[发明专利]基于阻抗自适应的脑电信号采集系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及脑机接口技术，尤其涉及基于阻抗自适应的脑电信号采集系统及方法。

背景技术

脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）是一种不依赖于正常的由外周神经和肌肉组成的输出通路的通讯系统。它通过一定手段检测大脑活动信号，再利用信号处理和模式识别等方法从中辨别出人的意图，从而把人的思维活动转换为计算机指令，实现对外部设备的控制或与外界进行信息交流。由于脑机接口不需要人的肢体动作或者语言表达直接参与，这项技术既可以为伤残人群提供更加有效的医疗康复和生活辅助设备，也可以作为一种新型人机一体化系统实现方式，从而在医疗、工业、交通等众多领域具有重要的应用前景。

脑电信号的检测是脑机接口技术的基础，现有的检测方法主要包括侵入式和非侵入式两类。侵入式信号检测方法将电极安置于大脑皮层表面或植入到大脑皮层之中，直接采集神经活动产生的生物电信号。这种检测方法得到的信号噪声小，时空分辨率较高，但需要进行专业的外科手术，操作复杂且对被试损害较大，因此难以找到合适的实验对象，应用范围较窄；而非侵入式信号检测方法则是将电极安置在大脑头皮表面，操作简单且不会对人体产生损伤，成为目前脑机接口技术研究中广泛采用的信号检测方法。然而，受到头发、头皮分泌物以及电极与头皮接触状态等众多因素的影响，头皮与电极之间往往具有较大阻抗，使得这种检测方法所得到的信号噪声较大，波形失真严重。如何降低头皮与电极之间的阻抗，并长期保持这两者之间稳定的阻抗值，研制出精确、可靠，操作简单且能够长时间连续使用的脑电信号采集系统，一直是脑机接口技术研究中的难题。

目前，降低电极与头皮之间阻抗常用的方法有两类，一种是电极与大脑头皮不直接接触，通过在两者之间加入液态或者糊状的导电介质，实现电极与头皮之间的低阻抗接触，这类电极也常被称为湿电极。另一种则不需要导电介质，而是通过对电极结构进行专门设计，直接将电极末端和头皮接触以降低电极阻抗，这类电极相应的被称为干电极。采用湿电极在准备良好的情况下能够有效的降低电极阻抗，所采集得到的脑电数据信噪比较高，但也存在两个难以克服的缺点：一是实验准备过程复杂，在实验操作者需要花费较多的时间和精力对每个采集位置涂抹导电膏，或者将电极放入导电液中浸泡，这一过程一般要花费几十分钟到一、二个小时不等，且实验效果对操作者的技术和经验依赖性较大；二是导电介质会在实验过程中发生变化，比如导电膏的流动性会导致电极与头皮接触不良，甚至会发生相邻电极的导电膏接触，引起信号串扰，而导电液（如生理盐水）则会受人体体温的影响，在实验过程中不断蒸发。这些因素都会使电极阻抗随着实验的不断进行而逐步增大，影响实验数据的稳定性，降低单次实验的有效进行时间。相比之下，干电极由于不需要导电介质，能有效降低实验准备过程的复杂度，大大缩短实验准备时间，比如利用针状电极阵列设计的脑电图电极帽直接佩戴即可使用。干电极的这一优点使其越来越受到众多研究者的青睐，然而实验表明，这种电极的阻抗值一般情况下大于湿电极，采集得到的脑电数据信噪比较高；同时，实验过程中头皮分泌的油脂等因素也会影响电极与头皮之间的接触，使得电极阻抗也会逐渐增大，影响实验数据的稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简单、使用方便、能长时间保持低电极阻抗、脑电数据能够保持高信噪比和高稳定性的基于阻抗自适应的脑电信号采集系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于阻抗自适应的脑电信号采集系统，包括电极帽，所述电极帽上设有多个电极，还包括用于检测所述电极的阻抗值的阻抗检测装置以及用于为所述电极补充导电液的导电液加注装置，所述导电液加注装置包括与各电极相连的加液执行机构和与阻抗检测装置相连的控制器，所述控制器根据阻抗检测装置测得的各电极的实时阻抗值控制加液执行机构对实时阻抗值在加液阀值范围内的电极加液。

所述电极包括壳体、电极片、与所述阻抗检测装置相连的银丝导线、与所述加液执行机构相连的加液导管以及多个触针，所述多个触针呈阵列状与电极片固接，所述电极片固定于壳体下端并与壳体围成一腔体，所述壳体上设有与所述腔体相通的导线孔和加液孔，所述银丝导线穿过导线孔与电极片连接，所述加液导管插设于加液孔内并与所述腔体相通。

所述触针与所述腔体相通，所述触针下部开设有补液小孔。

所述加液执行机构包括储液罐和电子阀，所述电子阀一端与储液罐连通，另一端与各电极的加液导管连通，电子阀与控制器电连接，并由控制器控制电子阀与各电极的加液导管之间的通断。