腦電信號放大器及用於放大腦電信號的方法
2023-11-07 01:13:57 1
專利名稱：腦電信號放大器及用於放大腦電信號的方法
技術領域：
本發明的實施例涉及腦電技術領域，具體涉及一種腦電信號放大器及用於放大腦電信號的方法。
背景技術：
人體組織細胞總是在自發不斷地產生著很微弱的生物電活動。腦電信號是大量腦神經細胞在高度相干狀態下的電活動在大腦皮層上的總體效應。如果利用在頭皮上安放的電極採集腦電信號，經腦電檢測設備放大並記錄在專用紙上，則能夠得到具有一定波形、波幅、頻率和相位的圖形、曲 線，即腦電圖。當腦組織發生病理或功能改變時，腦電信號也發生相應的改變，從而為臨床診斷、治療提供依據。但是，微弱的腦電信號往往伴隨著強大的幹擾信號同時存在，因此在腦電信號放大的同時也不可避免將幹擾信號放大。具體地說，對於微伏級的腦電信號，如果希望在16位以下的採樣系統中分辨清楚則必須放大至少1000-10000倍，而此時上述幹擾信號將會使放大器飽和。為了解決幹擾信號使放大器飽和的問題，通過對幹擾信號的詳細分析，人們發現腦電極與頭皮接觸不良引起的幹擾、工頻幹擾以及放大通道噪聲是腦電信號檢測中幹擾信號的主要來源。具體地說，針對放大通道噪聲引起的幹擾，低噪音的腦電信號放大器是精確獲取微弱的腦電信號的關鍵。相關技術中雖然通過具有放大、濾波、共模驅動、隔離的相關電路實現了腦電信號放大，但是無法滿足用戶在不同的情況下對腦電精確獲取的需求。
發明內容
本發明的一個目的在於提供一種腦電信號放大器及用於放大腦電信號的方法，以解決相關技術中無法滿足用戶在不同的情況下對腦電精確獲取的需求的問題。根據本發明的一個方面，提供了一種腦電信號放大器，包括:腦電極，用於米集大腦的電信號；濾波器，用於過濾所述電信號中的幹擾信號，以得到腦電信號；放大器，用於放大所述腦電信號；以及控制器，用於控制所述濾波器的濾波時間常數。根據本發明的一個實施例，上述腦電信號放大器還包括:開關，具有多個接觸點，其中每個接觸點分別與一個電阻相連接，每個接觸點對應的電阻的阻值不完全相同；以及所述控制器通過控制所述開關接通不同的接觸點來控制所述濾波器的濾波時間常數。根據本發明的又一個實施例，其中所述開關具有四個接觸點。根據本發明的再一個實施例，其中所述濾波器是高通濾波器。根據本發明的再一個實施例，其中所述控制器還用於控制所述放大器的放大倍數。根據本發明的再一個實施例，上述腦電信號放大器還包括:腦電接觸阻抗檢測器，用於檢測所述腦電極與頭皮之間的腦電接觸阻抗；以及所述控制器還用於控制交流電流信號通過所述腦電極。
根據本發明的再一個實施例，其中所述腦電接觸阻抗檢測器包括:導聯選擇器，用於在多個腦電極中選擇其中一個腦電極；以及所述控制器還用於控制所述導聯選擇器的選擇操作。
根據本發明的再一個實施例，其中所述導聯選擇器具有多個接觸點，其中每個接觸點分別與所述多個腦電極中的一個腦電極相連接；以及所述控制器通過控制所述導聯選擇器接通不同的接觸點來控制所述導聯選擇器的選擇操作。根據本發明的另一個方面，提供了一種用於放大腦電信號的方法，包括:採集大腦的電信號；過濾所述電信號中的幹擾信號，以得到腦電信號；以及放大所述腦電信號；其中控制用於過濾所述電信號中的幹擾信號的濾波器的濾波時間常數。根據本發明的一個實施例，其中通過控制開關接通不同的接觸點來控制所述濾波器的濾波時間常數；其中所述開關具有多個接觸點，每個接觸點分別與一個電阻相連接，每個接觸點對應的電阻的阻值不完全相同。根據本發明的又一個實施例，其中所述開關具有四個接觸點。根據本發明的再一個實施例，其中所述濾波器是高通濾波器。根據本發明的再一個實施例，上述方法還包括:控制用於放大所述腦電信號的放大器的放大倍數。根據本發明的再一個實施例，上述方法還包括:控制交流電流信號通過用於採集大腦的電信號的腦電極；以及檢測所述腦電極與頭皮之間的腦電接觸阻抗。根據本發明的再一個實施例，上述方法還包括:通過導聯選擇器在多個腦電極中選擇其中一個腦電極；以及通過控制器控制所述導聯選擇器的選擇操作。根據本發明的再一個實施例，其中所述導聯選擇器具有多個接觸點，其中每個接觸點分別與所述多個腦電極中的一個腦電極相連接；以及所述控制器通過控制所述導聯選擇器接通不同的接觸點來控制所述導聯選擇器的選擇操作。本發明的實施例通過邏輯控制器可程控導聯組合的選擇、高通濾波的時間常數、腦電信號的放大倍數以及腦電接觸阻抗的檢測，豐富了腦電放大功能，滿足了用戶在不同的情況下對腦電精確獲取的需求。
此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中:圖1是根據本發明實施例的腦電信號放大器的結構框圖；圖2是根據本發明的另一實施例的腦電信號放大器的示意圖；圖3是根據本發明的另一實施例的腦電接觸阻抗檢測的示意圖；圖4是根據本發明實施例的用於放大腦電信號的方法的流程圖。
具體實施例方式需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本發明。圖1是根據本發明實施例的腦電信號放大器的結構框圖，如圖1所示，腦電極11、濾波器12、放大器13和控制器14 (該控制器可以優選地是邏輯控制器)，下面對其結構進行詳細描述。腦電極11，用於採集大腦的電信號；濾波器12，連接至腦電極11，用於過濾腦電極11採集的電信號中的幹擾信號，以得到腦電信號；放大器13，連接至濾波器12，用於放大濾波器12濾波之後的腦電信號；以及控制器14，連接至濾波器12，用於控制所述濾波器12的濾波時間常數。相關技術中，腦電信號放大器無法滿足用戶在不同的情況下對腦電精確獲取的需求。本發明實施例中，通過控制器控制濾波器的濾波時間常數，豐富了腦電放大功能，滿足了用戶在不同的情況下對腦電精確獲取的需求。在本發明的一個實施例中，在根據本發明實施例的腦電信號放大器中，該控制器14可以通過控制開關接通不同的接觸點來控制該濾波器12的濾波時間常數，其中該開關具有多個接觸點，每個接觸點分別與一個電阻相連接，每個接觸點對應的電阻的阻值不完全相同。本優選實施例通過控制開關接通不同的接觸點，可以遠程控制濾波器12的濾波時間常數，其控制方式簡便、高效，並且例如該開關可以具有四個接觸點。在一個實施例中，該濾波器12是高通濾波器。進而，本發明實施例還針對幹擾信號的主要來源中的腦電極與頭皮接觸不良引起的幹擾進行了改進。該腦電極與頭皮接觸不良引起的幹擾在相關技術中具體體現為:當腦電極與頭皮間接觸鬆動時，腦電極與頭皮的接觸會隨著被檢測者的身體和/或面部動作以及呼吸而改變，從而引起腦電信號檢測中的幹擾，影響腦電信號檢測精度。本發明實施例中，根據對人體組織電特性的研究，對於交流電流信號，人體組織的純電阻性起作用，因此，通過腦電接觸阻抗檢測器和控制器14的組合，採用交流電流信號對腦電接觸阻抗進行檢測，可以降低對腦電信號的檢測精度的影響，從而減小其引起的腦電信號檢測中的幹擾，提高腦電信號檢測質量。在本發明的一個實施例中，針對該腦電接觸阻抗檢測器中的用於在多個腦電極中選擇上述腦電極的導聯選擇器，該控制器14還用於控制該導聯選擇器的選擇操作。其中，該導聯選擇器可以具有多個接觸點，每個接觸點分別與多個腦電極中的一個腦電極相連接，該控制器14通過控制導聯選擇器接通不同的接觸點來控制所述導聯選擇器的所述選擇操作。本發明實施例中，通過導聯選擇器和控制器14的組合可以遠程控制導聯選擇器的選擇操作，方便檢測者和被檢測者的操作。另外，該控制器14還可以控制放大器13的增益，從而實現該腦電信號放大器的增益遠程可調。綜上，本發明實施例通過邏輯控制器可程控導聯組合的選擇、高通濾波的時間常數、腦電信號的放大倍數以及腦電接觸阻抗的檢測，豐富了其功能，滿足了用戶在不同的情況下對腦電精確獲取的需求。需要說明的是，在實際應用中，可以根據需要選擇上述內容的一種或多種進行遠程控制。下面結合圖2進一步說明根據本發明實施例的腦電信號放大器。圖2是根據 本發明的另一實施例的腦電信號放大器的示意圖，如圖2所示，包括:導聯組合選擇201 (對應於上述導聯選擇器)、腦電極輸入阻抗匹配202 (對應於上述腦電極阻抗檢測器)、共模屏蔽驅動203、共模驅動204、前置放大205、程控高通濾波206 (對應於上述高通濾波器12)、二級放大207、隔離放大208、50Hz工頻限波209、低通濾波210、三節程控放大211、腦電接觸阻抗檢測212、邏輯控制器213 (對應於上述控制器14)等單元。下面對其結構進行詳細描述。導聯組合選擇201由兩個16*8的程控模擬開關陣列組成。該程控模擬開關具有多個接觸點，每個接觸點分別與多個腦電極中的一個腦電極相連接，該邏輯控制器213通過控制導聯選擇器接通不同的接觸點來控制所述導聯選擇器的所述選擇操作。腦電極輸入阻抗匹配202由高輸入阻抗、低噪音的運算發大器構成射極跟隨器組成。共模屏蔽驅動203由所有電極導聯線的共模輸入信號通過射極跟隨器與其屏蔽層連接，以使導聯線上的共模電壓能不衰減地傳送到前置放大器205的輸入端，從而不會產生共模電壓不等量衰減弓I起的共模誤差電壓。共模驅動204由所有導聯線的共模輸入信號通過負反饋依次通過射極跟隨器和限流電阻與人體腦部相連，以降低人體腦部的共模電壓。前置放大205由基於高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪音的儀表放大器設計。在放大倍數設計過程中，應儘可能提高前置儀表的放大倍數。程控高通濾波206通過邏輯控制器213控制四選一模擬開關接通不同的電阻選擇四種不同截至頻率。二級放大207由高輸入阻抗、低噪音的運算發大器組成的同相比例放大電路組成。隔離放大208由線性光隔離放大器組成。
50Hz工頻限波209為雙T型頻限波。低通濾波210為四階巴特沃思濾波器。程控放大器211由專用程控放大晶片組成，其放大倍數可以通過邏輯控制器13控制其埠的邏輯電平設置。腦電接觸阻抗檢測212用於實時檢測各個腦電極與頭皮接觸阻抗的大小。下面結合圖3，進一步說明腦電接觸阻抗檢測212的具體實現方式。圖3是根據本發明的另一實施例的腦電接觸阻抗檢測的示意圖，如圖3所示，腦電接觸阻抗檢測212主要包括信號源2121、導聯自動選擇2122、差動放大器2123、低通濾波2124、比較器2125與顯示單元2126。其中，導聯自動選擇2122由十六選一模擬開關組成；差動放大器2123由高輸入阻抗的儀表放大器組成；低通濾波器2124為RC濾波器；比較器2125由專用比較器集成晶片組成。圖3中，腦電接觸阻抗檢測212的工作方式是，信號源2121產生50Hz的正弦波，通過邏輯控制器213控制導聯自動選擇2122使電流由待測電極流向參考電極，並通過差動發大器2123測量這兩電極之間的電壓，然後通過低通濾波器2124轉化成直流電壓，最後通過比較器2125與標準參考電壓進行比較，比較器2125輸出的高低電平控制顯示單元2126中LED的亮滅。綜上，邏輯控制器213可按外部用戶輸入的不同命令分別控制導聯組合選擇201、腦電接觸阻抗檢測202，程控高通濾波206和程控放大器211，使本發明實施例具有導聯組合可任意組合、增益可調(500x-20000x可選)、濾波時間常數可調(0.05、0.5、3或300Hz)、腦電接觸阻抗可實時檢測等功能。圖4是根據本發明實施例的用於放大腦電信號的方法的流程圖，如圖4所示，包括如下的步驟S402至步驟S406。步驟S402，採集大腦的電信號。步驟S404，過濾所述電信號中的幹擾信號，以得到腦電信號，其中控制用於過濾所述電信號中的幹擾信號的濾波器的高通濾波時間常數。步驟S406，放大所述腦電信號。相關技術中，腦電信號放大器無法滿足用戶在不同的情況下對腦電精確獲取的需求。本發明實施例中，通過提供控制器來控制濾波器的濾波時間常數，豐富了腦電放大功能，滿足了用戶在不同的情況下對腦電精確獲取的需求。在本發明的一個實施例中，上述腦電信號放大方法還包括:通過控制開關接通不同的接觸點來控制高通濾波器的高通濾波時間常數，其中該開關具有多個接觸點，每個接觸點分別與一個電阻相連接，該每個接觸點對應的電阻的阻值不完全相同。本優選實施例通過控制開關接通不同的接觸點，可以遠程控制濾波器的濾波時間常數，其控制方式簡便、高效。並且其中該開關可以具有四個接觸點。顯然，本領域的技術人員應該明白，上述的本發明的各模塊或各步驟可以用通用的計算裝置來實現，它們可以集中在單個的計算裝置上，或者分布在多個計算裝置所組成的網絡上，可選地，它們可以用計算裝置可執行的程序代碼來實現，從而可以將它們存儲在存儲裝置中由計算裝置來執行，或者將它們分別製作成各個集成電路模塊，或者將它們中的多個模塊或步驟製作成單個集成電路模塊來實現。這樣，本發明不限制於任何特定的硬體和軟體結合。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以 有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種腦電信號放大器，包括: 腦電極，用於採集大腦的電信號； 濾波器，用於過濾所述電信號中的幹擾信號，以得到腦電信號； 放大器，用於放大所述腦電信號；以及 控制器，用於控制所述濾波器的濾波時間常數。
2.根據權利要求1所述的腦電信號放大器，還包括: 開關，具有多個接觸點，其中每個接觸點分別與一個電阻相連接，每個接觸點對應的電阻的阻值不完全相同；以及 所述控制器通過控制所述開關接通不同的接觸點來控制所述濾波器的濾波時間常數。
3.根據權利要求2所述的腦電信號放大器，其中所述開關具有四個接觸點。
4.根據權利要求1所述的腦電信號放大器，其中所述濾波器是高通濾波器。
5.根據權利要求1所述的腦電信號放大器，其中所述控制器還用於控制所述放大器的放大倍數。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的腦電信號放大器，還包括: 腦電接觸阻抗檢測器，用於檢測所述腦電極與頭皮之間的腦電接觸阻抗；以及 所述控制器還用於控制交流電流信號通過所述腦電極。
7.根據權利要求 6所述的腦電信號放大器，其中所述腦電接觸阻抗檢測器包括: 導聯選擇器，用於在多個腦電極中選擇其中一個腦電極；以及 所述控制器還用於控制所述導聯選擇器的選擇操作。
8.根據權利要求7所述的腦電信號放大器，其中 所述導聯選擇器具有多個接觸點，其中每個接觸點分別與所述多個腦電極中的一個腦電極相連接；以及 所述控制器通過控制所述導聯選擇器接通不同的接觸點來控制所述導聯選擇器的選擇操作。
9.一種用於放大腦電信號的方法，包括: 採集大腦的電信號； 過濾所述電信號中的幹擾信號，以得到腦電信號；以及 放大所述腦電信號； 其中控制用於過濾所述電信號中的幹擾信號的濾波器的濾波時間常數。
10.根據權利要求9所述的方法，其中通過控制開關接通不同的接觸點來控制所述濾波器的濾波時間常數； 其中所述開關具有多個接觸點，每個接觸點分別與一個電阻相連接，每個接觸點對應的電阻的阻值不完全相同。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述開關具有四個接觸點。
12.根據權利要求9所述的方法，其中所述濾波器是高通濾波器。
13.根據權利要求9所述的方法，還包括: 控制用於放大所述腦電信號的放大器的放大倍數。
14.根據權利要求9至13中任一項所述的方法，還包括: 控制交流電流信號通過用於採集大腦的電信號的腦電極；以及檢測所述腦電極與頭皮之間的腦電接觸阻抗。
15.根據權利要求14所述的方法，還包括: 通過導聯選擇器在多個腦電極中選擇其中一個腦電極；以及 通過控制器控制所述導聯選擇器的選擇操作。
16.根據權利要求15所述的方法，其中 所述導聯選擇器具有多個接觸點，其中每個接觸點分別與所述多個腦電極中的一個腦電極相連接；以及 所述控制器通過控制所述導聯選擇器接通不同的接觸點來控制所述導聯選擇器的選擇操作 。
全文摘要
本發明的實施例公開了一種腦電信號放大器及用於放大腦電信號的方法，該腦電信號放大器包括腦電極，用於採集大腦的電信號；濾波器，用於過濾所述電信號中的幹擾信號，以得到腦電信號；放大器，用於放大所述腦電信號；以及控制器，用於控制所述濾波器的濾波時間常數。本發明的實施例通過邏輯控制器可程控導聯組合的選擇、高通濾波的時間常數、腦電信號的放大倍數以及腦電接觸阻抗的檢測，豐富了腦電放大功能，滿足了用戶在不同的情況下對腦電精確獲取的需求。
文檔編號A61B5/0476GK103190903SQ20131003389
公開日2013年7月10日 申請日期2013年1月24日 優先權日2013年1月24日
發明者董記平, 張彥春, 馬清寶, 夏鵬 申請人:上海帝儀科技有限公司