一種微型可穿戴式腦電采集器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及腦電采集器領域，尤其涉及一種微型可穿戴式腦電采集器。
【背景技術】
[0002]在任何生物的生命活動過程中，其體內細胞、組織和器官都會發生電位變化，這種現象即所謂的生物電現象。生物電是生命活動最基本的特征之一。人在安靜狀態下或是受到外界聲、光等刺激時，大腦皮層都會產生持續的、有節律性的電位變化，通過在大腦皮層或頭皮上放置電極可采集到電位隨時間變化的波形，將其提取出來并加以放大、記錄即得到腦電圖(Electroencephalogram, EEG)。EEG是人體對體內神經細胞活動(如離子交換、新陳代謝等)的綜合反映，其中包含著人的各種形式的思維狀態信息和大量生理信息，被廣泛應用于心理學、神經生理學、認知科學等領域的基礎研究。
[0003]腦電信號的采集需要專用的采集系統來實現，采集到的信號的質量直接關系到結果的準確性和研究的可靠性。但是，腦電信號具有信號微弱、頻率范圍低、隨機性強、背景噪聲強而且容易受到干擾等特點，這就對信號采集系統的設計提出了很高的技術要求。
[0004]—個完整的腦電信號采集系統通常包含三部分，即信號采集部分、信號處理部分以及記錄與顯示部分。信號采集部分通常采用電極來實現，電極實質是一個能量轉換裝置，將腦皮層內靠離子傳導的電流，轉換成電路中靠電子傳導的電流并傳輸到采集系統中。信號處理部分主要對通過電極獲取到的信號進行濾波、放大、模一數轉換、存儲等加工處理，以便于后期對信號的分析、識別和研究。這個部分對整個系統的功能起著關鍵性作用。記錄與顯示部分的主要作用是將采集結果以一定形式顯示出來，并按需要記錄下來以供后期研究分析。記錄與顯示的方式多種多樣，而且應具備良好的人機交互界面和適宜性能。
[0005]目前常用的幾款腦電采集器都存在著各自或多或少的不足:
[0006]1、美國Neuroscan公司的Quik_Cap電極帽與放大器之間使用導線連接，便攜性差，會限制受試者自由活動，而且實驗前后還分別需要注射、清洗導電膏，使用起來極不方便。
[0007]2、Emotiv Systems (美國加州舊金山的神經科技公司)和NeuroSky (神念科技公司)設計的腦電采集設備采用了可穿戴技術，在便攜性上有很大改善，但是價格昂貴，例如一套Emotiv EP0C+就需要499美元，而且Neuro Sky的設備不能滿足多通道采集的要求。
[0008]只有對腦電信號采集器進行優化設計才能使腦電信號采集過程簡單化、方便化，進而深入對腦電信號的研究和應用。
【發明內容】
[0009]本發明提供了一種微型可穿戴式腦電采集器，本發明通過藍牙實現數據的無線傳輸，彌補以往采集裝置的不足，提高便攜性和可操作性，詳見下文描述:
[0010]一種微型可穿戴式腦電采集器，所述腦電采集器包括:采集電極、控制裝置和電源電路，所述控制裝置通過藍牙模塊與外部的上位機實現數據的傳輸；所述控制裝置由預處理電路、采集前端與控制器組成；
[0011]所述采集前端與所述控制器之間采用SPI通訊；所述控制器與所述上位機之間采用藍牙通訊；
[0012]EEG信號通過所述采集電極傳輸至所述預處理電路、及采集前端，實現EEG信號的濾波、放大和模數轉換，再借助SPI接口將預處理后的EEG信號傳送至所述控制器；
[0013]所述控制器內置的微控制器對預處理后的EEG信號進行處理，并通過藍牙模塊將處理后的數據傳送至所述上位機。
[0014]所述預處理電路用于抗混疊低通濾波；所述預處理電路采用電阻排和電容排實現，每個單一通道中電容和電阻構成低通濾波器。
[0015]所述電源電路中的模擬電路、數字電路獨立供電，模擬地和數字地分開；
[0016]在數字電源與模擬電源、以及數字地與模擬地之間加磁珠構成無源濾波電路。
[0017]其中，所述采集前端與所述控制器之間采用SPI通訊具體為:
[0018]在SPI模式下，所述控制器作為通信中的主機，所述采集前端作為從機，通過4線接口通信。
[0019]其中，所述采集前端為ADS1299芯片；所述控制器為CC2541芯片。
[0020]本發明提供的技術方案的有益效果是:本發明提供的腦電采集器降低了整體的功耗和成本，實現微型可穿戴式、多通道腦電信號的采集。在保證信號分辨率的前提下，極大地提高了通用性能，更加符合用戶實際的使用需求；當該腦電采集器基于ADS1299和CC2541芯片時，該腦電信號采集器還降低了生產制造成本。
【附圖說明】
[0021]圖1為微型可穿戴式腦電采集器的設計流程圖；
[0022]圖2為微型可穿戴式腦電采集器的功能框圖；
[0023]圖3為預處理電路原理圖；
[0024]圖4為SPI通訊相應管腳連接圖；
[0025]圖5為巴倫匹配電路原理圖；
[0026]圖6為PCB天線示意圖；
[0027]圖7為晶振電路原理圖；
[0028]圖8為電源電路原理圖；
[0029]圖9為微型可穿戴式腦電采集器軟件設計示意圖；
[0030]圖10為ADS1299系統采集腦電信號及頻譜圖；
[0031]其中，(a)為腦電信號示意圖；(b)為頻譜圖。
[0032]圖11為Neuroscan采集腦電信號及頻譜圖。
[0033]其中，(a)為腦電信號示意圖；(b)為頻譜圖。
[0034]附圖中，各標號所代表的部件列表如下:
[0035]1:采集電極； 2:控制裝置；
[0036]3:電源電路； 4:上位機；
[0037]21:預處理電路；22:采集前端；
[0038]23:控制器。
【具體實施方式】
[0039]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
[0040]實施例1
[0041]—種微型可穿戴式腦電采集器，參見圖1，該腦電采集器包括:采集電極1、控制裝置2和電源電路3，控制裝置2通過藍牙模塊與外部的上位機4實現數據的傳輸。該腦電采集器主體設計分為硬件設計和軟件設計兩部分。
[0042]1、硬件設計包括:由預處理電路21、采集前端22與控制器23組成的控制裝置2。
[0043]其中，采集前端22以ADS1299例，控制器23以CC2541為例進行說明。
[0044]2、軟件設計包括:采集前端22與控制器23之間的SPI通訊設計；以及控制器23與上位機4之間的藍牙通訊設計。即ADS1299與CC2541之間的SPI通訊程序、CC2541與上位機4之間的藍牙通訊程序。
[0045]具體實現時，EEG信號通過采集電極1傳輸至預處理電路21、采集前端22(ADS1299)，實現EEG信號的濾波、放大和模一數轉換，再借助SPI接口將預處理后的EEG信號傳送至控制器23(CC2541)，控制器23內置的微控制器對預處理后的EEG信號進行處理并通過藍牙模塊，將處理后的數據傳送至上位機4。
[0046]其中，ADS1299具有轉換速率快、分辨率高、功耗低、集成度高等優點，以其便攜性、緊湊性、低功耗性被用來專門進行腦電信號采集。CC2541是完全集成的混合信號系統級芯片，它采用最新的藍牙4.0技術，具有較快的運算速度、數據傳輸速率以及豐富的片內片外資源。ADS1299和CC2541的結合能夠實現腦電信號的采集、模一數轉換以及無線傳輸。
[0047]具體實現時，該腦電采集器也可以采用其他型號的芯片實現，本發明實施例對此不做限制。
[0048]綜上所述，該腦電采集器具有體積小、功耗低、成本低等優點，可以實現信號的多通道采集以及數據無線傳輸，為研發具有自主知識產權的微型化、可穿戴化腦電采集設備奠定了良好的基礎。
[0049]實施例2
[0050]下面結合具體的附圖，對實施例1中的方案進行詳細描述，詳見下文:
[0051]一、硬件設計
[0052]硬件電路設計主要以TI (美國德州儀器)公司的ADS1299和CC2541兩款集成芯片為核心展開，只需要增加簡單的外圍電路，即可完成對腦電信號的濾波、放大、模一數轉換、數據處理和無線傳輸。電路是在Altium Designer環境下設計的。
[0053]圖2所示是采集器的功能框圖，主要有采集電極1、控制裝置2 (預處理電路21、ADS1299芯片、CC2541芯片)和電源電路3。
[0054]采集電極1采用的是盤狀電極，盤狀電極是目前國內外腦電圖描記工作中較為理想的頭皮電極，具有對受檢查者無損傷，檢查中無痛苦，操作過程不會引起患者之間的相互交叉感染及易使嬰幼兒所接受等優點。
[0055]參見圖3，預處理電路21主要用于抗混疊低通濾波。根據“奈奎斯特采樣定律”，在對模擬信號進行離散化時，采樣頻率f2至少應2倍于被分析信號的最高頻率Π，即f2 ^ 2*fl，否則可能出現因采樣頻率不夠高，模擬信號中的高頻信號折疊到低頻段，出現虛假頻率成分的現象即混疊。
[0056]所以ADS1299芯片的每一信號通道前增加一個抗混疊低通濾波電路。另外出于對整體體積、功耗和成本等方面的考慮，本發明實施例使用的是電阻排和電容排，其中電阻排采用的是松下排阻系列EXB2HV223JV，即圖3中的Resl和Res2，電容排采用松下EZANPE470M，即圖3中的Capl和Cap2。每個單一通道中電容和電阻構成低通濾波器。
[0057]ADS1299芯片主要作用是實現微弱信號的放大和模一數轉換，其包含8個低噪聲可編程增益放大器(PGA)和8個高分辨率同步采樣模一數轉換器(ADC)，其中PGA可以設置為1，2，4，6，8，12或24，ADC的模一數轉換速率介于250SPS_16k SPS之間，不超過8k SPS時其精度高達24位。本發明實施例采用單級電源供電