[发明专利]硬件与软件结合的脑电检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及了一种新型的脑电检测技术，采用该技术的脑电检测装置具有结构简单、稳定性高、使用灵活的特点。

背景技术

常规数字化脑电图仪的主要原理如图11所示：从头皮电极引入的微弱的脑电信号经过前置放大电路进行约100倍左右的放大，然后进入后级多级滤波和放大电路，为了把脑电信号放大到采集芯片能分辨的程度，需要大约1～5万倍的总放大倍数。在放大滤波后的脑电信号进入A/D转换，转换后的数据通过各种通讯介质传送到计算机中进行处理。

在脑电电极引入的信号中除了有用的脑电信号以外，还含有大量的干扰信号和伪迹。因此，要求前置放大器具有低噪声、高输入阻抗、高共模抑制比，当前一般采用高性能的仪表放大器来实现。即使满足了这些要求，但在前置放大器的输出中，仍不免含有残存的干扰信号和伪迹，这些信号甚至有时比有用的脑电信号还强，而这些信号的存在很容易使后级放大的有源滤波电路饱和，当电路饱和时，脑电信息也全部丢失，无法恢复。当饱和深度较深时，会引起放大器的恢复变得很长。

另外，总放大倍数过大和滤波级数过多，容易造成信号通道的不稳定，很容易产生自激和漂移。而且，电路结构相当复杂，对器件选择要求很高，造成了生产、调试的困难，成品率低。

发明内容

综上所述，如何克服传统数字脑电检测由于检测微弱脑电信号而必须使放大倍数大于10000倍而导致电路设计上的困难，存在放大电路动态范围小、易饱和、恢复时间长、易受干扰、生产加工困难等缺点。这些都是本发明所要解决的技术问题，为此，本发明的目的在于提供一种可与计算机相结合的、结构简单、稳定性高、生产加工方便的脑电检测装置，其与上位计算机结合，进行数据处理。

本发明的技术解决思路是为了解决常规脑电设备所存在的动态范围小、易饱和、恢复时间长、易受到干扰等缺点，对脑电的检测方法进行改进，以简化了硬件模拟部分的结构，减小硬件的放大倍数，采用高精度A/D转换和超采样技术，并相对于常规脑电设备加宽了放大通道的带宽，使更多的脑电信息进入到采集部分。大部分对脑电信号的处理都可以在软件中完成，从而，系统的灵活性也得到大大的提高。

采用超采样技术，按照香农定理，对于频率为f的信号，要得到正确的采样信号，采样频率fs必须大于1/2f，按照此定理脑电的有用频率大约在60Hz以下。因此，数字化脑电检测装置的采样频率只要大于120Hz就可以了。但是由于存在A/D转换误差、和开关噪声等，如果采样频率过低(如：128Hz)，会引起波形变形。本发明采用的过采样技术，就是采用频率非常高的采样频率，例如：10KHz，对脑电信号进行采样，然后经过一定的算法处理，可以大大降低A/D转换的噪声对采集波形的影响，并且由于采样频率很高也使得抗混迭滤波器的设计可以变得非常简单。

前置放大：由贴在人体头皮的电极引入的脑电信号首先进入前置放大器，由于伴随着脑电信号会同时有很多干扰和伪迹被引入放大器，这些无用的信号甚至比脑电信号幅度大几百甚至上千倍，所以要求前置放大器既能检测到微弱的有用信号也要具有高抗干扰性和耐受能力。为了达到这些要求，前置放大器必须具有高输入阻抗、高共模抑制比。为了使放大器在大信号时不被饱和，即使有一些干扰信号存在，也可以通过数字滤波等方式把干扰信号去除。因此，前置放大倍数不能太大，本发明采用了电压放大倍数为80的仪表放大器做为前置放大至多为500倍即可。前置放大器具有60mVp-p的动态范围，也就是说：只要干扰或伪迹的幅度不大于60mV，放大器就能正常工作，它们在经过A/D转换后，在计算机上通过软件滤除，从而得到高质量的脑电波形。

抗混迭滤波：一般脑电信号的频率范围在60Hz以下，此滤波器用来滤除高频无用的信号，避免高频信号使A/D采样电路产生频谱混迭。

采样保持：使各通道在同一时刻进行采样，保证各通道采样的同步性。

通道切换：使多个通道复用一个A/D转换芯片。

高精度A/D转换：高精度采样(18位以上)保证了对信号的分辨率，使在硬件放大倍数很小的情况下也可以分辨微伏级的脑电信号。

传输：传输可以选择多种形式，本发明的产品中采用了USB、光纤等方式，使数据可以传递到上位计算机，进行处理。

综上所述，本发明的技术方案如下：