基于無線傳輸的腦電波采集裝置制造方法
【專利摘要】一種基于無線傳輸的腦電波采集裝置，包括TGAM模塊、前額電極、兩個耳夾電極、藍牙發送模塊、藍牙接收模塊和上位機。前額電極的輸出連接TGAM模塊；兩個耳夾電極的輸出分別連接TGAM模塊；藍牙發送模塊的輸入連接TGAM模塊；藍牙接收模塊與藍牙發送模塊無線通信相連；上位機的輸入連接藍牙接收模塊；上位機設有USB接口模塊和腦電波的顯示分析系統：USB接口模塊的輸入連接藍牙接收模塊，輸出連接腦電波的顯示分析系統。本裝置實現了腦電波的采集與無線傳輸，擺脫了傳統有線測量的束縛，增加了系統的可移動性，可實時顯示腦電波并進行時頻分析，結構合理便攜，操作方便，適用于醫學、教育、科研等領域，可進行醫學檢測、技術研發等。
【專利說明】基于無線傳輸的腦電波采集裝置
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及醫療儀器，特別涉及一種基于無線傳輸的腦電波采集裝置。
【背景技術】
[0002] 大腦神經活動時會產生微弱的電場波動，當數以萬計的神經同時活動時，電場就 會產生有韻律的波動。從頭皮上就能測量到這種波動，即腦電波。不同的精神狀態會造成 不同形式的神經活動，從而發出不同的腦電波。腦電信號的特點：首先，腦電信號非常微弱， 一般只有50 μ V左右，幅值范圍為5 μ V?100 μ V，所以腦電信號放大增益要比一般的信號 高得多，一般要放大20000倍左右。第二，腦電信號頭皮與顱骨通常幾千Ω的電阻，所以要 求前置部分有很高的輸入阻抗，以提高腦電信號索取能力，一般輸入阻抗要大于10ΜΩ。第 三，腦電信號的頻率低，一般在〇. ΙΗζ-ΙΟΟΗζ，需要濾除腦電信號頻率以外的高頻干擾。第 四，在普通環境下，腦電信號采集受到工頻干擾等共模干擾，信噪比通常低于-10dB。工頻干 擾主要是以共模形式存在，幅值在mV數量級，所以要求放大器具有很高的共模抑制比，一 般要大于120dB。第五，在電極與頭皮接觸的部位會產生電位差，稱為極化電壓。
[0003] 腦電圖具有簡易，無創和高時間分辨率等優點，其信號處理可以獲得與疾病相關 的信息并用于診斷，例如：檢查癲癇，腦腫瘤，顱腦損傷，中樞神經疾病等，也可利用人們不 同感覺或運動下的腦電的不同，通過對腦電信號的有效提取和分類達到某種控制目的。人 類是在1929年首次從放在頭皮的電極測量出腦電的活動，把這種隨時間變化的電位記錄 下來就形成了腦電圖，從此開啟了一扇研究腦電圖的大門。傳統的腦電圖機雖精確度好但 體積大、移動不便、抗干擾性能不佳、安裝不便而且價格也比較昂貴，具有很大的局限性。 實用新型內容
[0004] 本實用新型的目的，就在于提供一種基于無線傳輸的腦電波采集裝置。
[0005] 本實用新型的目的是這樣實現的：一種基于無線傳輸的腦電波采集裝置，其包 括：
[0006] TGAM模塊；該TGAM模塊采用NeuroSky神念科技的腦電采集模塊TGAM。
[0007] 用于貼在前額的前額電極，其輸出連接TGAM模塊；該前額電極是采用NeuroSky神 念科技的氯化銀干電極。
[0008] 用于夾在左右耳垂上的兩個耳夾電極，其輸出分別連接TGAM模塊；耳夾電極內裝 有使人體的電壓與耳夾的電壓相等的接地電極，以及可通過共模抑制過濾掉周圍環境噪音 的參考電極。
[0009] 藍牙發送模塊，其輸入連接TGAM模塊；
[0010] 藍牙接收模塊，與藍牙發送模塊無線通信相連；
[0011]上位機，其輸入連接藍牙接收模塊；
[0012] 所述上位機設有USB接口模塊和腦電波的顯示分析系統：USB接口模塊的輸入連 接藍牙接收模塊，輸出連接腦電波的顯示分析系統。該USB接口模塊為FT232USB轉串口模 塊，其接收3. 3V-5V外部供電，支持5V對外供電和3. 3V對外供電；自帶3個LED :TXD LED、 RXD LED和POWERLED。該腦電波的顯示分析系統是基于圖形化編程語言LabVIEW編寫的腦 電波的顯示分析系統。USB接口模塊將腦電數據轉換成串口數據，輸入基于圖形化編程語 言LabVIEW的腦電波的顯示分析系統；基于圖形化編程語言LabVIEW的腦電波的顯示分析 系統則顯示腦電波圖、腦電功率圖并進行時頻分析。
[0013] 本實用新型的有益效果是，突破了醫用常規的濕傳感器使用上的不便，TGAM和人 體的接觸只需要一個簡單的干接觸點，其先進的過濾技術可以排除日常生活中環境的噪 音，讓芯片能應用在醫院以外一般用戶的消費設備里。腦電信號采集系統就要求具有較好 的可靠性、實時性以及可移動性等特點，并在此基礎上能方便而準確地采集到腦電數據并 進行分析，擺脫了傳統腦電圖機有線測量、雖精確度好但體積大、移動不便、抗干擾性能不 佳、安裝不便而且價格也比較昂貴的局限性，增加了系統的可移動性，可實時顯示腦電波并 進行時頻分析，該腦電波采集和無線傳輸系統結構合理便攜，操作方便，適用于醫學、教育、 科研等領域，可進行醫學檢測、技術研發等。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1是本實用新型的結構框圖。
【具體實施方式】
[0015] 參見圖1，本實用新型的基于無線傳輸的腦電波采集裝置，一種基于無線傳輸的腦 電波采集裝置，包括TGAM模塊1、用于貼在前額的前額電極2、用于夾在左右耳垂上的兩個 耳夾電極3、藍牙發送模塊4、藍牙接收模塊5和上位機6。
[0016] TGAM模塊1采用NeuroSky神念科技的腦電采集模塊TGAM。
[0017] 用于貼在前額的前額電極的輸出連接TGAM模塊；該前額電極是采用NeuroSky神 念科技的氯化銀干電極。
[0018] 用于夾在左右耳垂上的兩個耳夾電極的輸出分別連接TGAM模塊；耳夾電極內裝 有使人體的電壓與耳夾的電壓相等的接地電極，以及可通過共模抑制過濾掉周圍環境噪音 的參考電極。
[0019] 藍牙發送模塊的輸入連接TGAM模塊；
[0020] 藍牙接收模塊與藍牙發送模塊無線通信相連；
[0021] 上位機的輸入連接藍牙接收模塊；
[0022] 上述上位機設有USB接口模塊和腦電波的顯示分析系統：USB接口模塊的輸入連 接藍牙接收模塊，輸出連接腦電波的顯示分析系統。該USB接口模塊為FT232USB轉串口模 塊，其接收3. 3V-5V外部供電，支持5V對外供電和3. 3V對外供電；自帶3個LED :TXD LED、 RXD LED和POWER LED。該腦電波的顯示分析系統是基于圖形化編程語言LabVIEW編寫的 腦電波的顯示分析系統。USB接口模塊將腦電數據轉換成串口數據，輸入基于圖形化編程語 言LabVIEW的腦電波的顯示分析系統；基于圖形化編程語言LabVIEW的腦電波的顯示分析 系統則顯示腦電波圖、腦電功率圖并進行時頻分析。
[0023] 本實用新型中的TGAM模塊采用NeuroSky神念科技的腦電采集模塊TGAM，可以處 理并輸出腦波頻率譜、腦電信號質量、原始腦電波和三個NeuroSky的eSense參數：專注度、 放松度和眨眼偵測。其特點及優勢是：
[0024] 能直接連接干接觸點，不像傳統醫學用的傳感器使用時需要涂抹導電膠；
[0025] 單EEG腦電通道有3個接觸點：EEG(腦電采集點）、REF(參考點）和GND (地線 點）；
[0026] 先進的噪音過濾技術，能抗拒日常環境里的各種干擾；
[0027] 低能耗，適合便攜式消費產品的電池供電的設備，3. 3V供電下最大消耗為15mA ;
[0028] 原始腦電數據以512Hz輸出；
[0029] UART 波特率：57600 波特；
[0030] 物理規格：尺寸（最大）2. 79cm xl. Mem x0. 25cm，重量（最大）l3〇mg ;
[0031] 上電后若接觸點連續4s沒有采集到腦電或連續7s收到差的腦電信號，該模塊會 通過"信號質量強度"發出信號差的警告，提醒用戶調整傳感器；
[0032] TGAM定義了傳輸協議和數據格式。TGAM模塊每秒發送512個小包數據和1個大 包數據，每個數據包包括三個部分：包頭文件，有效負載，校驗和。如表1所示。
[0033] 表 1
[0034] 包頭文件 【SYNC SYNC PLENGTH】每個【SYNC】、【PLENGTH】是單字 SYNC-同步字符串節兩個同步【SYNC】字節(OxAAOxAA) PLENGTH-有效負載的長度 標識一個新的數據包的開始 有效負載【PAYLOAD..........】有效負單元最多允許169個字節 _^__ 校驗和 【CHKSUM】校驗和 每個【CHKSUM】是單字節
[0035] 負載是一系列的字節，小包數據的有效負載包含原始腦電數據，大包數據有效負 載依次包含：信號質量，專注度，放松度，腦電功率。
[0036] 原始腦電數據：有符號的兩字節整型數據，采樣頻率為512Hz，它代表的是腦電位 的幅度值。前一個字節代表的是高八位，后一個字節代表的是低八位。程序需要將其合并 成為一個十六位的有符號的數據。
[0037] 前額皮膚實時電壓值按照以下公式計算，
[0038] rawdataxl.% .. 4096 x 2000
[0039] 信號質量：無符號單字節數據，頻率為1Hz，它代表的是信號受干擾和噪聲的程 度。其范圍為〇到200,任何非零值都表示著信號存在著某種形式的噪聲污染。值越大說明 受干擾的程度越高，值200有著特殊的含義，表明電極未接觸人體的皮膚。
[0040] 專注度和放松度：無符號單字節數據，頻率為1Hz，它代表測試者注意力集中程度 和精神放松度。
[0041] 腦電功率：八個無符號的三字節整體數據分別代表了八種不同波形 的功率，分別為：s波（0. 5Hz到2. 75Hz)、Θ波（3. 5Hz到6. 75Hz)、低-α波 (7· 5Ηζ-9· 25Hz)、高-α (ΙΟΗζ-11. 75Hz)、低-β (13Ηζ-16· 75Hz)、高-β (18Ηζ-29· 75Hz)、 低-Υ (31Ηζ-39· 75Ηζ)、中-γ (41Ηζ-49· 75Ηζ)。
[0042] 負載中數據編碼如表2所示：
[0043] 表 2
[0044] 單字節編碼I編碼 |數據長度|數據類型 0102 ~ 信號質量 0104 ~ 專注度 0x05 - 放松度 多字節編碼0x80 02 原始腦電數據 0^83 24 腦電功率
[0045] 校驗和用來確認數據包的數據負載的完整性。其定義如下：
[0046] 1.對數據包的數據負載的所有字節進行相加；
[0047] 2.采取總和的最低的8位；
[0048] 3.對最低8位執行位相反數；
[0049] 接收數據包的接收器必須使用上述三個步驟來計算收到的數據負載的校驗和，然 后與一起接收的【CHKSUM】校驗和字節進行比較，如值不匹配，則整個數據包無效，應該舍 棄。如果匹配，接收器將解析數據負載。
[0050] 上述藍牙模塊傳輸的波特率設置為57600,接收的腦電數據通過USB轉串口模塊 進入到基于圖形化編程語言LabVIEW編寫的腦電波的顯示分析系統，實現腦電波圖、腦電 功率圖的顯示以及時頻分析。
[0051] 上述LabVIEW由美國國家儀器（NI)公司研制開發，是目前應用最廣泛，發展最快， 功能最強的圖形化軟件開發集成環境，它使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程 序是框圖的形式。其主要特點為：圖形化的儀器編程環境，內置的程序編譯器，靈活的程序 調試手段等。
[0052] 本實用新型的具體使用方法如下：
[0053] 1.被測者佩戴好前額電極和耳夾電極，前額電極貼在腦前額，位置在眉骨上方一 指處，并給與適當壓力；耳夾電極夾在左右兩耳耳垂上，適當夾緊；佩戴過程要注意保持電 極和皮膚的清潔，可利用含酒精成分的清潔劑及軟布清潔電極和皮膚，確保電極和前額皮 膚及耳垂皮膚間沒有夾雜頭發或其他任何雜質，佩戴好電極后不能搖動頭部，否則會影響 腦電信號采集的準確性。
[0054] 2.微弱的腦電信號通過固定帶上的前額電極及耳夾電極送入TGAM模塊，模塊采 集這兩點的電壓差送入運放進行放大，再把O-lOOHz以外的信號過濾后送入ADC轉為數字 信號，之后交由TGAM模塊內包含的TGAT內部的MCU進行分析處理，最后由模塊上的UART 接口輸出。采集、放大、濾波、ADC處理為數字信號、MCU內部分析及UART輸出全都集中在一 塊小小TGAM模塊上，精準而且節省空間，實施方便。
[0055] 3.藍牙模塊傳輸的波特率設置為57600,接收的腦電數據通過FT232USB轉串口模 塊進入到基于圖形化編程語言LabVIEW編寫的腦電波的顯示分析系統。藍牙這種開放的低 成本、短距離無線連接技術，發揮很大作用，由于無線傳輸的是數字量，因此在通常情況下 沒有傳輸誤差，不會影響到系統的準確度，并且可以單芯片實現，體積功耗都能達到很小的 水平。
[0056] 4.腦電數據經過USB轉換為串口數據，基于圖形化編程語言LabVIEW編寫的腦電 顯示分析系統計算調整接收到的腦電數據并使其圖形化顯示進而進行時頻分析。該系統采 用一個順序結構，首先初始化全局變量，然后進入工作部分；并采用多線程并發運行，工作 部分為兩個While循環結構并發運行，后者在循環體中加入了狀態機的編程方式，添加所 需的狀態，程序根據預先設定好的狀態有空閑狀態、解析數據包、校驗和、解析數據行、數據 調整。
[0057] 解析數據包：將有效負載和校驗和分離出來并存入相應的文件，剩余的數組元素 存回到原文件并覆蓋掉原數據；校驗和：打開文件讀取數據并獲得數據組，然后根據定義 計算校驗和并判定，若正確則將負載存入文件，若不正確則刪除數據；解析數據行：根據數 據編碼將腦電數據加以分類；數據的調整：根據腦電數據傳輸格式對原始腦電數據和腦電 功率做出計算調整。
[0058] 程序先進入空閑狀態等待菜單選項事件的發生，若用戶單擊菜單選項就會觸發事 件結構并執行相應分支的程序，運行以后再回到空閑狀態；若等待超時則跳轉到解析數據 包或校驗和、解析數據行、數據調整分支最后轉回到空閑狀態繼續等待。從模塊化角度軟件 系統主要分為以下幾個部分：登陸界面、仿真主界面、腦電數據的讀取、腦電數據的解析、腦 電波形的顯示、腦電功率的顯示和腦電信號的時域與頻域的分析。
【權利要求】
1. 一種基于無線傳輸的腦電波采集裝置，其特征在于，包括： TGAM模塊； 用于貼在前額的前額電極，其輸出連接TGAM模塊； 用于夾在左右耳垂上的兩個耳夾電極，其輸出分別連接TGAM模塊； 藍牙發送模塊，其輸入連接TGAM模塊； 藍牙接收模塊，與藍牙發送模塊無線通信相連； 上位機，其輸入連接藍牙接收模塊； 所述上位機設有USB接口模塊和腦電波的顯示分析系統：USB接口模塊的輸入連接藍 牙接收模塊，輸出連接腦電波的顯示分析系統。
2. 根據權利要求1所述的基于無線傳輸的腦電波采集裝置，其特征在于：所述TGAM模 塊采用NeuroSky神念科技的腦電采集模塊TGAM。
3. 根據權利要求1所述的基于無線傳輸的腦電波采集裝置，其特征在于：所述前額電 極是采用NeuroSky神念科技的氯化銀干電極。
4. 根據權利要求1所述的基于無線傳輸的腦電波采集裝置，其特征在于：所述耳夾電 極內裝有使人體的電壓與耳夾的電壓相等的接地電極，以及可通過共模抑制過濾掉周圍環 境噪音的參考電極。
5. 根據權利要求1所述的基于無線傳輸的腦電波采集裝置，其特征在于：所述腦電波 的顯示分析系統是基于圖形化編程語言LabVIEW編寫的腦電波的顯示分析系統。
6. 根據權利要求1所述的基于無線傳輸的腦電波采集裝置，其特征在于：所述USB接 口模塊為FT232USB轉串口模塊，其接收3. 3V-5V外部供電，支持5V對外供電和3. 3V對外 供電；自帶 3 個 LED :TXD LED、RXD LED 和 POWER LED。
【文檔編號】A61B5/0476GK203898306SQ201420301661
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月6日 優先權日:2014年6月6日
【發明者】張思源, 楊池, 胡韜, 周穎 申請人:上海理工大學