微型化低功耗脑电信号采集与无线传输设备的制作方法

本发明涉及脑电信号采集技术，具体涉及一种微型化低功耗脑电信号采集与无线传输设备。

背景技术：

脑电信号EEG(Electroencephalogram)的采集和研究为人类获取脑部信息、治疗脑部疾病、帮助残障人士的日常生活等各个领域的研究提供依据和基础，而且对临床医学、认知神经科学、脑科学和信息学等各类学科也有着深远的意义和影响。采集和研究动物脑电信号是人们进行脑科学研究常用的手段，因此，针对于动物脑电信号采集设备一直以来也是人们研究的热点。脑电信号主要频率在0.5～100Hz，信号幅值范围为5～300μV。由于μV级脑电信号相当微弱，很容易被mV级外界干扰和内部噪声所淹没。因此，微弱脑电信号采集过程中要保证足够高的信号增益前提下有效地抑制外界干扰，而且对脑电采集设备体积、功耗和传输方式等方面也有很高的要求。

随着人类对脑电信号的研究逐步加深，能够记录实验动物脑电信号的仪器仪表也越来越多。Iyad Obeid等人于2004年记录清醒状态下猕猴的单个神经元活动。目前生物脑电有线方式测量精度相对较高，但由于限制了动物的运动范围，测量过程中可能会发生导线缠绕或者被动物撕咬等情况。无线方式可使动物活动范围变大，但采集器受到了测量精度、带宽、体积、重量和电池供电时间等因素的制约。目前，国外脑电信号采集技术已经相当成熟，已生产多套完整的脑电采集系统。例如美国EGI公司、Neuroscan公司、德国Brain Products公司等生产的脑电采集系统精度最高可达到24nV，共模抑制比高达110dB。但是它们的价格非常昂贵，都在30万人民币左右，而且体积和功耗都比较大。为了在保证系统高性能的前提下尽可能地降低功耗和体积，多年来各个研究团队或个人都在进行不懈的努力。例如Hoof团队在2006年设计了信号采集芯片，在单端3V供电时功耗大约为300μW。2011年该团队设计了一款应用在体征信号采集中的低电压、低功耗的连续时间Sigma-Delta ADC，芯片以1.4V供电，功耗仅为13.3μW，但是尚未集成无线传输的功能。

技术实现要素：

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明提供了一种微型化低功耗脑电信号采集与无线传输设备，以至少解决现有的脑电信号采集技术存在的限制受测体活动范围、体积大和功耗大的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种微型化低功耗脑电信号采集与无线传输设备，微型化低功耗脑电信号采集与无线传输设备包括脑电信号采集模块、存储显示模块和无线充电模块，无线充电模块用于对脑电信号采集模块和存储显示模块进行无线充电；脑电信号采集模块包括针状电极单元、信号调理电路单元、第一DA14580蓝牙无线传输单元和第一电源电路单元；存储显示模块包括STM32F103RCT6微处理器单元、第一SD卡单元、第二SD卡单元、第二DA14580蓝牙无线传输单元、LCD显示屏单元和第二电源电路单元；脑电信号采集模块用于通过针状电极单元采集脑电信号，将该脑电信号发送给信号调理电路单元进行放大和滤波处理，并将经过信号调理电路单元处理后的信号通过第一DA14580蓝牙无线传输单元输出至存储显示模块；其中，第一电源电路单元用于对信号调理电路单元和第一DA14580蓝牙无线传输单元供电；存储显示模块用于通过第二DA14580蓝牙无线传输单元接收第一DA14580蓝牙无线传输单元输出的信号，将该信号存储到第一SD卡单元，并通过STM32F103RCT6微处理器单元对该信号进行数字滤波，以将经过数字滤波后的信号存储到第二SD卡单元，通过LCD显示屏单元显示出来，其中，第二电源电路单元用于对STM32F103RCT6微处理器单元、第一SD卡单元、第二SD卡单元、第二DA14580蓝牙无线传输单元和LCD显示屏单元供电。

进一步地，第一DA14580蓝牙无线传输单元和第二DA14580蓝牙无线传输单元的结构相同；其中，第一DA14580蓝牙无线传输单元采用DA14580芯片作为核心处理器件，DA14580芯片集成有ARM M0内核、A/D转换模块和蓝牙无线传输模块，其中，DA14580芯片的22脚接收来至信号调理电路单元处理过脑电信号，经过A/D之后通过自身集成的蓝牙无线传输模块传输至存储显示模块；DA14580芯片的35脚经由第二电感L2连接2.4G蓝牙天线及第一电容的一端，第一电容的另一端接地；DA14580芯片的35脚还与第二电容的一端相连接，第二电容的另一端接地；DA14580芯片的11脚和12脚外接一个32.768KHz的晶振来为DA14580芯片内部的实时时钟提供时钟频率；DA14580芯片的29脚和30脚外接16MHz高速晶振来为DA14580芯片提供时钟；DA14580芯片的17脚是该芯片的复位引脚，且复位引脚连接复位按键，复位按键连接在第六电容的两端，DA14580芯片的14脚连接第六电容的一端，第六电容的另一端连接第六电阻后接地；DA14580芯片的14脚还连接第七电阻的一端和第八电阻的一端，第七电阻的另一端连接DA14580芯片的27脚，而第八电阻的另一端连接DA14580芯片的28脚；第一电感和第七电容串联后连接于DA14580芯片的21脚与地之间；DA14580芯片的3脚连接USB_8P芯片的7脚，DA14580芯片的26脚连接USB_8P芯片的6脚，DA14580芯片的6脚连接USB_8P芯片的5脚，DA14580芯片的25脚连接USB_8P芯片的4脚，DA14580芯片的14脚连接USB_8P芯片的2脚，DA14580芯片的14脚和15脚连接第八电容的一端和第九电容的一端，第八电容的另一端和第九电容的另一端连接DA14580芯片的16脚并且接地。

进一步地，信号调理电路单元包括电极状态检测电路、无源滤波电路、一级放大电路、二级放大电路、低通滤波电路、驱动电路、抑制工频干扰电路和电平抬升电路；电极状态检测电路用于对针状电极单元的连接状态的检测，电极状态检测电路包括有源低通滤波器，用于滤除针状电极单元采集到的脑电信号中的高频分量；无源滤波电路、一级放大电路、二级放大电路、低通滤波电路分别用于对脑电信号进行无源滤波、一级放大、二级放大以及低通滤波处理；驱动电路和抑制工频干扰电路用于对该脑电信号进行工频干扰抑制和去噪；电平抬升电路用于对发送给第一DA14580蓝牙无线传输单元的信号进行电平抬升，为使有效的信号能够全部进入到DA14580芯片(U1)内部的模数转换器。

进一步地，一级放大电路采用INA102芯片实现1000倍的的放大倍率，其共模抑制比大于或等于90dB，输入阻抗达10¹⁰Ω；其中，INA102芯片的4脚连接7脚，5脚连接6脚；INA102芯片的14脚和15脚作为输入端，接收经过无源滤波电路处理过后的脑电信号；INA102芯片的12脚接+15V直流电压，9脚接-15V直流电压，10脚接地；INA102芯片的11脚连接第三电容的一端；第三电容的另一端作为输出端，输出至二级放大电路，并连接第一电阻的一端和第四电容的一端；第一电阻的另一端和第四电容的另一端接地；第十电容的一端和第十一电容的一端连接后接地，第十电容的另一端连接正电源电压，而第十一电容的另一端连接负电源电压。

进一步地，二级放大电路采用OPA369芯片实现3倍放大倍率；其中，OPA369芯片的1脚连接第二电阻后作为输入端，接收一级放大电路处理过的信号；OPA369芯片的2脚连接-VCC，5脚连接+VCC；OPA369芯片的3脚连接第三电阻后接地，4脚连接第四电阻后作为输出端，输出至低通滤波电路进行后续的处理；第五电容和第五电阻并联于OPA369芯片的3脚与4脚之间；第十二电容的一端和第十三电容的一端连接后接地，第十二电容的另一端连接正电源电压，而第十三电容的另一端连接负电源电压。

进一步地，针状电极单元包括基座、牙托水泥和电极，电极设于基座中，基座嵌入式设置于牙托水泥内，牙托水泥具有测量接触表面，测量接触表面用于与受测对象的头部接触。

进一步地，无线充电模块采用磁共振式无线充电方式对脑电信号采集模块和存储显示模块进行供电，采用以BQ25570芯片为核心的电源管理模块作为接收端。

进一步地，无线充电模块包括磁共振发射电路和发射线圈；无线充电模块外接供电电源，通过磁共振发射电路向发射线圈输出高频交流电，以在发射线圈和述第一电源电路单元中的接收线圈之间、以及在发射线圈和第二电源电路单元中的接收线圈之间形成磁场，来对第一电源电路单元中的以BQ25570芯片为核心电源管理模块以及第二电源电路单元中的以BQ25570芯片为核心电源管理模块进行充电。

进一步地，存储显示模块还包括数字信号处理单元，数字信号处理单元通过快速中值滤波法对基线漂移进行滤除、FastICA快速独立成分分析对眼电伪迹进行去除。

与现有的脑电信号采集设备相比，本发明具有以下几个方面的特点。(1)在整个脑电采集系统中，脑电采集模块最终产品的大小约为25mm×25mm，重量为10g左右。微型化的脑电采集模块能大大减轻对被试动物头部的压迫，使对被试动物的脑电采集更加准确。存储显示模块以及无线充电模块也都采用小体积的器件进行设计，整体的体积也都比较小，具有良好的便携性。从而整个系统能够实现小体积便携式。(2)脑电采集模块中选用了DA14580、INA102、OPA369等超低功耗的器件，降低了脑电采集模块的整体功耗，延长了脑电采集模块的工作时间，脑电信号采集模块一次充电可工作时长达15天左右，有助于对被试动物进行长时间的脑电采集。存储显示模块采用了超低功耗器件DA14580作为蓝牙模块、miniSTM32F103作为处理器一定程度降低了存储显示模块的功耗。整个脑电采集设备具有低功耗的特点。(3)脑电信号采集模块与存储显示模块之间通过DA14580芯片进行无线蓝牙通信，DA14580具有体积小、集成度高、功耗小的特点，通过对DA14580的应用不仅能够使脑电信号采集模块和存储显示模块的体积降低，而且脑电信号采集模块与存储显示模块之间能够在10m左右的距离进行信息的传输。(4)无线充电模块同时给脑电信号采集模块和存储显示模块通过无线充电方式进行供电，大大减少了系统的工频噪声的干扰并且能够对被试动物进行远距离长时间的脑电信号采集。

本发明的微型化低功耗脑电信号采集与无线传输设备，能够提高脑电信号采集系统的精度和抗干扰能力，采用高信噪比的器件，并且采用无线传输的方式来减少工频噪声的引入。在脑电采集设备的体积和功耗方面，选用超低功耗、超小封装的高精密器件。本发明的上述设备能够降低系统的体积和功耗，保证系统可靠运行，选用DA14580作为核心处理器件。DA14580具有体积小、集成度高、功耗低等优点，使整个系统更加小型化、低功耗化。而且DA14580集成了ARM M0内核、A/D转换模块、蓝牙无线传输模块等，能够大大简化了系统的复杂度。

本发明的微型化低功耗脑电信号采集与无线传输设备具有小型化、低功耗化、无线化等特点。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1A是本发明的微型化低功耗脑电信号采集与无线传输设备的一个示例的系统整体结构框图；

图1B是本发明的DA14580电路原理图；

图2A是信号调理电路单元的一种可能结构的示意图；

图2B是一级放大电路的结构示意图；

图2C是二级放大电路的结构示意图；

图3是针状电极单元的一种可能结构的示意图；

图4是无线充电模块结构示意图；

图5是ICA独立分量分析的原理图。

本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明提供了一种微型化低功耗脑电信号采集与无线传输设备，微型化低功耗脑电信号采集与无线传输设备包括脑电信号采集模块、存储显示模块和无线充电模块，无线充电模块用于对脑电信号采集模块和存储显示模块进行无线充电；脑电信号采集模块包括针状电极单元、信号调理电路单元、第一DA14580蓝牙无线传输单元和第一电源电路单元；存储显示模块包括STM32F103RCT6微处理器单元、第一SD卡单元、第二SD卡单元、第二DA14580蓝牙无线传输单元、LCD显示屏单元和第二电源电路单元；脑电信号采集模块用于通过针状电极单元采集脑电信号，将该脑电信号发送给信号调理电路单元进行放大和滤波处理，并将经过信号调理电路单元处理后的信号通过第一DA14580蓝牙无线传输单元输出至存储显示模块；其中，第一电源电路单元用于对信号调理电路单元和第一DA14580蓝牙无线传输单元供电；存储显示模块用于通过第二DA14580蓝牙无线传输单元接收第一DA14580蓝牙无线传输单元输出的信号，将该信号存储到第一SD卡单元，并通过STM32F103RCT6微处理器单元对该信号进行数字滤波，以将经过数字滤波后的信号存储到第二SD卡单元，通过LCD显示屏单元显示出来，其中，第二电源电路单元用于对STM32F103RCT6微处理器单元、第一SD卡单元、第二SD卡单元、第二DA14580蓝牙无线传输单元和LCD显示屏单元供电。

下面结合图1A来描述本发明的微型化低功耗脑电信号采集与无线传输设备的一种示例结构。

如图1A所示，微型化低功耗脑电信号采集与无线传输设备包括脑电信号采集模块1、存储显示模块2和无线充电模块3，无线充电模块3用于对脑电信号采集模块1和存储显示模块2进行无线充电。

脑电信号采集模块1包括针状电极单元11、信号调理电路单元12、第一DA14580蓝牙无线传输单元13和第一电源电路单元14。第一电源电路单元14用于给信号调理电路单元12、第一DA14580蓝牙无线传输单元13供电。

存储显示模块2包括STM32F103RCT6微处理器单元21、第一SD卡单元22、第二SD卡单元23、第二DA14580蓝牙无线传输单元24、LCD显示屏单元25和第二电源电路单元26。

脑电信号采集模块1用于通过针状电极单元11采集脑电信号，将该脑电信号发送给信号调理电路单元12进行放大和滤波处理，并将经过信号调理电路单元12处理后的信号通过第一DA14580蓝牙无线传输单元13输出至存储显示模块2。

存储显示模块2用于通过第二DA14580蓝牙无线传输单元24接收第一DA14580蓝牙无线传输单元13输出的信号，将该信号存储到第一SD卡单元22，并通过STM32F103RCT6微处理器单元21对该信号进行数字滤波，以将经过数字滤波后的信号存储到第二SD卡23、通过LCD显示屏单元25显示出来，其中，第二电源电路单元26用于对STM32F103RCT6微处理器单元21、第一SD卡单元22、第二SD卡23、第二DA14580蓝牙无线传输单元24和LCD显示屏单元25供电。

根据一种实现方式，存储显示模块2还包括数字信号处理单元，数字信号处理单元通过快速中值滤波法对基线漂移进行滤除、FastICA快速独立成分分析对眼电伪迹进行去除。其中，数字信号处理单元所执行的上述“通过快速中值滤波法对基线漂移进行滤除、FastICA快速独立成分分析对眼电伪迹进行去除”的处理例如可以参考下文中在优选实施例的“2.1数字信号处理部分”中所描述的内容。

根据一种实现方式，如图1B所示，第一DA14580蓝牙无线传输单元13和第二DA14580蓝牙无线传输单元24的结构相同；其中，第一DA14580蓝牙无线传输单元13采用DA14580芯片U1作为核心处理器件，DA14580芯片U1集成有ARM Cortex M0内核、A/D转换模块和蓝牙无线传输模块，其中，DA14580芯片U1的22脚接收来至信号调理电路单元处理过脑电信号，经过A/D之后通过自身集成的蓝牙无线传输模块传输至存储显示模块；DA14580芯片U1的35脚经由第二电感L2(例如为2.2μH)连接2.4G蓝牙天线A1及第一电容C83的一端，第一电容C83(例如为10pF)的另一端接地；DA14580芯片U1的35脚还与第二电容C89(例如为10pF)的一端相连接，第二电容C89的另一端接地；DA14580芯片U1的11脚和12脚外接一个32.768KHz的晶振CRY2来为DA14580芯片U1内部的实时时钟提供时钟频率；DA14580芯片U1的29脚和30脚外接16MHz高速晶振CRY1来为DA14580芯片U1提供时钟；DA14580芯片U1的17脚是该芯片的复位引脚，且复位引脚连接复位按键，复位按键连接在第六电容C4(例如为10μF)的两端，DA14580芯片U1的14脚连接第六电容C4的一端，第六电容C4的另一端连接第六电阻R14(例如为4.7kΩ)后接地；DA14580芯片U1的14脚还连接第七电阻R15(例如为10kΩ)的一端和第八电阻R16(例如为10kΩ)的一端，第七电阻R15的另一端连接DA14580芯片U1的27脚，而第八电阻R16的另一端连接DA14580芯片U1的28脚；第一电感L1(例如为2.2μH)和第七电容C14串联后连接于DA14580芯片U1的21脚与地之间。此外，DA14580芯片U1的3脚连接USB_8P芯片U5的7脚，DA14580芯片U1的26脚连接USB_8P芯片U5的6脚，DA14580芯片U1的6脚连接USB_8P芯片U5的5脚，DA14580芯片U1的25脚连接USB_8P芯片U5的4脚，DA14580芯片U1的14脚连接USB_8P芯片U5的2脚。此外，DA14580芯片U1的14脚和15脚连接第八电容C16的一端和第九电容C17的一端，第八电容C16的另一端和第九电容C17的另一端连接DA14580芯片U1的16脚并且接地。

在图1B中，P00端、P01端、P02端、P03端、P04端、P05端、P21端、P06端和P07端分别连接DA14580芯片U1的1脚、2脚、3脚、4脚、6脚、7脚、8脚、9脚和10脚；P22端、V_BLE端、RST端、P23端和P24端分别连接DA14580芯片U1的13脚、14脚、17脚、18脚和20脚；P10端、P11端、SWDIO_B端、SWDLK_B端、P12端和P13端分别连接DA14580芯片U1的22脚、24脚、25脚、26脚、27脚和28脚；P20端、P29端、VPP端、P28端、P27端、P26端和P25端分别连接DA14580芯片U1的40脚、39脚、38脚、37脚、36脚、33脚和32脚。

其中，V_BLE表示电源，U5为SWD在线调试方式，还用于程序下载。图中多处电容旁的标记“105”是表示该电容值例如为10×10⁵pF。需要说明的是，以上举例的各个参数仅用于示例，而不局限于所举具体数值，也可以是其他合理数值。

根据一种实现方式，如图2A所示，信号调理电路单元12例如包括电极状态检测电路12-1、无源滤波电路12-2、一级放大电路12-3、二级放大电路12-4、低通滤波电路12-5、驱动电路12-6、抑制工频干扰电路12-7和电平抬升电路12-8。

电极状态检测电路12-1用于对针状电极单元11的连接状态进行检测，如果电极接触良好，采集到有效信号，输入会小于设定的阈值，认为电极连接状态正常，可以直接进行数据采集。当输入的幅度大于设定的阈值，会判定为电极脱落，要重新采集，而且能够滤除针状电极单元11采集到的脑电信号中的高频分量(如通过电极状态检测电路中包括的有源低通滤波器)。无源滤波电路12-2、一级放大电路12-3、二级放大电路12-4、低通滤波电路12-5分别用于对脑电信号进行无源滤波、一级放大、二级放大以及低通滤波处理。驱动电路12-6和抑制工频干扰电路12-7用于对该脑电信号进行工频干扰抑制和去噪。电平抬升电路12-8用于对采集处理过后的脑电信号进行电平抬升，为使有效的信号能够全部进入第一DA14580蓝牙无线传输单元13。而且为了防止后级电路驱动能力不足，脑电信号在电平抬升后，加上了电压跟随器，来提高后级电路的带负载能力。

根据一种实现方式，如图2B所示，一级放大电路12-3采用INA102芯片G1实现1000倍的的放大倍率，其共模抑制比大于或等于90dB，输入阻抗达10¹⁰Ω；其中，INA102芯片G1的4脚连接7脚，5脚连接6脚；INA102芯片G1的14脚和15脚作为输入端，接收经过无源滤波电路处理过后的脑电信号；INA102芯片G1的12脚接+15V直流电压，9脚接-15V直流电压，10脚接地；INA102芯片G1的11脚连接第三电容C6(例如为1.2uF)的一端；第三电容C6的另一端作为输出端(图中output端)，输出至二级放大电路，并连接第一电阻R9(例如为1MΩ)的一端和第四电容C7(例如为220pF)的一端；第一电阻R9的另一端和第四电容C7的另一端接地；第十电容C8的一端和第十一电容C9的一端连接后接地，第十电容C8的另一端连接正电源电压VCC，而第十一电容C9的另一端连接负电源电压-VCC。其中，第十电容C8和第十一电容C9的作用为吸收高频噪声，以减少噪声干扰。图中C8和C9旁边的标记“104”是表示其电容值例如为10×10⁴pF。此外，图中inputR端连接INA102芯片G1的15脚，inputG端连接INA102芯片G1的14脚。

根据一种实现方式，如图2C所示，二级放大电路12-4采用OPA369芯片G2实现3倍放大倍率；其中，OPA369芯片G2的1脚连接第二电阻R10(例如为0欧电阻)后作为输入端，接收一级放大电路处理过的信号；OPA369芯片G2的2脚连接-VCC，5脚连接+VCC；OPA369芯片G2的3脚连接第三电阻R13(例如为25kΩ)后接地，4脚连接第四电阻R11(例如为0欧电阻)后作为输出端，输出至低通滤波电路进行后续的处理；第五电容C10和第五电阻R12(例如为59kΩ)并联于OPA369芯片G2的3脚与4脚之间；第十二电容C11的一端和第十三电容C12的一端连接后接地，第十二电容C11的另一端连接正电源电压VCC，而第十三电容C12的另一端连接负电源电压-VCC。其中，第十二电容C11和第十三电容C12的作用为吸收高频噪声，以减少噪声干扰。图中C11和C12旁的“104”表示其电容值例如为10×10⁴pF。

根据一种实现方式，低通滤波电路12-5采用四阶低通滤波器，该四阶低通滤波器通过两个二阶低通滤波器级联实现；其中，两个二阶低通滤波器的参数不同。

此外，根据一种实现方式，电平抬升电路12-8可利用+5V直流电压、通过电阻分压方式获得+0.6V的直流电压，以将经过滤波、放大后的脑电信号经过加法器与+0.6V的直流电压叠加；电平抬升电路12-8还包括电压跟随器。

如图3所示，针状电极单元11例如包括基座11-1、牙托水泥11-2和电极11-3，电极11-3设于基座11-1中，基座11-1嵌入式设置于牙托水泥11-2内，牙托水泥11-2具有测量接触表面，测量接触表面用于与受测对象的头部接触。在实际应用中，针状电极单元例如还可以包括诸如注射针筒的结构，如可以将基座与注射针筒相连接，电极贯穿基座并置于注射针筒内，与注射针筒内的推杆连接，进而可以通过手动操作推杆来控制电极的推进与拔出。针状电极单元例如采用双极导联的方式采集脑电信号，以红绿电极构成测量回路。

根据一种实现方式，无线充电模块3可以采用磁共振式无线充电方式对脑电信号采集模块1和存储显示模块2进行供电，采用以BQ25570芯片为核心的电源管理模块作为接收端。图4示意性地示出了无线充电模块的充电原理。其中，无线充电模块3包括图4所示的磁共振发射电路和发射线圈，而第一电源电路单元14和第二电源电路单元26中的每一个均包括图4所示的接收线圈和以BQ25570芯片为核心电源管理模块。如图4所示，无线充电模块3连接供电电源，这样，磁共振发射电路向发射线圈输出高频交流电，在发射线圈和接收线圈之间形成磁场(也即，在发射线圈和第一电源电路单元14中的接收线圈之间、以及在发射线圈和第二电源电路单元26中的接收线圈之间分别形成磁场)，进而通过接收线圈对第一电源电路单元14和第二电源电路单元26中的以BQ25570芯片为核心电源管理模块进行充电。

本发明的微型化低功耗脑电信号采集与无线传输设备安置在被测对象的头部，采集者可以在适当距离接收采集到的脑电信号。

优选实施例

1.制作脑电信号采集模块

信号调理单元(即上文所述的信号调理电路单元12)包括多级滤波电路、多级放大电路、驱动电路、抑制工频干扰电路等。信号调理单元对脑电信号的采集、放大、滤波起到非常重要的作用。脑电信号采集模块中，首先通过电极采集到脑电信号，然后经过信号调理电路，获得比较纯净的脑电信号。通过对比放大电路、滤波电路的功能和特性，选择具有较高共模抑制比、抗干扰能力强、低功耗、小封装形式的器件组成的信号调理电路对脑电信号进行初步的处理工作。获得相对纯净的脑电信号，并且使信号放大到一定的程度方便后续的A/D转换、无线传输等工作的进行。DA14580的主要功能包括：对采集到脑电信号进行A/D转换、控制蓝牙模块将处理后的脑电信号通过DA14580自身集成的蓝牙模块无线传输到存储显示模块进行存储和显示。

(1)针状电极：本实施例选用一种推入式针状电极，包括基座、牙托水泥、电极等，电极插入到需要采集的脑部特定位置。针状电极虽然在一定程度上会对被试动物脑组织造成损伤，但针状电极有捕获信号分辨率高、采集到的信号具有较高的信噪比等优点。采用双极导联的方式采集脑电信号，红绿电极构成测量回路，分别为R-L、G-L。

(2)电极状态检测电路：电极状态检测电路加入了具有放大功能的有源低通滤波器，其目的在于滤除信号中的高频分量，防止比较器误输出，造成系统误判现象。如果电极接触良好，采集到有效信号，输入会小于设定的阈值，认为电极连接状态正常，可以直接进行数据采集。当输入的幅度大于设定的阈值，会判定为电极脱落，要重新采集。

(3)无源滤波电路：无源滤波电路由缓存滤波电路和无源高通滤波电路组成。采集的脑电信号首先要经过缓冲滤波电路，缓冲滤波电路是通过抑制过冲电流和过冲电压起到保护电路的作用。采用无源高通滤波电路消除来自电极的mV级极化电压的干扰，以提高整个电路的共模抑制比。无源高通滤波电路由阻容耦合电路组成。其中包括磁珠，它有吸收静电脉冲的功能，并且可以起到减少信号线上尖峰噪声和高频干扰的功效。

(4)一级放大电路：采集的信号经过滤波后，由于脑电信号十分微弱，其幅度范围在20μV～200μV之间，所以至少要将信号放大上千倍才能采集到脑电信号。本系统中采用分级放大方式，如果只一级放大很容易使前置放大器饱和。一级放大为1000倍，选用INA102，它的共模抑制比为90dB以上，输入阻抗高达10¹⁰Ω。INA102具有低功耗小体积的特性，静态电流小于等于750μA，最小外型为3.61x 2.64mm。

(5)二级放大电路：二级放大电路选用的是OPA369，放大倍数3。

放大倍数计算公式为：OPA369为超低功耗、超小体积运算放大器，静态电流小于等于250μA，最小外形1.8×1.85mm。

(6)低通滤波电路：由于无源滤波后的信号仍然存在高频噪声，而且脑电信号频率范围集中在低频段，所以需要设计低通滤波器将高频噪声滤除。考虑到滤波器均存在过渡带宽，为使滤波效果更为理想，通过级联多个滤波器来提高滤波器的阶数，从而使过渡带宽变窄。本系统采用四阶的低通滤波器，该滤波器是通过两个二阶低通滤波器级联得到。这两个二阶低通滤波器没有采用相同的参数以获得较好的衰减特性。由于本系统已有放大电路，所以在本电路中将放大倍数设置为1。

(7)电平抬升电路：放大后的脑电信号为双极性，幅值在-0.6V～0.6V之间，而本系统采用的DA14580所集成的模数转换器的电压输入范围在0～1.2V之间，且输入为单极性，所以为满足模数转换器的需求，需要将信号进行抬升。为使有效的信号能够全部进入模数转换器，本系统将+5V电压经过电阻分压得到约+0.6V的电压。滤波、放大后的脑电信号经过加法器与+0.6V直流电压叠加。为了防止后级电路驱动能力不足，脑电信号在电平抬升后，加上了电压跟随器，来提高后级电路的带负载能力。

(8)DA14580：为了降低系统的体积和功耗，保证系统可靠运行，采用DA14580作为核心处理器件。DA14580具有体积小、集成度高、功耗小等优点，使整个系统更加小型化、低功耗。而且DA14580集成了ARM处理芯片、A/D转换模块、蓝牙无线传输模块等，大大简化了系统的复杂度。DA14580的主要功能包括：对采集到脑电信号进行A/D转换、控制蓝牙模块将处理后的脑电信号无线传输到存储显示模块进行显示。A1为2.4G蓝牙天线，与芯片的35脚连接，其中第二电感L2和电容C83、C89起到匹配阻抗的作用，以获得最大的无线传输功率，11和12脚外接一个32.768KHz的晶振为芯片内部的实时时钟提供时钟频率，29和30脚外接16MHz高速晶振为芯片提供时钟，17脚是芯片的复位引脚。

2.存储显示模块

存储显示模块包括STM32F103RCT6微处理器单元(单片机)21、第一SD卡单元22、第二SD卡单元23、第二DA14580蓝牙无线传输单元24、LCD显示屏单元25和第二电源电路单元26。

脑电信号的频段主要集中在低频段，与许多生理信号和非生理信号的频段相重合，极易受到脉冲、工频和其他白噪声的影响。只用模拟滤波器很难达到理想的滤波效果。因此，采用存储显示模块的STM32F103RCT6微处理器对接收到的脑电信号进行数字滤波技术处理。主要滤除基线漂移、50Hz工频和眼电伪迹等噪声。脑电信号采集模块对脑电信号进行采集、放大、去噪等，然后以数组的形式将数据通过蓝牙同步到存储显示模块，存储显示模块将数据存储到第一SD卡单元，然后通过STM32F103RCT6微处理器对接收到的脑电信号进行数字滤波处理，经过数字滤波后的信号存储到第二SD卡单元，最后通过液晶显示屏进行脑电波的显示。

(1)STM32F103RCT6微处理器是存储显示模块的核心部分，所有的运算和控制功能都由STM32微处理器来完成，本发明使用的微处理器为STM32F103RCT6属于大容量的单片机，总共有51个GPIO，为了方便和其它传感器模块连接将所有GPIO全部通过排针引出。单片机系统设计包括复位电路，时钟电路以及供电电路等。通过STM32微处理器的3、4脚和5、6脚分别外接32.768KHz和8MHz的晶振为单片机的内部RTC和STM32微处理器提供时钟源。

(2)SD卡主要用于存储脑电信号。存储显示模块除了需要完成对脑电信号的接收和显示之外还需要对数据长期存储，因此存储电路设计也是存储显示模块的一个重要组成部分，整个SD卡电路分别有4GB的高速SDHC卡和8MB的FLASH存储芯片组成，SD卡主要用于对采集的数据进行存储，FLASH存储器主要用于存储单片机系统所需的一些中文字库等。

(3)为了更好的实现人机交互功能，显示电路和按键指示灯电路也是存储显示模块的硬件设计的重要组成部分。

下面，从两方面来详细描述存储显示模块。

2.1数字信号处理部分

脑电信号的幅值十分微弱，只用模拟滤波器很难达到理想的滤波效果。随着计算机技术和IC产业的快速发展，数字滤波既可以用软件实现，也可以用数字硬件实现。数字滤波技术便于集成，复用性强，精度高，可靠性高且有可程控改变特性。针对本发明整体的特点以及信号调理单元的处理，传输到存储显示模块的脑电信号主要含有(生理伪迹)眼电伪迹和(非生理伪迹)基线漂移等噪声。数字信号处理部分主要通过STM32F103RCT6微处理器对脑电信号中夹杂的眼电伪迹和基线漂移进行滤除。

(1)去除眼电伪迹

对于时变敏感性很强的脑电信号，在采集时很容易受到被试动物眼部运动、肌肉和心脏噪音等生理伪迹的影响。其中，眼电伪迹是主要的干扰信号，并且在实验时，要求被试动物一直保持静止或避免眨眼是不可能的，因此，眼电伪迹会随机地出现在脑电信号中。由于眼电信号的频率较低，和脑电信号频谱相重合，所以利用传统的滤波算法无法去除眼电伪迹。ICA独立分量分析方法能够有效的从混合信号中提取具有统计独立性的成分。而眼电信号和脑电信号可以被认为是不同的信号源产生的信号，即它们是相互独立的。因此本发明采用ICA方法滤除采集到的脑电信号中的眼电伪迹。考虑到算法的计算效率，采用计算效率较高的基于负熵的快速独立分量分析算法(FastICA)对采集到的脑电信号进行分解。

ICA独立分量分析是一种盲源分离的处理方法，其原理如图5所示。观测信号X是多个信源S经混合矩阵A组合而成，即X＝AS。在S和A都不知道的前提下，通过对混合信号X分离得出目标信号Y。图5中W是解混矩阵，并且Y＝WX。独立成分分析的关键是要得到W矩阵，使目标信号Y尽可能的逼近观测信号X。所以，需选取适当的F(W)作为目标函数，然后求得W使函数达到极值点。

为降低计算的复杂度，先要对含眼电伪迹的脑电信号X(t)进行球化处理，球化算法如下：通过R_X＝E[XX^T]，即X的协方差矩阵对角化可以求得球化矩阵C。由于R_X为实对称矩阵，一定有正交阵V，让VR_XV^T＝D，V的行向量是R_x的特征矩阵，R_x的特征值λ_i组成的对角阵是D，所以球化阵C＝D^1/2V。球化处理可以使各分量间更为独立，这样可以使独立成分分析算法对信号分离得到更为理想的效果。

ICA独立分量分析算法的核心就是要求得分离矩阵W，从而将观测信号分离为多个独立分量。因此，要求得分离矩阵W就要建立合适的目标函数，目标函数的构建和W矩阵的求解过程如下：首先，要将观测信号分离为独立分量。STM32F103RCT6微处理器判断分离成分间独立性是用非高斯性度量法来实现的。FastICA通常采用负熵来度量非高斯性，其熵H定义：

H(y)＝-∫p_y(η)log p_y(η)dη (1)

并且，在具有相同方差的所有随机变量中，高斯变量具有最大的熵。为了导出合理的非高斯性度量，使其为非负的量值，采用负熵的量来度量非高斯性。负熵的量为：

J(y)＝H(y_gauss)-H(y) (2)

在式(2)中，y_gauss和y存在同样的相关矩阵的高斯随机向量，即J(y)一直为非负值。只有y是高斯分布的时候值才是0。本发明可采用最大熵原理的负熵近似形式：

J(y)＝[E{G(y)}-E{G(v)}]² (3)

在(3)式中G为任意的非二次函数，v是具有零均值和单位方差的高斯变量。

为了得到更为理想的负熵近似需要选择合适的G，通过选取适当的G可以得到较好的，并且选择随自变量增长不是太快的函数G，可以得到更为鲁棒的估计。因此选取函数G(y)＝-exp(-y²/2)。

基于负熵的快速独立成分分析算法即是寻找非高斯性最大值的不动点迭代方法。进行算法迭代时首先选择一个非线性函数g，即式中G的导数，x经过球化处理，w为输入向量的权矢量，则y＝w^Tx。J(y)的最大值在E{G(w^Tx)}的某个最优解处得到。根据KμHn-Tucker条件E{(w^Tx)²}＝||w||²＝1，E{G(w^Tx)}最优解满足

E{xg(w^Tx)}-βw＝0 (4)

其中，β为常数，_g是G的导数。设w₀为w的初始值，用牛顿迭代法求解该方程。建立的目标函数：

F(w)＝E{xg(w^Tx)}-βw (5)

其梯度为

由于数据已经过球化处理，为简化矩阵求逆，所以

此刻梯度被化简为对角阵，求其逆矩阵就更为容易，因此，得近似的牛顿迭代算法：

两边同时乘以得到FastICA算法迭代公式为：

多次迭代得到分离矩阵W，由式

Y(t)＝WX(t)＝[y₁(t),y₂(t),...y_n(t)]^T (9)

将观测信号X(t)分离成多个独立成分y_i(t)，它们的集合记为Y(t)。通过另加一个导联眼动信号(Electro-Oculogram，EOG)作为眼电参考信号，并与每个独立成分y_i(t)进行相关性分析，相关性大的认为是眼电伪迹对应的独立成分并将此成分置0，其余独立成分不变，得到新的独立成分Y(t)为：

Y'(t)＝[y₁'(t),y'₂(t),...y'_n(t)]^T (10)

再由W的逆矩阵W^-1重构滤除EOG信号后的脑电信号

X'＝W^-1[y₁'(t),y'₂(t),...y'_n(t)]^T (11)

对上述FastICA算法将在STM32F103RCT6微处理器中实现，从而滤除对脑电信号影响严重的生理伪迹。经过眼电伪迹的去除，所得到的脑电信号中将主要含有非生理伪迹-基线漂移。

(2)基线漂移滤除

基线漂移是指基线随时间定向缓慢变化。基线漂移通常表现为一种低频信号，频率在0～0.7Hz之间，而这个频段正是脑电信号的σ波的频率范围，二者存在频率重叠，所以为进一步获取纯净的脑电信号，必须要滤除基线漂移。

基线漂移产生的主要原因是电极移动或极化电压。由于电极移动和极化电压主要表现为脉冲噪声，因此，采用了基于排序统计理论的中值滤波法，这种方法广泛用于去除脉冲噪声。由于比较次数决定了排序的速度，如果处理的数据十分庞大时，采用传统的中值滤波法将相当耗时。STM32F103RCT6微处理器要对数据进行实时处理，必然要提高处理速度，因此本发明采用了快速中值滤波方法。

快速中值滤波法：在传统的中值滤波法中，对窗口内的所有采样点进行排序取其中值，随窗口长度增大，计算量会按4次方增长，处理速度会大幅度下降，只适用于实时性要求不高或小窗口的场合。与传统中值滤波法相比，快速中值滤波算法的运算速度有极大提高，具体步骤如下：

1)对窗口内的数据x(j),x(j+1),…x(j+L)由小到大排序，得到有序序列w(j),w(j+1),…w(j+L)并输出中值为w(i+M)；

2)用二分查找法，按如下约束条件

w(j)≤x(j+L+1)≤w(j+1) (12)

将新数据x(j+L+1)插入到w(j),w(j+1),…w(j+L)中，使得L+1个数据仍然由小到大排列。

3)从有序序列w(j),…,x(j+L+1),...w(j+L)中去除x(j)，构成新序列，并输出其中值，返回2)循环。

窗口长度L的选取对快速中值滤波法的整体效果有很大的影响。经过多次实验发现，如果窗口的长度选择的过窄，会导致基线漂移中存在过多的高频成分，使得脑电信号失真。如果选择的窗口长度过宽，滤波算法的计算速度就会变慢，系统的实时性将得不到保障。所以，经过多次实验，选取采样率的30％左右作为窗口长度，会得到较好的效果。与运算速度慢的传统中值滤波算法相比，快速中值滤波算法的运算速度有了显著提升，适用于STM32单片机、DSP和FPGA等实时处理器。

对上述快速中值滤波算法也将在STM32F103RCT6微处理器中实现，从而滤除对脑电信号影响严重的非生理伪迹-基线漂移。

通过STM32F103RCT6微处理器的数字信号处理，将得到的非常纯净的脑电信号存储到第二SD卡单元并在LCD显示屏上进行显示。纯净的脑电信号是我们进行脑科学研究的前提和保证，依据所得到的脑电信号我们可以进行病理、生理以及心理信息等方面的分析和研究工作。

2.2硬件部分

在硬件上，存储显示模块包括STM32F103RCT6微处理器单元(单片机)21、第一SD卡单元22、第二SD卡单元23、第二DA14580蓝牙无线传输单元24、LCD显示屏单元25和第二电源电路单元26。

脑电信号的频段主要集中在低频段，与许多生理信号和非生理信号的频段相重合，极易受到脉冲、工频和其他白噪声的影响。只用模拟滤波器很难达到理想的滤波效果。因此，采用存储显示模块的STM32F103RCT6微处理器对接收到的脑电信号进行数字滤波技术处理。主要滤除基线漂移、50Hz工频和眼电伪迹等噪声。脑电采集及处理模块对脑电信号进行采集、放大、去噪等，然后以数组的形式将数据通过蓝牙同步到存储显示模块，存储显示模块将数据存储到第一SD卡单元，然后通过STM32F103RCT6微处理器对接收到的脑电信号进行数字滤波处理，经过数字滤波后的信号存储到第二SD卡单元，最后通过液晶显示屏进行脑电波的显示。

(1)STM32F103RCT6微处理器是存储显示模块的核心部分，所有的运算和控制功能都由STM32微处理器来完成，本发明使用的微处理器为STM32F103RCT6属于大容量的单片机，总共有51个GPIO，为了方便和其它传感器模块连接将所有GPIO全部通过排针引出。单片机系统设计包括复位电路，时钟电路以及供电电路等。通过STM32微处理器的3、4脚和5、6脚分别外接32.768KHz和8MHz的晶振为单片机的内部RTC和STM32微处理器提供时钟源。

(2)SD卡主要用于存储脑电信号。存储显示模块除了需要完成对脑电信号的接收和显示之外还需要对数长期存储，因此存储电路设计也是存储显示模块的一个重要组成部分，整个SD卡电路分别有4GB的高速SDHC卡和8MB的FLASH存储芯片组成，SD卡主要用于对采集的数据进行存储，FLASH存储器主要用于存储单片机系统所需的一些中文字库等。

(3)为了更好的实现人机交互功能，显示电路和按键指示灯电路也是存储显示模块的硬件设计的重要组成部分。

3.无线充电模块

无线充电模块可采用磁共振式无线充电技术，对采集模块和存储显示模块进行较远距离的供电，提高系统的抗干扰能力、延长系统的采集时间。采用以BQ25570芯片为核心的电源管理模块作为接收端，BQ25570具有升压充电器的超低功耗收集电源管理IC以及毫微功率降压转换器。升压充电器能够在VIN低至330mV时启动，并且一旦启动，能够在VIN低至100mV时持续采集能量。而且BQ25570的全部功能被封装在一个小尺寸20引线3.5mm×3.5mm四方扁平无引线(QFN)封装(RGR)内，具有小体积的优点。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。