一种嵌入式脑电阻抗测量系统的制作方法

[0001]
本发明主要涉及医疗检测设备领域，尤其涉及一种用于脑电信号测量系统。


背景技术：

[0002]
脑电信号是通过安放在记录部位的脑电极送到脑电图机的输入部分，经放大器放大后进行处理。由于脑电信号本身十分微弱，在测量过程中会受到各种影响，产生伪差，进而影响脑电信号的质量。为了得到更真实准确的极弱脑电信号，对其使用电极与头皮接触阻抗的要求是极其严格的。电极与头皮接触的好坏，影响着电极电阻的大小。接触阻抗越大，表示电极与皮肤接触不好，采集的脑电信号质量可靠低；接触阻抗越小，表示电极与皮肤接触良好，采集的脑电信号质量可靠性高。很多医院这方面主要通过操作人员工作的细心认真观察来判断电极接触好坏。这样的判断对医务人员的经验要求很高。
[0003]
现有的方案中，有的是阻抗测量电路与脑电采集电路相互独立，导致系统体积偏大，资源利用不合理；有的是阻抗测量的激励电流源频率比较低，在脑电信号频率范围内，对脑电信号造成一定的影响，测量出的阻抗值波动大，精确度低；现有方案阻抗测量几乎都放在上位机，采集脑电时必须带着体积庞大的上位机，非常不方便。


技术实现要素：

[0004]
针对上述现有技术中的不足，本发明要达到的技术效果是：提供一种基于嵌入式系统的脑电阻抗测量方案，可以在下位机采集系统部分完成脑电数据的采集的同时，实时测量电极与皮肤的接触阻抗，并分别支持下位机阻抗值的计算与存储和上位机的阻抗值实时计算与显示。通过配置ads1299的合适参数，使系统通过数字滤波器可以容易的分开脑电信号与阻抗测量信号，使其不会相互影响。该方案可以使阻抗测量精度完全满足脑电信号测量中的需求，并且整个方案集成度高，占用空间小，适用于下位机独立采集脑电数据的模式和与上位机协同工作的模式。
[0005]
本发明技术方案为：嵌入式脑电阻抗测量系统，包括信号采集系统、控制系统以及阻抗值的计算与存储。信号采集系统包括包括脑电采集接口设备，输入前级低通滤波电路，增益放大电路，滤波电路，电流源激励模块以及a/d转换功能模块等。信号采集系统部分主要对微弱的脑电信号进行采集，经过初步的低通滤波后，对信号进行放大，并做滤波处理，最后经过a/d功能模块对采集到的脑电信号进行模数转换，并将各个通道的数字量读入到控制系统。当打开阻抗测量功能时，电流源激励信号输出交变电流信号，其中电流信号的频率应设置为脑电信号频带以外，避免对脑电信号造成影响。电流源的激励信号经过电极、皮肤、人体，最终回流到信号采集模块。此时采集到的信号包括脑电信号和阻抗测量信号。对于阻抗值的计算只需要将采集的信号用带通滤波器进行处理，经过带通滤波后的信号只包括阻抗测量的信号，再用此处理后的信号进行阻抗值的计算即可。对于脑电信号的获取，只需要将其经过高通滤波器处理，去基线漂移，工频滤波等处理，便可以得到干净的脑电信号。系统支持下位机采集系统独立工作的模式，这种模式适合将采集系统随身携带，采集人
体运动时的脑电信号，在这种模式下，可以同时将脑电信号与阻抗值存储到sd卡中，以便做脑电信号的后处理分析，可以通过每个时刻的阻抗值判断该时刻采集的脑电信号质量是否可靠。系统支持下位机采集系统与上位机pc端共同工作的模式，这种模式适合床边的实时监护以及其他类似场景，在这种模式下，脑电信号与阻抗测量的信号一起被传输到上位机pc端，接着由pc端对其信号进行数字滤波等处理，获取实时脑电信号与阻抗值，并可以通过实时对信号进行分析，利用人工智能等算法，自动识别出是被监护人是否有病症的发生。
[0006]
本发明嵌入式脑电阻抗测量系统，基于当前市场上的类似系统的不足进行了重新设计与改进。采用wifi的通信方式和锂电池的供电方式，整个系统体积变小，方便携带。除了支持下位机采集系统与pc端上位机协同工作外，还支持下位机独立工作的模式。在下位机实时计算阻抗值并与预设阈值进行比较，通过控制led的亮灭或蜂鸣器来提醒用户电极与皮肤是否接触良好，同时将其阻抗值与脑电信号一起存储在sd卡中，方便后处理分析，主要通过每个时刻阻抗值大小用来评价该时刻电极与皮肤的接触状况，进而评价该时刻采集的脑电数据的质量，这对信号的处理起到关键性作用。
附图说明
[0007]
图1是本发明整体结构图。
[0008]
图2是本发明的阻抗检测原理电路模型
具体实施方式
[0009]
本发明嵌入式脑电阻抗测量系统，整体结构框图如图1所示包括信号采集系统、控制系统以及阻抗值的计算与存储。
[0010]
信号采集系统部分采用24位高精度a/d集成芯片ads1299，该芯片包括可编程增益放大，滤波，a/d转换，阻抗测量等功能，其中采样率250hz到16khz可调，一个ads1299 芯片含有8个通道，每个通道都采用低压差分接口，每个通道的信号增益放大可调，且每个通道分别带有用于导联脱落的激励电流源。采用此芯片可以将脑电信号采集部分与阻抗测量部分集成在一起，大大缩小了采集系统的体积。外部空间中充斥着各个频率的信号，而我们所需要的是脑电信号，该信号属于低频微弱信号，在a/d采集前端加入一个低通滤波电路，初步滤除无用的高频信号干扰。前端预处理电路由一阶rc低通滤波器组成，可以根据不同的频率需求，更换电阻来改变滤波器的截止频率，其中滤波器前端有双向二极管，防止静电过大，损坏采集系统。
[0011]
测量阻抗的激励电流源电路集成在ads1299采集芯片中，电流源激励可以选择dc直流激励，也可以选择ac交流激励，其中交流激励的频率有三种可选，分别是7.8hz，31.2hz 和四分之一采样率。人体皮肤阻抗模型并不是纯电阻，还包含容性阻抗，因此本系统选用ac 交流电流源作为激励信号。脑电信号主要频率在1～80hz，在不同的频率范围有其不同的特征，如果选择7.8h或者31.2hz激励信号，则阻抗测量的激励信号在脑电信号频率范围内，会对其造成一定的干扰与特性影响，基于此，本系统采用四分之一采样频率，将采样频率设为 500hz(或者以上)，因此阻抗测量电流源的激励信号频率为125hz。计算阻抗值时，只需用带通滤波器将125hz频率的信号提取出来即可。而脑电信号只需经过一个低通滤波器，即可将阻抗测量信号去除。
[0012]
如图2所示，该图为阻抗检测原理电路模型，图中in-series impedance表示的使系统内部阻抗，而skin部分则简单模拟皮肤阻抗，实际中的皮肤阻抗模型更为复杂，这里只是为了讲述原理。电流源从p端开始流出，依次经过系统的阻抗，皮肤阻抗，人的身体内阻抗，然后经bias电极回流到采集系统中。因为差分放大器的输入阻抗极高，所以交流的电流路径如图 2中所示。
[0013]
系统控制部分采用的控制芯片为stm32f723系列芯片，用c语言编程，主要监控与控制整个系统的运行并进行一些初步的数据处理，将脑电信号采集后分别进行初步的滤波处理，主要包括带通滤波，50hz陷波，基线漂移等。初步处理好的数据有两种方式可选进行处理。本系统支持将数据通过wifi传输的方式将采集的脑电信号传输到pc端上位机实时显示波形，并实时显示阻抗测量值，这种模式下，阻抗测量计算主要是在pc端完成。同时本系统也支持采集盒独立工作模式，在此模式下，采集系统将脑电数据实时存储到sd卡中，该sd 卡容量可以选择32g、64g及以上，可以存储比较长时间的脑电数据。此时下位机进行阻抗的测量并计算，实时将各个通道的阻抗值存储到sd卡，阻抗值与采集的脑电数据各个时刻相对应。数据以bdf的格式存储，通过sd卡可以将数据转移到pc端进行进一步处理。
[0014]
采集系统采用两节锂电池供电，支持自动切换，两节电池中电池电量比较高的锂电池支持系统的运行。如果锂电池电量偏低，系统会有对应的led亮灯提醒。系统对功耗做了严格的控制，主控芯片通过控制mos管的通断来开启或关闭外围电路的供电。因此采集系统可以长时间的独立工作。
[0015]
系统设计中，采用fir带通滤波器，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统。经过综合考虑，滤波器采用hanmming窗，阶数为200。先在matlab中输入滤波器参数获取滤波器的系数并将其以c头文件的方式输出，然后将滤波器系数整合到采集系统的软件程序中设计滤波器。每次采集到32(也可以是其他点数)个采样点就进行带通滤波操作，经过带通滤波后的数据就可以进行阻抗值的计算操作。其中，需要将干扰比较大的50hz工频从通带中滤除，否则计算出来的阻抗值受噪声影响比较大，导致阻抗值有比较大的波动，影响阻抗的检测。