一种微型可穿戴式脑电采集器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及脑电采集器领域，尤其涉及一种微型可穿戴式脑电采集器。
【背景技术】
[0002]在任何生物的生命活动过程中，其体内细胞、组织和器官都会发生电位变化，这种现象即所谓的生物电现象。生物电是生命活动最基本的特征之一。人在安静状态下或是受到外界声、光等刺激时，大脑皮层都会产生持续的、有节律性的电位变化，通过在大脑皮层或头皮上放置电极可采集到电位随时间变化的波形，将其提取出来并加以放大、记录即得到脑电图(Electroencephalogram, EEG)。EEG是人体对体内神经细胞活动(如离子交换、新陈代谢等)的综合反映，其中包含着人的各种形式的思维状态信息和大量生理信息，被广泛应用于心理学、神经生理学、认知科学等领域的基础研究。
[0003]脑电信号的采集需要专用的采集系统来实现，采集到的信号的质量直接关系到结果的准确性和研究的可靠性。但是，脑电信号具有信号微弱、频率范围低、随机性强、背景噪声强而且容易受到干扰等特点，这就对信号采集系统的设计提出了很高的技术要求。
[0004]—个完整的脑电信号采集系统通常包含三部分，即信号采集部分、信号处理部分以及记录与显示部分。信号采集部分通常采用电极来实现，电极实质是一个能量转换装置，将脑皮层内靠离子传导的电流，转换成电路中靠电子传导的电流并传输到采集系统中。信号处理部分主要对通过电极获取到的信号进行滤波、放大、模一数转换、存储等加工处理，以便于后期对信号的分析、识别和研究。这个部分对整个系统的功能起着关键性作用。记录与显示部分的主要作用是将采集结果以一定形式显示出来，并按需要记录下来以供后期研究分析。记录与显示的方式多种多样，而且应具备良好的人机交互界面和适宜性能。
[0005]目前常用的几款脑电采集器都存在着各自或多或少的不足:
[0006]1、美国Neuroscan公司的Quik_Cap电极帽与放大器之间使用导线连接，便携性差，会限制受试者自由活动，而且实验前后还分别需要注射、清洗导电膏，使用起来极不方便。
[0007]2、Emotiv Systems (美国加州旧金山的神经科技公司)和NeuroSky (神念科技公司)设计的脑电采集设备采用了可穿戴技术，在便携性上有很大改善，但是价格昂贵，例如一套Emotiv EP0C+就需要499美元，而且Neuro Sky的设备不能满足多通道采集的要求。
[0008]只有对脑电信号采集器进行优化设计才能使脑电信号采集过程简单化、方便化，进而深入对脑电信号的研究和应用。
【发明内容】
[0009]本发明提供了一种微型可穿戴式脑电采集器，本发明通过蓝牙实现数据的无线传输，弥补以往采集装置的不足，提高便携性和可操作性，详见下文描述:
[0010]一种微型可穿戴式脑电采集器，所述脑电采集器包括:采集电极、控制装置和电源电路，所述控制装置通过蓝牙模块与外部的上位机实现数据的传输；所述控制装置由预处理电路、采集前端与控制器组成；
[0011]所述采集前端与所述控制器之间采用SPI通讯；所述控制器与所述上位机之间采用蓝牙通讯；
[0012]EEG信号通过所述采集电极传输至所述预处理电路、及采集前端，实现EEG信号的滤波、放大和模数转换，再借助SPI接口将预处理后的EEG信号传送至所述控制器；
[0013]所述控制器内置的微控制器对预处理后的EEG信号进行处理，并通过蓝牙模块将处理后的数据传送至所述上位机。
[0014]所述预处理电路用于抗混叠低通滤波；所述预处理电路采用电阻排和电容排实现，每个单一通道中电容和电阻构成低通滤波器。
[0015]所述电源电路中的模拟电路、数字电路独立供电，模拟地和数字地分开；
[0016]在数字电源与模拟电源、以及数字地与模拟地之间加磁珠构成无源滤波电路。
[0017]其中，所述采集前端与所述控制器之间采用SPI通讯具体为:
[0018]在SPI模式下，所述控制器作为通信中的主机，所述采集前端作为从机，通过4线接口通信。
[0019]其中，所述采集前端为ADS1299芯片；所述控制器为CC2541芯片。
[0020]本发明提供的技术方案的有益效果是:本发明提供的脑电采集器降低了整体的功耗和成本，实现微型可穿戴式、多通道脑电信号的采集。在保证信号分辨率的前提下，极大地提高了通用性能，更加符合用户实际的使用需求；当该脑电采集器基于ADS1299和CC2541芯片时，该脑电信号采集器还降低了生产制造成本。
【附图说明】
[0021]图1为微型可穿戴式脑电采集器的设计流程图；
[0022]图2为微型可穿戴式脑电采集器的功能框图；
[0023]图3为预处理电路原理图；
[0024]图4为SPI通讯相应管脚连接图；
[0025]图5为巴伦匹配电路原理图；
[0026]图6为PCB天线示意图；
[0027]图7为晶振电路原理图；
[0028]图8为电源电路原理图；
[0029]图9为微型可穿戴式脑电采集器软件设计示意图；
[0030]图10为ADS1299系统采集脑电信号及频谱图；
[0031]其中，(a)为脑电信号示意图；(b)为频谱图。
[0032]图11为Neuroscan采集脑电信号及频谱图。
[0033]其中，(a)为脑电信号示意图；(b)为频谱图。
[0034]附图中，各标号所代表的部件列表如下:
[0035]1:采集电极； 2:控制装置；
[0036]3:电源电路； 4:上位机；
[0037]21:预处理电路；22:采集前端；
[0038]23:控制器。
【具体实施方式】
[0039]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0040]实施例1
[0041]—种微型可穿戴式脑电采集器，参见图1，该脑电采集器包括:采集电极1、控制装置2和电源电路3，控制装置2通过蓝牙模块与外部的上位机4实现数据的传输。该脑电采集器主体设计分为硬件设计和软件设计两部分。
[0042]1、硬件设计包括:由预处理电路21、采集前端22与控制器23组成的控制装置2。
[0043]其中，采集前端22以ADS1299例，控制器23以CC2541为例进行说明。
[0044]2、软件设计包括:采集前端22与控制器23之间的SPI通讯设计；以及控制器23与上位机4之间的蓝牙通讯设计。即ADS1299与CC2541之间的SPI通讯程序、CC2541与上位机4之间的蓝牙通讯程序。
[0045]具体实现时，EEG信号通过采集电极1传输至预处理电路21、采集前端22(ADS1299)，实现EEG信号的滤波、放大和模一数转换，再借助SPI接口将预处理后的EEG信号传送至控制器23(CC2541)，控制器23内置的微控制器对预处理后的EEG信号进行处理并通过蓝牙模块，将处理后的数据传送至上位机4。
[0046]其中，ADS1299具有转换速率快、分辨率高、功耗低、集成度高等优点，以其便携性、紧凑性、低功耗性被用来专门进行脑电信号采集。CC2541是完全集成的混合信号系统级芯片，它采用最新的蓝牙4.0技术，具有较快的运算速度、数据传输速率以及丰富的片内片外资源。ADS1299和CC2541的结合能够实现脑电信号的采集、模一数转换以及无线传输。
[0047]具体实现时，该脑电采集器也可以采用其他型号的芯片实现，本发明实施例对此不做限制。
[0048]综上所述，该脑电采集器具有体积小、功耗低、成本低等优点，可以实现信号的多通道采集以及数据无线传输，为研发具有自主知识产权的微型化、可穿戴化脑电采集设备奠定了良好的基础。
[0049]实施例2
[0050]下面结合具体的附图，对实施例1中的方案进行详细描述，详见下文:
[0051]一、硬件设计
[0052]硬件电路设计主要以TI (美国德州仪器)公司的ADS1299和CC2541两款集成芯片为核心展开，只需要增加简单的外围电路，即可完成对脑电信号的滤波、放大、模一数转换、数据处理和无线传输。电路是在Altium Designer环境下设计的。
[0053]图2所示是采集器的功能框图，主要有采集电极1、控制装置2 (预处理电路21、ADS1299芯片、CC2541芯片)和电源电路3。
[0054]采集电极1采用的是盘状电极，盘状电极是目前国内外脑电图描记工作中较为理想的头皮电极，具有对受检查者无损伤，检查中无痛苦，操作过程不会引起患者之间的相互交叉感染及易使婴幼儿所接受等优点。
[0055]参见图3，预处理电路21主要用于抗混叠低通滤波。根据“奈奎斯特采样定律”，在对模拟信号进行离散化时，采样频率f2至少应2倍于被分析信号的最高频率Π，即f2 ^ 2*fl，否则可能出现因采样频率不够高，模拟信号中的高频信号折叠到低频段，出现虚假频率成分的现象即混叠。
[0056]所以ADS1299芯片的每一信号通道前增加一个抗混叠低通滤波电路。另外出于对整体体积、功耗和成本等方面的考虑，本发明实施例使用的是电阻排和电容排，其中电阻排采用的是松下排阻系列EXB2HV223JV，即图3中的Resl和Res2，电容排采用松下EZANPE470M，即图3中的Capl和Cap2。每个单一通道中电容和电阻构成低通滤波器。
[0057]ADS1299芯片主要作用是实现微弱信号的放大和模一数转换，其包含8个低噪声可编程增益放大器(PGA)和8个高分辨率同步采样模一数转换器(ADC)，其中PGA可以设置为1，2，4，6，8，12或24，ADC的模一数转换速率介于250SPS_16k SPS之间，不超过8k SPS时其精度高达24位。本发明实施例采用单级电源供电