抗的高增益低噪聲幹線至幹線FET輸入運算放大器和用於呈現所述輸入阻抗的屏蔽反饋和偏置網絡。優選地，該設備還包括共模濾波器放大器，耦接至所述預放大器，其中所述共模濾波器適合消除包括在 所述預放大頭皮電勢測量值中的共模信號的主要成分和噪聲，以產生共模信號消除的頭皮 電勢測量值；和RF抑制系統，用於抑制所述共模信號消除的頭皮電勢測量值的RF噪聲，以產生RF 被抑制的頭皮電勢測量值。優選地，所述共模濾波放大器和所述RF抑制系統適合在每個頭皮電勢測量值信 號通道上保留基本上相同的增益、相位和延遲。優選地，該設備還包括差分放大器系統，用於放大所述RF被抑制的頭皮電勢測量值，以產生放大的頭皮 電勢測量值；和帶通濾波器，用於對所述放大的頭皮電勢測量值進行濾波，以基本上最小化後續 數字轉換期間的混疊效應。優選地，其中所述差分放大器系統和所述帶通濾波器適合在每個所述頭皮電勢測 量值信號通道上保留基本上相同的增益、相位和延遲。優選地，所述帶通濾波器為低頻暫態高通濾波器和高頻抗混疊低通濾波器的形 式。更優選地，所述帶通濾波器適合提供合適的低頻暫態抑制，並還適合在尼奎斯特頻率處 為預定的模數轉換器提供比量化水平的一半大的衰減。更優選地，所述帶通濾波器為具有 IHz至40Hz的帶通的六階對稱帶通濾波放大器。優選地，至所述差分放大器的輸入可以從一組包括公共參考信號、平均信號和預 放大和緩存的傳感器信號的信號中的任一個中選擇。優選地，該設備還包括數字轉換器，用於對一個或多個頭皮電勢測量值進行數字轉換；第一處理器，用於在所述一個或多個頭皮電勢測量值進行信號處理，並產生輸出 信號。優選地，所述輸出信號無線傳輸至第二處理器。優選地，該設備還包括信道互連模塊，適合抑制每個頭皮電勢測量值信號通道之 間的信道之間RF幹擾。優選地，所述信道互連模塊適合從包括信道至參考信道模式、信道至信道平均模 式和信道至信道差分模式的組中選擇頭皮電勢測量值模式。根據本發明的第二方面，提供了用於頭皮電勢測量的方法，包括步驟在所述傳感器處接收原始頭皮電勢測量值，其中所述測量值是通過頭髮和空氣獲 得的；以及用高輸入阻抗放大器預放大所述原始頭皮電勢測量值，以產生預放大的頭皮電勢
測量值。優選地，該方法還包括步驟消除所述預放大的頭皮電勢測量值的共模信號的主要成分和噪聲，以產生共模信 號消除的頭皮電勢測量值；和
抑制所述共模信號消除的頭皮電勢測量值的RF噪聲，以產生RF被抑制的頭皮電
勢測量值。優選地，該方法還包括步驟放大所述RF被抑制頭皮電勢測量值，以產生用於數 字轉換的放大的頭皮電勢測量值。優選地，該方法還包括步驟對所述放大的頭皮電勢測量值進行帶通暫態和抗混疊濾波，以產生用於數字轉換 的抗混疊的頭皮電勢測量值；對所述抗混疊的頭皮電勢測量值進行數字轉換，以產生一系列的數位化的頭皮電 勢值；處理所述系列的數位化的頭皮電勢值，以產生頭皮電勢波形信號；和產生測量波形。優選地，該方法還包括步驟在無線線路上傳輸用於由第二處理器接收的輸出信號。優選地，所述接收原始頭皮電勢測量值是通過頭髮和空氣接口測量的，所述接口 呈現出耦接至所述頭皮的高的可變源阻抗，並且所述預放大器適合具有明顯高於所述源接 口呈現的阻抗高的輸入阻抗。優選地，所述輸入阻抗為有源的，並且由應用反饋的步驟增 加。根據本發明的第三方面，提供了一種用於頭皮電勢測試的方法，包括從用於限定相應的多個信道的多個傳感器接收輸入原始頭皮電勢信號；從包括信道至參考信道模式、信道至信道平均模式和信道至信道差分模式的組中 選擇測量模式結構；偏置所述輸入信號，同時保持高輸入阻抗；在有差別地導出信道信號之前匹配信道增益；抑制所述信道信號的射頻幹擾，同時保持增益和相位匹配，作為提供處理過的信 道信號的另一步驟；當進行提供所述處理過的信道信號的另一步驟時，抑制所述信道信號的共模信號 幹擾；當進行提供所述處理過的信道信號的另一步驟時，對所述信道信號進行帶通濾 波；對所述處理過的信號進行數字轉換，用於提供表示根據所述選定的測量模式測量 的所述輸入信號的數字頭皮電勢測量值信號。優選地，所述高輸入阻抗由包括高輸入阻抗放大器的預放大器提供，所述高輸入 阻抗放大器用於放大所述原始頭皮電勢測量值，以產生預放大的頭皮電勢測量值。優選地 所述輸入阻抗明顯高於與源接口相關的呈現給所述傳感器的阻抗。優選地，所述接口阻抗 由任何接觸介質、投票和皮下組織呈現。優選地，所述輸入阻抗為有源的，並通過應用反饋 而增加。優選地，所述預放大器包括寬帶高阻抗輸入端和有源偏置網絡，從0. OlHz至400Hz 適合呈現大於10千兆兆歐姆的輸入阻抗。根據本發明的另一方面，提供了一種用於頭皮電勢測量的設備，包括多個傳感器，其中的一個可以認為是差模、參考或共模，適合通過頭髮和空氣接口測量原始頭皮電勢測量值，接口呈現出耦接至頭皮的高的可變源阻抗；和預放大器，耦接至傳感器，其中預放大器適合具有明顯高於由源接口呈現的阻抗 的輸入阻抗，其中預放大器接收原始頭皮電勢測量值並產生預放大的頭皮電勢測量值。


現在將參照附圖，僅以舉例的方式，描述優選的實施方式，在附圖中圖1為用於測量頭皮電勢的設備的示例性方塊圖；圖2為根據圖1的設備的示例性高層示意圖；圖3為根據圖2的模擬電路的示例性高層示意圖；圖4為根據圖2的預放大器模塊的示例性示意圖；圖5為根據圖2的放大器模塊的示例性示意圖；圖6為根據圖2的接口模塊的示例性示意圖；圖7為根據圖2的模數模塊的示例性示意圖；圖8為根據圖2的處理器模塊的示例性示意圖；圖9為根據圖2的原位編程埠模塊的示例性示意圖；圖10為根據圖2和3的信號、電力和接地配置的示例性示意圖；和圖11為用於測量頭皮電勢的方法的示例性流程圖。
具體實施例方式參照附圖，公開了用於測量頭皮電勢的方法和設備的優選實施方式。接下來的實施方式提供了用於處理來自優選為電極形式的傳感器的信號的方法 和設備，使得頭皮電壓勢的測量以相對少或沒有頭髮和皮膚準備的方式進行。這降低了常 規EEG測量的用於使壞死的層積上皮細胞脫落的現行需求，或者降低了磨料或導電膠狀物 的應用。將會理解的是，在這些實施方式中傳感器優選為電極。還將會理解的是，傳感器可 以為無源或有源器件。開始參照圖1，實施方式的示例性方塊圖100包括傳感器(或電極)110、預放大器 120、共模濾波放大器125、RF抑制濾波器130、差分放大器140、瞬態抗混淆濾波器150、數 字化器160、數字處理器170和顯示或存儲裝置180。在該實施方式中，差分放大器140放 大兩個傳感器信號之間的差異，這兩個傳感器信號中的一個可以認為是選定的公共或參考信號。圖2示出了具有4個輸入傳感器的實施方式的高層電路示意圖200。每個輸入傳 感器具有關聯的預放大器模塊210。這些預放大器模塊提供了預放大器和RF抑制濾波器。 每個預放大器模塊連接至對應的放大器模塊220。在該實施方式中，每個放大器模塊220提供了差分放大器和帶通放大器形式的抗 混疊濾波器。優選地，差分放大器選擇性地放大參考信號、輸入的平均值或另一輸入信號之 間的差異。帶通放大器配置為對信號進行抗混疊濾波。分立的參考預放大器模塊230為系 統提供緩衝參考信號。這些放大器模塊220和參考預放大器模塊230的輸出經由接口模塊240連接，接 口模塊240還將信號引向電源和模數轉換器模塊250。接口模塊240還提供共模反饋放大器，共模反饋放大器驅動共模反饋傳感器241和參考信號緩衝器，參考信號緩衝器驅動接 地電源傳感器242。電源和模數轉換器模塊250定時採樣，並對每個測量的信號進行數字轉換。這種 定時採用和數字轉換的信號提供至處理器模塊260。處理器模塊對採樣信號進行其它處理， 以產生用於輸出的頭皮電勢測量值。由處理器模塊產生的結果經由藍牙模塊270輸出。還設置了其它模塊。電池模塊280向系統提供穩定的電源供給，且包括電池充電 系統。原位編程埠 290還顯示為用於編程和與處理器模塊260通信的裝置。圖3示出了模數處理300的示例性整體示意圖。這種高層示意圖集中在單信道的 信號修整上。對每個輸入傳感器信號重複進行由該示意圖表示的模擬處理。在該實施方式中，輸入傳感器信號由預放大器305處理。首先，傳感器信號由單位 增益緩衝器310緩存，反饋適合增加輸入阻抗。在該實施方式中，輸入阻抗為有源的，並有 通過應用反饋而增加。緩存的傳感器信號311傳播到平均加法器和RF信號濾波緩衝器330 以及共模反饋濾波器和放大器340。緩存的傳感器信號311通過差模低通濾波器315傳遞， 以抑制RF幹擾信號，並且隨後由第二單位增益緩衝器320緩存。預放大和緩存的信號321 作為參考信號351接口模塊，並傳遞至差分放大器350。該示意圖還示出了所有的緩衝的輸入傳感器信號311優選由平均加法器和RF信 號濾波緩衝器330平均和緩存，以產生平均信號331。這種平均放大器包括由低噪聲單位增 益放大器緩存的求和低通RF濾波電路，以產生為所有的輸入傳感器信號的平均值的輸出 平均信號331。該平均信號331用於「信道至信道平均」測量模式(下文中的模式2)。這 種電路已經選定相移和信號延遲特性，以匹配差分RF濾波器315。共模反饋濾波和放大器340用來抑制共模信號，並將共模信號放大至差模抑制特 性(differential mode rejection characteristics)。這種反饋放大器包括求和電路， 其形成該放大器附近的濾波反饋電路的一部分。反饋放大器產生高增益負反饋共模信號消 除輸出341，其施加至共模反饋傳感器342，並作為信道5信號343傳播至模數轉換器模塊 380。在該實施方式中，參考信號/接地電源單位增益緩衝器345產生接地電源輸出 346，其輸出接地電源傳感器347。這完成了外部反饋網絡，其由所有的反饋、接地電源和傳 感器的接觸阻抗以及頭皮和下面的組織內的皮下阻抗組成。預放大和緩存的信號351被交流連接並施加至差分放大器350。在該實施方式中， 其它差分放大器輸入信號352從公共參考信號353 (模式1)、平均信號321 (模式2)或另一 預放大和緩存信號321 (模式3)中選出。所選出的信號352隨後被交流連接並施加至差分 放大器。差分放大器350放大預放大和緩存的信號351和選出的信號352之間的差異，並 產生差分信號353。在該實施方式中，至差分放大器的輸入可以從包括公共參考信號、平均 信號和預放大和緩存的傳感器信號的信號組中任何一個或多個選擇。取決於所選擇的模式，不同數目的信號都是可行的。以N個輸入信號為基礎，在下表中這些描述了這些可能性。模式基於N個傳感器測量值的信號 模式1以SIG_REF為參照的信號(η) _N種可能信號_模式2以平均信號為參照的信號(η)
__N種可能信號_
模式3以信號(m)為參照的信號(η) (Ν-1)+(Ν-2)+...+1 種可能信號差分信號353隨後由帶通濾波器級360過濾，用於降低在信號的隨後的數位化中 出現的混淆假象。在該實施方式中，濾波器級360包括串聯的三級。所述級包括帶通濾波 器361、低通濾波器362和高通濾波器363。帶通濾波的信號364隨後提供至模數轉換器模 塊 370。參考信號/信號接地緩衝器370隔離並緩存參考信號381，產生信號地382，其傳 播至帶通濾波器、差分放大器和預放大器電路。現在接下來是包括實施方式的模塊的更詳細的公開。圖4示出了預放大器模塊400的示意圖。輸入傳感器信號410施加至串聯的單位 增益緩衝器420、低通濾波器430和單位增益緩衝器440。對輸入傳感器的屏蔽由屏蔽信號450主動驅動。該屏蔽信號主要由單位增益緩衝 器420的輸出驅動。緩衝器420由反饋網絡460偏壓，並且為輸入傳感器信號410顯示出2G歐姆的DC 輸入阻抗。AC輸入阻抗由反饋網絡支持，乘以緩存放大器的開環增益。在該實施方式中，選 擇該電路以在IHz和40Hz之間呈現1千兆兆歐姆(IO15Ohms)。這種AC輸入阻抗優選明顯 高於源接口，其由任何接觸介質、頭皮和下面的組織呈現。主要地，在頭皮和輸入傳感器之間存在阻抗連接。為了與皮膚直接接觸，所述連接 具有相對低的源阻抗。其中傳感器由頭髮與皮膚隔離，排汗可能形成電解導電路徑，並且還 呈現出相對低的源阻抗。這種輸入阻抗通常在傳感器和頭皮之間具有氣隙時增加。單位增益預放大器420設置由相對高且適合匹配的輸入阻抗，其能夠改善頭皮信 號的檢測。通過提供精確的信道增益匹配和信號放大，已經發展了用來呈現這種高輸入阻 抗的技術。優選地，預放大器420具有寬度高阻抗輸入和有源偏置網絡，其從0. OlHz至400Hz 之間呈現出大於10千兆兆(Peta)歐姆(IO16Ohms)。具有10兆兆(tera)歐姆(IO19Ohms) 輸入阻抗的高增益、低噪聲、幹線至幹線(rail-to-rail)PET輸入運算放大器結合被屏蔽 的反饋和偏置網絡用來呈現所希望的輸入阻抗。這用來降低由不同的源特性引起的源阻抗 的變化引起的效應，這種不同的源特性是由包括皮膚、頭髮和人體環境的因素的結合產生 的。它還能夠在後續信號處理之前，在信道之間確保高精度的預放大器增益匹配。在該實施方式中，用於高阻抗預放大器的反饋和偏置網絡採用至兩個高歐姆直流 偏壓電阻器的中間的單位增益正交流反饋。進行數學分析，以提供穩定性標準，用於避免振
10蕩。這種網絡在系統帶寬範圍內保持高輸入阻抗，從而優選地在信道之間保持高精度增益 匹配。單位增益正反饋還用來驅動預放大器輸入和傳感器的有源屏蔽。優選地，RF抑制電路430結合網路線路625 (圖6中所示)實現RF濾波，並提供 RF幹擾的差模和共模信號抑制，同時在信道之間保持高精度增益匹配，並補償共模RF抑制 技術中固有的相移和延遲。如圖所示，這種RF抑制網絡採用『delta』結構，而不是通常用在常規差模設計中 的『pi』結構。這種結構便於多信道系統上的RF抑制，而不影響信道之間的高精度增益匹 配。在該實施方式中，RF抑制濾波器的輸出在將最終輸出信號提供至放大器模塊之前 由低噪聲單位增益緩衝器440緩存。優選地，這種配置的相特性匹配由平均放大器引起的 相移和信號延遲。這種RF抑制網絡的配置將差分RF抑制網絡與放大器級的高阻抗偏置網 絡隔離，並且基本上保持信道之間的高精度增益匹配。圖5示出放大器模塊500的示例性示意圖。該放大器模塊將由圖4中所示的電路 產生的輸入信號510和選定信號520施加至串聯連接的差分放大器530、帶通濾波器540、 低通濾波器550和高通濾波器560。優選地，差分放大器530包括高精度、高增益、低噪聲測量差分放大器集成電路。 該放大器用於選擇性地放大差分信號，同時抑制共模信號。高阻抗偏壓和AC連接網絡535 被選擇為保持信道之間的頻率響應和高精度增益匹配。在該實施方式中，當參考傳感器輸入時，測量放大器增益設為提供士 ImV的動態 範圍。放大增益確定為如此設置，使得放大的輸出信號保持在數位化級的動態電壓範圍內。 因此，中間抗混淆濾波器的增益必須包括在這種計算中。抗混淆濾波優選由第一級帶通濾波器540、第二級低通濾波器550和第三級高通 濾波器560組成的三級帶通濾波器執行。帶通濾波器的低通濾波特性降低了由信號的離散 定時採樣引起的混疊效應。優選的是，在尼奎斯特(Nyquist)頻率處和之上的濾波衰減將 信號電平降低為小於接下來的數位化系統的數字轉換電平。因此，一旦確定設計約束條件， 則必須一起考慮混淆濾波器和數位化系統的特性。帶通濾波器540的高通濾波特性降低了源自傳感器運動的低頻暫態效應，否則其 會產生大於濾波和隨後的數位化階段的動態範圍的信號。在該實施方式中，採用具有IHz至40Hz帶通的六階對稱帶通濾波放大器。這種濾 波器被選擇為在尼奎斯特頻率處提供比量化水平的一半更好的衰減，其容易採用低功耗模 數轉換器獲得，並提供合適的低頻暫態抑制。參考信號單位增益緩衝器570提供了重要的信道隔離，並將信號地向相關信道的 濾波器、差分放大器和預放大器級散開。圖6示出了接口模塊600的示例性示意圖。該示意圖示出了信號的相互作用，用 於至參考信號測量(模式1)的信道，從用於每個傳感器模塊610的每個放大器模塊到輸出 信號620和參考預放大器模塊615。這些輸出信號620形成至模數轉換器的輸入。參考信 號從參考預放大器模塊615饋送到每個傳感器模塊610。在另一個實施方式中，採用可替換的結構實現向信號平均測量(模式2)發送信號 或向信號測量(模式3)發送信號。平均加法器和RF信號濾波緩衝器330沒有在圖6中示出ο橫跨傳感器模塊610和參考預放大器模塊615的RF網路線路625實現差模RF抑 制濾波器。共模反饋濾波器和放大器640結合到這種接口模塊中。該共模反饋濾波器和放大 器640提供共模信號消除輸出645，其連接至共模反饋傳感器241。參考信號單位增益緩衝器650結合到這種接口模塊中。參考信號單位增益緩衝器 650向連接至接地電源傳感器242的接地電源輸出655提供隔離和動力驅動。這實現了共 模信號消除網絡。該示意圖還示出用於至共模反饋模塊640的硬連線或可選擇開關輸入連接的可 替換結構的可選項。在該實施方式中，硬連線選項僅配置有電阻器「Rn」，而可選擇開關選項 配置有電阻器「Rns」和一系列開關。通過結合和脫離電子開關635，可選擇開關選項使得能 夠連接選定的輸入或將其與共模反饋濾波器和放大器640隔離。圖7示出了電源和模數轉換器模塊700的示例性示意圖。該模塊包括公共接地點 「AGND」 705、模數轉換器模塊電路710、電池電壓濾波電路720和電源參考信號電路730。公共接地點「AGND」 705優選地由與模數轉換器的模擬部分相關聯的地平面形成。 分離的接地線路對電池負極、模擬電壓零電壓、數字模塊中的參考信號零電壓和數字地優 選是獨立運行的。模數轉換器模塊(ADC)電路710定時採樣並對由先前所述的接口模塊提供的輸入 信號71進行數字轉換。ADC以它的以與隨後的處理器模塊兼容的格式存在的『η』位數字輸 出712進行分類。在該實施方式中，當參照傳感器輸入時，ADC具有至少0. 5 μ V的最低有效位(LSB) 解析度和士 ImV的全標度範圍。為了提供這種動態範圍，採用了最小12位的ADC。輸出以 串行外圍接口(SPI)的格式呈現。因此，當設計抗混疊濾波器以匹配12位ADC時，在阻帶頻率處至少要求72dB的衰 減。具有40Hz的關斷頻率的三階低通Butterworth濾波器在640Hz處具有72dB的衰減。 為了在40Hz的關斷頻率處不存在混淆，要求每秒680個採樣的採樣速率。為在640Hz的阻 帶頻率處不存在混淆，要求每秒1280個採樣的採樣速率。一旦信號被數字轉換了，則由處理器模塊進行進一步的處理。圖8和9示出一種實施方式的處理和有線通信模塊的實施例。處理器模塊800包 括處理器810。該處理器控制模數轉換器，並經由SPI接口 820接收來自模數轉換器的信 號。在該實施方式中，隨後可以由處理器處理並分析所述信號。原始信號還可以傳遞至外 部處理器進行存儲和進一步的處理。典型的內部和外部處理包括採樣抽取、快速傅立葉變 換和應用程式。固件功能可以為指令配置。在該實施方式中，處理器可以經由藍牙接口 830或RS232接口端840與其它裝置 通信，包括原始數據和結果數據的傳輸。RS232接口端840還支持對軟體下載和更新進行使 用中編程(ISP)。圖9示出RS232接口模塊900的實施例示意圖。RS232接口模塊900便於合理地 進行RS232電平轉換，並提供重置和軟體加載初始化。信道互連電路使多個測量部件變得容易，還能夠進行信號間RF抑制和參考信號選擇。可以以三種模式測量頭皮電壓電勢(模式1)信道對參考信道模式。(模式2)信道對信道平均模式。(模式3)信道對信道差分模式。在該實施方式中，圖6中圖示的接口模塊硬連線，僅用於信道對參考信道模式(模 式1)。在其它實施方式中，如圖3中所示，接口模塊可以設計用於其它模式，單獨或可選擇 地硬連線。不考慮採用哪種模式測量信號，在其它實施方式中，數位訊號處理可以用來重構 其它測量模式信號。圖10示出示例性的信號源和接地結構1000，主要解決系統的模擬設計。源和接地 結構集中在模數模塊1010和模擬電源和參考模塊102的附近，組成模擬電源1021和信號 和模數參考1022，具有獨立的輸入和輸出退耦裝置。如圖7中的公共接地點708所示，該模數模塊1010容納模數轉換器1011和它的 相關公共接地點1012。模擬源1013獨立地運行，並用它自己的模擬零電壓進行退藕。參考 信號1014獨立地運行，並用它自己的信號零電壓進行退藕。該模塊接收來自接口模塊1050 的模擬信號「FSig」和「CMSig」1015，並經由數字總線1016連接至數字模塊1040中的處理
ο電池模塊1030由可充電電池1031和充電系統1032組成。電池正極和負極連接 至模擬電源和參考模塊1020，並延伸至數字模塊1040。在該實施方式中，數字電源1041由 分離的3. 3v和1. 8v電源構成，它們具有獨立的輸入和輸出退藕裝置。數字源1042獨立地 運行至模數轉換器1011和數字電路1043，並用他自己的數字零電壓進行退藕。接口模塊1050將模擬源1013和用它自己的零電壓獨立地退藕的信號和模數參考 1014發送至預放大器和模擬模塊1060。該模塊還接收來自預放大器和模擬模塊1060的參 考信號「RSig」 1051、傳感器信號「ESig」和RF抑制線路「RFS」 1052，並將濾波和放大後的 傳感器信號「FSig」 1053傳遞至模數模塊1010中的模數轉換器1011的信道1至4。參考 信號作為不同的放大器參考信號「DSig」1054向回延伸至在預放大器和模擬模塊1060中的 差模放大器1061。共模反饋信號1055延伸至模數模塊1010中的模數轉換器1011的信道 5，並經由共模反饋和接地電源傳感器1056提供共模反饋。在該實施方式中，預放大器和模擬模塊1060由與四個模擬模塊1062成對的四個 傳感器預放大器模塊1061和獨立的參考預放大器模塊1061組成。傳感器預放大器模塊 1061具有到成對的模擬模塊1062中的差分放大器的傳感器信號「SSig」和信號地「SGnd」 線路1063。成對的模擬模塊1062中的帶通低音濾波器將過濾後的信號「FSig」 1064傳播 至接口模塊1050。參考預放大器模塊1061從接口模塊1050接收參考信號「SRef 」1065，並 將參考信號「RSig」 1066傳播至接口模塊1050。參考和傳感器預放大器模塊1061將傳感 器信號「ESig」和RF抑制線路「RFS」 1067延伸至接口模塊1050。在每個模擬級，必須遵守認真的選擇，使得該設備保持相對低的噪聲設計、高共模 信號衰減和射頻衰減。在該實施方式中，為預放大器和緩存運算放大器、差分放大器和模數轉換器模塊 選擇低噪聲元件。還利用關鍵信號、源、接地和解耦設計。該實施方式還包括，低噪聲電源和電壓參考電路與分離的信號和接地電源以及電源解耦方法一起使用。採用有效地衰減由 高阻抗元件引入的噪聲的技術，還解決了來自高阻抗元件的噪聲。在該實施方式中，有源共模信號消除反饋方法用來改進共模信號衰減。具有50Hz 至60Hz預增強的高增益負反饋由帶通濾波放大器提供。與常規單一低增益有源驅動線路 的方法不同，這採用兩個到源極的點連接來實現。在該實施方式中，反饋、接地電源和傳感器通常幾何對稱地構造，以提供最佳的共 模信號消除。用於頭皮電勢的各種設備的這些實施方式包括(a)在有差別地導出每個信道信號之前進行信道增益匹配。(b)輸入偏置，同時保持高輸入阻抗和增益匹配。(c)多信道系統中的射頻抑制，同時保持增益匹配並補償相移和信號延遲。(d)共模信號衰減和消除，特別是源和射頻幹擾衰減。(e)數位化轉換、動態範圍和抗混疊。(f)低噪聲和噪聲衰減技術。(g)作為該方法的組成部分的測量模式結構保留必要的關鍵元件。參照圖11，根據前述實施方式中的任一種的用於測量頭皮電勢1100的優選方法 包括(a)在傳感器1110處接收原始頭皮電勢測量值；(b)用匹配的高輸入阻抗放大器1120預放大原始頭皮電勢測量值，以產生用於放 大的預放大的頭皮電勢測量值；(c)消除預放大的頭皮電勢測量值的共模信號噪聲1130的主要成分，以產生共模 信號消除的頭皮電勢測量值；(d)抑制共模信號消除的頭皮電勢測量值的RF噪聲1140，以產生RF被抑制的頭 皮電勢測量值；(e)放大RF被抑制的頭皮電勢測量值1150，以產生用於數字轉換的放大的頭皮電 勢測量值；(f)對放大的頭皮電勢測量值1160進行帶通瞬態和抗混疊濾波，以產生用於數字 轉換的帶寬受限的頭皮電勢測量值；(g)對帶寬受限的頭皮電勢測量值1170進行數字轉換，以產生一系列數位化的頭 皮電勢值；(h)處理系列數位化的頭皮電勢值1180，以產生頭皮電勢波形信號；以及⑴產生/存儲測量波形1190。該方法通常允許通過頭髮在傳感器處接收原始頭皮電勢測量值，不需要任何頭皮 準備和導電凝膠施加在頭皮和傳感器之間。這些原始頭皮電勢測量值由具有相當高的輸入 阻抗和匹配的增益、相位和延遲的放大器預放大1120，以產生預放大的頭皮電勢測量值。優選地，消除預放大的頭皮電勢測量值的共模信號噪聲1130主要成分產生了共 模信號消除的頭皮電勢測量值，同時保留匹配的增益、相位和延遲。共模信號消除的電勢測量值的RF噪聲的抑制1140產生RF被抑制的頭皮電勢測 量值，同時保留匹配的增益、相位和延遲。
RF被抑制的頭皮電勢測量值的放大1150產生了用於數字轉換的放大的頭皮電勢
測量值。對放大的頭皮電勢測量值1160進行帶通抗混疊濾波產生了用於數字轉換的帶寬 受限的頭皮電勢測量值。對帶寬受限的頭皮電勢測量值1170進行數字轉換產生了一系列數位化的頭皮電勢值。處理系列數位化的頭皮電勢值1180產生了頭皮電勢波形信號。產生/存儲測量波形1190。這些測量可以在相關數據記錄器的相關電源和存儲能力的壽命範圍內進行。傳感 器和相關的電子設備可以隱藏在常規頭戴附件中，如棒球帽，或者可以結合在安全帽中。由圖示的實施方式產生的頭皮電勢測量值的保真度足以順利地對基準心智狀態 進行分類。用於分析某些心智狀態時，這些頭皮電勢測量值被認為與通常在頭皮和傳感器 之間要求穩定的導電接口的傳統BEG測量值是可以相比較的。對來自人們的頭皮電勢測量值的分析提供了實時確定人們疲勞度或睡意的措施。 通過提供這種能夠發出警告而不需要專門的頭皮準備的實時監測系統，該系統可以在操作 諸如機動車輛或計劃設備之類的設備的同時監測人們的疲勞度。該方法和設備還被設計為用於移動非插入實時頭皮電勢測量。明顯的是，這可以 用在移動或靜止環境中。為了實時處理數據，可以包括處理軟體以進一步處理頭皮電勢測 量數據。可以通過有線或無限數據通信系統以原始的或處理的狀態通信數據和信號。通過 電池或以無線方式採用感應線圈配置的方式以常規措施提供用於向這些裝置提供動力的 電能。本領域技術人員還將理解的是，所公開的方法和設備可以用在臨床環境中，以去除頭 皮準備步驟的必要性並減少會診時間。將會理解的是，這些實施方式能夠通過頭皮測量頭皮電勢，很少有或幾乎沒有頭 皮準備。雖然已經參照具體實施例描述了本發明，本領域技術人員將會理解，可以多種其 它形式實現本發明。解釋說明在本文本的上下文中，術語「無線(wireless) 」和它的衍生詞可以用來描述可以通 過使用經由非固體介質的調製電磁輻射來通信數據的電路、裝置、系統、方法、技術、通信信 道等等。該術語不意味著相關的裝置不包含任何有線，雖然在某些實施方式它們可能不包 含。除非另外特別聲明，需要理解的是，在本說明書的全文中，採用諸如「處理 (processing) 」、「計算(computing) 」、「計算(calculating) 」 或「確定(determining)，，等 之類的術語的討論涉及計算機或計算系統或類似的電子計算裝置的動作和/或處理，其處 理和/或轉換以如電的物理的形式表示的數據，量化成類似地以物理數量的形式表示的其 它數據。以類似的方式，術語「處理器(processor) 」可以涉及任何裝置和裝置的一部分， 其處理如來自寄存器和/或存儲器的電子數據，以將電子數據轉換成可以存儲在寄存器和 /或存儲器中的其它電子數據。「計算機(computer) 」或「計算機器(computing machine)「或「計算平臺(computingplatform)可以包括一個或多個處理器。而且，在此將某些實施方式描述為方法或方法的要素的組合，其可以由計算機系 統的處理器或執行該功能的其它措施實現。因此，具有用於執行這種方法或方法的要素的 必要指令的處理器形成用於執行該方法或方法的要素的手段。而且，設備實施方式的在此 描述的元件是用於執行由用於執行本發明的元件進行的功能的手段的例子。在此提供的描述中，提出了多個具體的細節結構。然而，應當理解的是，本發明的 實施方式可以不由這些具體的細節結構實踐。在其它實例中，為了不搞混對本發明的理解， 公知的方法、結果和技術沒有詳細地示出。本說明書全文涉及的「該實施方式」、「一種實施方式」或「實施方式」意思是與該 實施方式關聯的描述的特定特徵、結果和特性包括在本發明的至少一種實施方式中。因此， 在本說明書的全文中在不同的位置出現「在一種實施方式中」或「在實施方式中」沒有必要 都涉及相同的實施方式，但是可以涉及相同的實施方式。而且，如根據本公開對本領域技術 人員來說明顯的是，可以以任何適合的方式將所述特定特徵、結果和特性結合在一種或多 種實施方式中。如在此使用的，除非另有說明，使用序數形容詞「第一(first)」、「第二 (second) 」、「第三(third)，，等描述同一物體僅僅表示涉及類似的物體的不同實例，而不是 想要隱含表示如此描述的物體必須為給定的、臨時地、空間地、排序地或以任何其它方式的 序列。除非上下文另外清楚地要求了，在說明書和權利要求書的全文，措辭「包括 (comprise) 」、「包括(comprising) 」等以包含含義而不是排除或窮舉的含義來解釋；也就是 說，以「包括但不限於」的含義解釋。類似地，應當注意到，當用在權利要求中時，術語耦接(coupled)不應當解釋為僅 限於直接連接。可以使用術語「耦接(coupled)」和「連接(connected)」以及它們的衍生 詞。應當理解的是，這些術語不是想要彼此同義。因此，表述裝置A耦接至裝置B的範圍不 應當限於其中裝置A的輸出直接連接至裝置B的輸入的裝置或系統。它意味著在A的輸出 和B的輸入之間存在路徑，其可以為包括其它裝置或設備的路徑。「耦接(coupled)」可以 表示兩個或多個元件直接物理接觸或電接觸，或兩個或多個元件彼此不直接接觸但還彼此 協同操作或相互作用。因此，雖然已經描述了認為是本發明的優選實施方式的內容，本領域技術人員將 會認識到，在不偏離本發明的精神的前提下，可以對此進行其它和進一步的修改，並且打算 要求所有這種改變和修改都落入本發明的保護範圍中。例如，上述給出的任何公式僅僅表 示可以採用的程序。可以向方塊示意圖中添加或刪除功能，並且功能塊之間可以交換操作。 可以向在本發明的保護範圍內描述的方法添加或刪除步驟。
權利要求
一種用於頭皮電勢測量的設備，包括多個傳感器，適合通過頭皮和空氣接口測量原始頭皮電勢測量值；所述接口呈現出耦接至所述頭皮的高的可變源阻抗；和多個預放大器，耦接至所述傳感器中的相應的一個；其中，每個所述預放大器適合具有明顯高於由所述傳感器源接口呈現的阻抗的輸入阻抗；其中，所述預放大器接收所述原始頭皮電勢測量值，並產生預放大的頭皮電勢測量值，用於產生預放大的頭皮電勢測量值。
2.根據權利要求1所述的設備，其中所述傳感器源接口阻抗由任何接觸介質、頭皮和 皮下組織呈現。
3.根據前述權利要求中的任一項所述的設備，其中所述輸入阻抗為有源的，並且通 過反饋的應用而增加。
4.根據前述權利要求中的任一項所述的設備，其中所述預放大器包括寬帶高阻抗輸 入端和有源偏置網絡，適合呈現從0. OlHz至400Hz大於10千兆兆歐姆的輸入阻抗。
5.根據前述權利要求中的任一項所述的設備，其中所述預放大器包括具有10兆兆歐 姆的輸入阻抗的高增益低噪聲幹線至幹線FET輸入運算放大器和用於呈現所述輸入阻抗 的屏蔽反饋和偏置網絡。
6.根據前述權利要求中的任一項所述的設備，還包括共模濾波器放大器，耦接至所述預放大器，其中，所述共模濾波器適合消除包括在所述 預放大頭皮電勢測量值中的共模信號的主要成分和噪聲，以產生共模信號消除的頭皮電勢 測量值；和RF抑制系統，用於抑制所述共模信號消除的頭皮電勢測量值的RF噪聲，以產生RF被抑 制的頭皮電勢測量值。
7.根據權利要求6所述的設備，其中所述共模濾波放大器和所述RF抑制系統適合在 每個頭皮電勢測量值信號通道上保留基本上相同的增益、相位和延遲。
8.根據權利要求6或7所述的設備，還包括差分放大器系統，用於放大所述RF被抑制的頭皮電勢測量值，以產生放大的頭皮電勢 測量值；和帶通濾波器，用於對所述放大的頭皮電勢測量值進行濾波，以基本上最小化後續數字 轉換期間的混疊效應。
9.根據權利要求8所述的設備，其中所述差分放大器系統和所述帶通濾波器適合在 每個所述頭皮電勢測量值信號通道上保留基本上相同的增益、相位和延遲。
10.根據權利要求8或9所述的設備，其中所述帶通濾波器為低頻暫態高通濾波器和 高頻抗混疊低通濾波器的形式。
11.根據權利要求8至10中的任一項所述的設備，其中所述帶通濾波器適合提供合 適的低頻暫態抑制，並且還適合在尼奎斯特頻率處為預定的模數轉換器提供比量化水平的 一半大的衰減。
12.根據權利要求8至11中的任一項所述的設備，其中所述帶通濾波器為具有IHz至 40Hz的帶通的六階對稱帶通濾波放大器。
13.根據權利要求8至12中的任一項所述的設備，其中至所述差分放大器的輸入可 以從包括公共參考信號、平均信號和預放大和緩存的傳感器信號的一組信號中的任一個中選擇。
14.根據前述權利要求中的任一項所述的設備，還包括數字轉換器，用於對一個或多個頭皮電勢測量值進行數字轉換； 第一處理器，用於在所述一個或多個頭皮電勢測量值上執行信號處理，並產生輸出信號。
15.根據權利要求14所述的設備，其中所述輸出信號無線傳輸至第二處理器。
16.根據前述權利要求中的任一項所述的設備，還包括信道互連模塊，適合抑制每個 頭皮電勢測量值信號通道之間的信道之間RF幹擾。
17.根據權利要求16所述的設備，其中所述信道互連模塊適合從包括信道至參考信 道模式、信道至信道平均模式和信道至信道差分模式的組中選擇頭皮電勢測量值模式。
18.一種用於頭皮電勢測量的方法，包括步驟在所述傳感器處接收原始頭皮電勢測量值，其中所述測量值是通過頭髮和空氣獲得 的；以及用高輸入阻抗放大器預放大所述原始頭皮電勢測量值，以產生預放大的頭皮電勢測量值。
19.根據權利要求18所述的方法，還包括步驟消除所述預放大的頭皮電勢測量值的 共模信號的主要成分和噪聲，以產生共模信號消除的頭皮電勢測量值；和抑制所述共模信號消除的頭皮電勢測量值的RF噪聲，以產生RF被抑制的頭皮電勢測量值。
20.根據權利要求18或19所述的方法，還包括步驟放大所述RF被抑制的頭皮電勢 測量值，以產生用於數字轉換的放大的頭皮電勢測量值。
21.根據權利要求20所述的方法，還包括步驟對所述放大的頭皮電勢測量值進行帶通暫態和抗混疊濾波，以產生用於數字轉換的抗 混疊的頭皮電勢測量值；對所述抗混疊的頭皮電勢測量值進行數字轉換，以產生一系列的數位化的頭皮電勢值；處理所述系列的數位化的頭皮電勢值，以產生頭皮電勢波形信號；和 產生測量波形。
22.根據權利要求18至21中的任一項所述的方法，還包括步驟在無線線路上傳輸用 於由第二處理器接收的輸出信號。
23.根據權利要求18至22中的任一項所述的方法，其中所述接收原始頭皮電勢測量 值是通過頭髮和空氣接口測量的；所述接口呈現出耦接至所述頭皮的高的可變源阻抗；並 且所述預放大器適合具有明顯高於所述源接口呈現的阻抗的輸入阻抗。
24.根據權利要求23所述的方法，其中所述輸入阻抗為有源的，並且由應用反饋的步 驟增加。
25.一種用於頭皮電勢測量的方法，包括從用於限定相應的多個信道的多個傳感器接收輸入原始頭皮電勢信號； 從包括信道至參考信道模式、信道至信道平均模式和信道至信道差分模式的組中選擇 測量模式結構；偏置所述輸入信號，同時保持高輸入阻抗；在有差分地導出信道信號之前匹配信道增益；作為提供處理過的信道信號的另一步驟，抑制所述信道信號的射頻幹擾，同時保持增 益和相位匹配；作為提供所述處理過的信道信號的另一步驟，抑制所述信道信號的共模信號幹擾；作為提供所述處理過的信道信號的另一步驟，對所述信道信號進行帶通濾波；對所述處理過的信號進行數字轉換，用於提供表示根據所述選定的測量模式測量的所 述輸入信號的數字頭皮電勢測量值信號。
26.根據權利要求25所述的方法，其中所述高輸入阻抗由包括高輸入阻抗放大器的 預放大器提供，所述高輸入阻抗放大器用於放大所述原始頭皮電勢測量值，以產生預放大 的頭皮電勢測量值。
27.根據權利要求26所述的方法，其中所述輸入阻抗明顯高於與源接口相關的呈現 給所述傳感器的阻抗。
28.根據權利要求27所述的方法，其中所述源接口阻抗由任何接觸介質、頭皮和皮下 組織呈現。
29.根據權利要求26至28中的任一項所述的方法，其中所述輸入阻抗為有源的，並 通過應用反饋而增加。
30.根據權利要求26至29中的任一項所述的方法，其中所述預放大器包括寬帶高阻 抗輸入端和有源偏置網絡，適合呈現從0. OlHz至400Hz大於10千兆兆歐姆的輸入阻抗。
全文摘要
本發明公開了一種用於頭皮電勢測量的設備，其包括多個傳感器和耦接至這些傳感器的預放大器。傳感器適合通過頭髮和空氣接口測量原始頭皮電勢測量值，並且可以認為是差分、參考或共模測量。所述接口呈現出耦接至頭皮的高的可變源阻抗。預放大器適合具有明顯高於由傳感器源接口呈現的阻抗的輸入阻抗，並且接收原始頭皮電勢測量值，以產生預放大的頭皮電勢測量值。
文檔編號A61B5/0476GK101951832SQ200880103725
公開日2011年1月19日 申請日期2008年6月23日 優先權日2007年6月22日
發明者丹尼爾·R·班格斯, 愛德華·J·奧特 申請人:Cmte開發有限公司