具有姿态跟踪功能的脑信号采集设备的制作方法

本实用新型涉及脑信号采集装置，更具体地说，本实用新型涉及一种具有姿态跟踪功能的脑信号采集设备。

背景技术：

脑电和近红外光谱(EEG-NIRS)联合成像技术是一种无创的脑成像技术，EEG与NIRS对于相同神经元活动会表现出不同的事件相关敏感性。此外，这两种方式具有在时间与空间上互补的特性，因此EEG和NIRS的结合能更全面地检测大脑功能活动，使检测的脑部信息更加完善。虽然fMRI在空间分辨率、空间覆盖率、处理大脑深处问题的能力上优越与fNIRS，但由于核磁共振设备体积巨大不能移动是它一个大的缺点，而且，显然一台MRI比NIRS系统价格更昂贵。而NIRS设备更紧凑甚至便携，从而很好地配合EEG，大量的科学应用可以受益于EEG和NIRS信号的同步采集与分析。

然而，被采集对象在不同的运动状态下，对采集到的数据会有不同的影响，从而输出不同的脑信号，目前针对这一问题没有很好的解决方法。

技术实现要素：

本实用新型的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本实用新型还有一个目的是提供一种具有姿态跟踪功能的脑信号采集设备，提出一种基于3轴加速度传感器和陀螺仪的EEG-NIRS设备，不仅可以检测脑功能活动信息，同时还可以检测出脑部对应的运动状态及姿态信息，提高了后期数据分析的精准性。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种具有姿态跟踪功能的脑信号采集设备，包括：

脑血氧采集端，其设置在脑头皮上，所述脑血氧采集端上间隔设置有LED光源和光电检测器，所述LED光源入射到脑头皮上，所述光电检测器接收未被吸收的所述LED光源信号；

脑电采集端，其设置有用于采集脑电信号的电极，所述电极贴合在脑头皮上；

主电路板，其佩戴在头部，所述主电路板上设置有微处理器，所述脑血氧采集端和脑电采集端分别与所述微处理器连接，所述微处理器输出端与显示终端连接；以及

运动状态及姿态采集端，其包括三轴加速度计和陀螺仪，所述三轴加速度计和陀螺仪设置在主电路板上并分别与所述微处理器连接。

优选的，所述LED光源包含两束特定波长的近红外光，波长分别为660nm和910nm。

优选的，所述LED光源与光电检测器间距2cm～4cm。

优选的，所述主电路板上还设置有依次连接的前置放大电路、低通滤波电路以及第一AD转换电路，所述光电检测器输出端与所述前置放大电路输入端连接，所述第一AD转换电路输出端与所述微处理器连接。

优选的，所述前置放大电路为跨阻型放大器，所述低通滤波电路为二阶有源反相滤波器。

优选的，所述主电路板上还设置有光源驱动电路和PWM调制电路，所述光源驱动电路输出端与所述LED光源连接，所述光源驱动电路的控制端通过所述PWM调制电路与微处理器连接。

优选的，所述电极通过设置在所述主电路板上的TGAM模块与所述微处理器连接。

优选的，所述主电路板上还设置有第二AD转换电路与互补滤波电路，所述三轴加速度计与陀螺仪依次通过所述第二AD转换电路、互补滤波电路与所述微处理器连接。

优选的，所述微处理器通过异步收发传输器与PC端连接和/或通过蓝牙与移动端连接。

本实用新型的有益效果：提出了一种具有姿态跟踪功能的脑信号采集设备，该设备不仅可以提供脑血氧和脑电信号，同时还提供了测试者对应的运动状态及姿态信息，为后继的数据处理提供了更为精确的数据。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为脑血氧采集端的结构示意图；

图2为前置放大电路的结构示意图；

图3为低通滤波器的结构示意图；

图4为脑电采集端的结构示意图；

图5为运动状态及姿态采集端的结构示意图；

图6为轴加速度计的原理图；

图7为陀螺仪的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本实用新型电提供了一种具有姿态跟踪功能的脑信号采集设备，如图1-7所示，主要包括脑血氧采集端、脑电采集端、主电路板、3轴加速度计和陀螺仪，该采集设备佩戴在头部用于检测脑血氧、脑电信息和对应的运动状态及姿态信息，主电路上集成有放大滤波电路13、第一AD转换电路14、微处理器10、光源驱动电路15、PWM调制电路16、TGAM模块22、三轴加速度计51、陀螺仪52、第二AD转换电路53以及互补滤波电路54。

具体的，如图1所示，脑血氧采集端上间隔设置有LED光源12和光电检测器11，所述LED光源12包含有两束特定波长的近红外光，波长分别为660nm和910nm，并入射到前额侧脑皮组织上，近红外光射入脑组织，经过头皮、颅骨、脑脊液和大脑，被组织中血红蛋白吸收，未被吸收的光子透过头皮被相距约3cm处的光电检测器11收集，收集到的信号经过放大滤波电路13、第一AD转换电路14到达微处理器10，得到出射光信息，微处理器利用修正的Beer_Lambert定律计算得出组织血氧饱和度。

其中，LED光源12通过光源驱动电路15驱动，同时微处理器10通过采集到的血氧饱和度信号产生以控制信号，该控制信号用于对PWM调制电路16进行调制，进而对光源驱动电路15的输出进行调控。

放大滤波电路13包括依次连接的前置放大电路和低通滤波电路。前置放大电路将光电检测器检测的微弱光电流转化为正常范围内的电压信号，同时获得最小的电流噪声和电压噪声，前置放大电路采用跨阻型放大器。如图2所示，本实施例中采用TI公司OPA656系列芯片作为TIA的运算放大器。为了无失真放大光信号，将前置放大电路的带宽设计为100KHz，OPA656N芯片的增益带宽积(GBP)为230MHz。为了使放大器稳定工作，放大的倍数则应小于2300倍，本实施例中选择放大2000倍。

低通滤波电路用于降低外界环境噪声的影响，对经过前置放大的电压信号进行低通滤波处理，本实施例采用二阶有源反相滤波器，此处采用的运放为OPA656N，其截止频率为1KHz，低通滤波电路的电路图如图3所示。

第一AD转换电路14将比例放大得到的电压模拟信号转换为数字信号，这里采用微处理器CC2540内部集成的高达10位ADC转换电路。

脑电采集端设置有用于采集脑电信号的电极，如图4所示，单路脑电极21贴合在前额侧的脑头皮上，电极通过设置在所述主电路板上的TGAM模块22与所述微处理器10连接。由于脑电信号十分微弱、噪声背景强，电极极化不稳定等特点，因此选用氯化银粉末电极，测量电极与头皮接触部位产生的电压差，极化电压一般为几毫伏到几百毫伏之间。由于TGAM模块22完成了脑电采集中的放大、AD转换和滤波等工作，所以将采集的脑电信号直接输入TGAM芯片得到数据包括原始脑电信号、eSense专注度和放松度指数、信号质量强度、眨眼侦测以及delta(0.5～2.75Hz)、theta(3.5～6.75Hz)、低频alpha(7.5～9.25Hz)、高频alpha(10～11.75Hz)、低频beta(13～16.75Hz)、高频beta(18～29.75Hz)、低频gamma(31～39.75Hz)、中频gamma(41～49.75Hz)等波段脑电功率谱。将这些信号传输至微处理器10内进行相应的处理，得到脑电信号，最后通过蓝牙4.0将脑电信号发往移动端，如图4所示。

为了得到与采集到的脑血氧、脑电信息对应的测试者头部的姿态信息，本实施中，特别设置有运动状态及姿态采集端，其包括三轴加速度计51和陀螺仪52，所述三轴加速度计和陀螺仪设置在主电路板上并分别与所述微处理器连接，在主电路板上还设置有分别与所述微处理器连接的三轴加速度计51和陀螺仪52，用于对测试者头部运动状态采集，主电路板跟随测试者头部运动，将3轴加速度计51、陀螺仪52和互补滤波电路54构成的传感器进行高速采样，然后对传感器采集到的数据在微处理器中进行补偿和融合，得到准确的姿势角度信号，如图5所示。

具体的，当传感器沿某方向运动或者受重力作用，引起方向相反的惯性力产生的反向加速度，在三维坐标下，利用第二AD转换电路53将三轴加速度计51输出的模拟信号转换为单位为g的矢量力的分量：

其中AdcRx，AdcRy，AdcRz是第二AD转换电路53的采集值；Vref是第二AD转换电路53的参考电压；VzeroG是加速度计的零加速度电压值；Sensitivity是加速度的灵敏度。

由上面可得到矢量的Rx，Ry，Rz值，通过数学计算可以得到矢量的夹角，从而获得角度信息。如图6所示，图中，Ax，Ay，Az分别是矢量与x轴、y轴和z轴的夹角，其中，Ax=arccos(Rx/R)，Ay=arccos(Ry/R)，Az＝arccos(Rz/R)。

陀螺仪用来测量角速度信号，对其进行积分，便能得到角度值。

具体的，在三维坐标下，将第二AD转换电路53的输出值转化为角度变化率RateAxz和RateAyz：

其中AdcGyroXZ和AdcGyroYZ由第二AD转换电路53采集，分别表示矢量R的投影在XZ和YZ平面内的转角；Vref表示第二AD转换电路53的参考电压；VzeroRate是零变化率电压；Sensitivity是陀螺仪的灵敏度，如图7所示。

融合三轴加速度计和陀螺仪，由于加速度计测量的是惯性力，这个力由重力和运动引起的。因此，即使加速度计处于一个相对平稳的状态，它对一般的震动和机械噪声很敏感，而陀螺仪检测的是旋转，因此对线性机械运动没有那么敏感，但是存在漂移问题(停止时的电压不会回到零速率电压)。因此，通过取加速度计和陀螺仪的融合值会得到更精准的数据。

最后，微处理器得到的脑血氧、脑电信息以及对应的测试者头部的姿态信息通过异步收发传输器(UART)31传输到PC端41中，通过蓝牙(LDE4.0)32传输到移动端42中，实时显示出测试者脑血氧和脑电信号，以及此时对应的测试者头部的运动状态及姿态信息，为后继的数据处理提供了更为精确的数据。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。