一种应用于脑机接口的同步采集与传输的方法及系统与流程

1.本发明涉及一种集成电路设计技术领域，尤其涉及一种应用于脑机接口的同步采集与传输的方法及系统。


背景技术：

2.长期以来，脑科学研究一直是生物科学的重点研究领域。近年来，许多研究开始集中在脑电信号分析方法上，以了解大脑活动、恢复大脑的工作机制。随着神经科学、生物材料、传感器、大数据、人工智能等多学科多领域的繁荣发展，脑机接口技术进入了一个高速发展时代。脑机接口技术为大脑和外部的交流、信息传递和控制建立了一种新型途径。脑机接口技术将大脑和外部设备直接连接，不依赖于肌肉或者其他传输神经，建立了神经组织和实体设备之间的交互桥梁，从而实现脑电信号的控制、监测、编辑、修改等作用。
3.脑机接口技术通过信号采集、特征提取、特征分类以及外部控制等四个步骤实现其完整具体功能。采集正确且完整的脑电信号是脑机接口技术首要且至关重要的步骤，随着集成电路技术以及微处理技术的高速发展，具有高时空分辨率以及成本相对低廉的脑电信号采集系统在脑功能研究和脑电信号监测过程中发挥着越来越重要的作用。
4.由于脑电信号通常十分微弱，幅值一般较低，环境背景中存在的共模干扰使得采集到的脑电信号很容易被淹没，因此，需要设计有效的方法抑制脑电信号中的工频干扰，提高系统的噪声抑制性能。
5.与此同时，在设计可穿戴生物信号监测设备时，人类生物数据的安全性是一个重要的考量指标。现阶段，将具备监测与计算功能的芯片整合到用户的衣服或配件中，通过软硬件结合以及数据、云端交互来实现强大功能的可穿戴设备给人们的生活、感知带来很大的变化。通过可穿戴设备以用户的身体作为媒介，为数据传输提供了一个高效且安全的通信接口，通过无线体表传输实现生物数据自动加密，很好地维护了数据安全。
6.为此，我们提供了一种应用于脑机接口的同步采集与传输的方法及系统以此解决上述技术问题。


技术实现要素：

7.本发明为了解决上述技术问题，提供一种应用于脑机接口的同步采集与传输的方法及系统。
8.本发明采用的技术方案如下：一种应用于脑机接口的同步采集与传输的方法，包括以下步骤：步骤s1：穿戴于颅外的搭载有脑电信号采集设备的干性主动电极将采集到的输入信号通过信号放大通路的输入端传输至信号放大模块，所述信号放大模块对所述输入信号中的脑电信号进行放大处理，得到放大的脑电信号；步骤s2：穿戴于颅外的搭载有脑电信号采集设备的干性主动电极将采集到的输入信号通过共模平均耦合通路的输入端传输至共模平均单元，通过共模平均单元将输入信号
中的共模干扰信号动态耦合至接地端和电源端；步骤s3：将所述放大的脑电信号传输至信号转换及传输模块进行转换，编码和传输形成转换后的数字信号，并将转换后的数字信号通过传输电极传输至用户电极；步骤s4：通过所述用户电极将转换后的数字信号传输至信号接收及处理模块；通过所述信号接收及处理模块进行接收，解码和处理形成得到最终的脑电信号。
9.进一步地，所述信号放大模块包括斩波调制单元，输入电容一，固定增益放大单元，斩波解调制单元，输入电容二和可变增益放大单元，所述步骤s1具体包括以下子步骤：步骤s11：穿戴于颅外的搭载有脑电信号采集设备的干性主动电极将采集到的输入信号通过信号放大通路的输入端传输至信号放大模块，信号放大模块中的斩波调制单元对所述输入信号中的脑电信号进行斩波调制，以避开放大器低频部分的噪声，输出斩波调制后的脑电信号；步骤s12：将所述斩波调制后的脑电信号通过输入电容一和固定增益放大单元进行放大处理得到初始放大的脑电信号；步骤s13：将所述初始放大的脑电信号传输至斩波解调制单元进行信号解调，将信号解调至原始信号频段得到原始的脑电信号；步骤s14：将原始的脑电信号传输至输入电容二和可变增益放大单元通过调节可变的增益进行放大处理得到放大的脑电信号。
10.进一步地，所述斩波调制单元和所述斩波解调制单元的斩波频率为16k赫兹。
11.进一步地，所述固定增益放大单元包括固定增益放大器，两个固定反馈电容和两个固定反馈电阻，所述固定增益放大器的两端连接两个所述固定反馈电容，两个所述固定反馈电容的外侧分别连接两个所述固定反馈电阻。
12.进一步地，所述固定增益放大器的增益为60db，带宽为30k赫兹，固定反馈电容为50ff，固定反馈电阻为100g欧姆。
13.进一步地，所述可变增益放大单元包括可变增益放大器，两个单刀三掷开关的可变反馈电容和两个反馈电阻，所述可变增益放大器的两端连接两个所述单刀三掷开关的可变反馈电容，两个所述单刀三掷开关的可变反馈电容的外侧分别连接两个所述反馈电阻。
14.进一步地，所述可变增益放大器的可变增益为0db、14db、20db，带宽为30k赫兹，单刀三掷开关的可变反馈电容分别为5pf、1pf、0.5pf，反馈电阻为100g欧姆。
15.进一步地，所述信号转换及传输模块包括模数转换器，编码器和射频传输单元，所述步骤s3具体包括以下子步骤：步骤s31：将所述放大的脑电信号传输至模数转换器，通过模数转换器将幅值、时间连续的所述放大的脑电信号转换为离散的数字信号；步骤s32：将所述离散的数字信号通过编码器进行编码并转换为串行的数字信号，将所述串行的数字信号通过射频传输单元传输至传输电极，并将数字信号通过传输电极传输至用户电极。
16.进一步地，模数转换器的精度为10bit。
17.进一步地，所述信号接收及处理模块包括射频接收单元，译码器和后端处理器，所述步骤s4具体包括以下子步骤：通过所述用户电极将转换后的数字信号传输至射频接收单元，并将数字信号通过译码器进行解码，并将解码后的数字信号通过后端处理器处理得到
最终的脑电信号。
18.本发明还提供一种应用于脑机接口的同步采集与传输的系统，包括：信号放大模块：用于对输入信号中的脑电信号进行放大处理，得到放大的脑电信号；所述信号放大模块包括斩波调制单元，输入电容一，固定增益放大单元，斩波解调制单元，输入电容二和可变增益放大单元；所述斩波调制单元用于将脑电信号进行斩波调制，以避开放大器低频部分的噪声，输出斩波调制后的脑电信号；所述输入电容一和所述固定增益放大单元用于将斩波调制后的脑电信号放大处理得到初始放大的脑电信号；所述斩波解调制单元用于将信号解调至原始信号频段得到原始的脑电信号；所述输入电容二和所述可变增益放大单元用于调节可变的增益进行放大处理得到放大的脑电信号；共模平均单元：用于将输入信号中的共模干扰信号动态耦合至接地端和电源端；信号接收及处理模块：用于将放大的脑电信号进行转换，编码和传输形成转换后的数字信号，并将转换后的数字信号通过传输电极传输至用户电极；所述信号转换及传输模块包括模数转换器，编码器和射频传输单元；所述模数转换器用于将幅值、时间连续的所述放大的脑电信号转换为离散的数字信号；所述编码器用于将所述离散的数字信号通过编码器进行编码并转换为串行的数字信号；所述射频传输单元用于将串行的数字信号通过传输电极传输至用户电极；传输电极：用于传输串行的数字信号；用户电极：用于将串行的数字信号传输；信号接收及处理模块：用于对串行的数字信号进行接收，解码和处理形成得到最终的脑电信号；所述信号接收及处理模块包括射频接收单元，译码器和后端处理器；所述射频接收单元用于接收串行的数字信号，并传输至译码器；所述译码器用于对串行的数字信号解码并传输至后端处理器；所述后端处理器用于将解码后的数字信号处理得到最终的脑电信号。
19.本发明的有益效果是：本发明首先通过穿戴于颅外的搭载有脑电信号采集设备的干性主动电极将采集到的脑电信号传递至信号放大通路的输入端传输至信号放大模块，通过信号放大模块的两级闭环可编程放大器对采集到的脑电信号进行放大处理；然后，将放大后的脑电信号传递至模数转换器，将转换后得到的数字信号编码后传入射频传输单元tx，经过体表传输电极ae1将该数字信号通过无线体表传输至集成在可穿戴设备内的用户电极ae2；之后，用户电极ae2将脑电信号传入射频接收单元rx，经译码器处理后，最终将脑电信号传入后端处理器，同时，通过共模平均耦合通路中的共模平均单元，快速有效地抑制了环境中的共模干扰信号。本发明应用于脑机接口芯片中的实现同步采集与无线体表传输技术，该电路通过射频生物无线传播技术，实现了信号的自动加密、提高了传输的安全性，
降低了线路的复杂性、提高了用户舒适度，同时，由于体表无线传输所需的载波频率较低，实现了低功耗的无线传输，适用于可穿戴脑电采集系统。
附图说明
20.图1为本发明一种应用于脑机接口的同步采集与传输的方法的流程示意图；图2为本发明一种应用于脑机接口的同步采集与传输系统的示意图；图3为本发明实施例的电路图。
具体实施方式
21.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.见图1一种应用于脑机接口的同步采集与传输的方法，包括以下步骤：步骤s1：穿戴于颅外的搭载有脑电信号采集设备的干性主动电极将采集到的输入信号通过信号放大通路的输入端传输至信号放大模块，所述信号放大模块对所述输入信号中的脑电信号进行放大处理，得到放大的脑电信号；所述信号放大模块包括斩波调制单元，输入电容一，固定增益放大单元，斩波解调制单元，输入电容二和可变增益放大单元，所述斩波调制单元和所述斩波解调制单元的斩波频率为16k赫兹，所述固定增益放大单元包括固定增益放大器，两个固定反馈电容和两个固定反馈电阻，所述固定增益放大器的两端连接两个所述固定反馈电容，两个所述固定反馈电容的外侧分别连接两个所述固定反馈电阻，所述固定增益放大器的增益为60db，带宽为30k赫兹，固定反馈电容为50ff，固定反馈电阻为100g欧姆，所述可变增益放大单元包括可变增益放大器，两个单刀三掷开关的可变反馈电容和两个反馈电阻，所述可变增益放大器的两端连接两个所述单刀三掷开关的可变反馈电容，两个所述单刀三掷开关的可变反馈电容的外侧分别连接两个所述反馈电阻。
23.所述可变增益放大器的可变增益为0db、14db、20db，带宽为30k赫兹，单刀三掷开关的可变反馈电容分别为5pf、1pf、0.5pf，反馈电阻为100g欧姆。所述步骤s1具体包括以下子步骤：步骤s11：穿戴于颅外的搭载有脑电信号采集设备的干性主动电极将采集到的输入信号通过信号放大通路的输入端传输至信号放大模块，信号放大模块中的斩波调制单元对所述输入信号中的脑电信号进行斩波调制，以避开放大器低频部分的噪声，输出斩波调制后的脑电信号；步骤s12：将所述斩波调制后的脑电信号通过输入电容一和固定增益放大单元进行放大处理得到初始放大的脑电信号；步骤s13：将所述初始放大的脑电信号传输至斩波解调制单元进行信号解调，将信号解调至原始信号频段得到原始的脑电信号；步骤s14：将原始的脑电信号传输至输入电容二和可变增益放大单元通过调节可变的增益进行放大处理得到放大的脑电信号。
24.步骤s2：穿戴于颅外的搭载有脑电信号采集设备的干性主动电极将采集到的输入信号通过共模平均耦合通路的输入端传输至共模平均单元，通过共模平均单元将输入信号中的共模干扰信号动态耦合至接地端和电源端；步骤s3：将所述放大的脑电信号传输至信号转换及传输模块进行转换，编码和传输形成转换后的数字信号，并将转换后的数字信号通过传输电极传输至用户电极；所述信号转换及传输模块包括模数转换器，编码器和射频传输单元，所述步骤s3具体包括以下子步骤：步骤s31：将所述放大的脑电信号传输至模数转换器，通过模数转换器将幅值、时间连续的所述放大的脑电信号转换为离散的数字信号；模数转换器的精度为10bit。
25.步骤s32：将所述离散的数字信号通过编码器进行编码并转换为串行的数字信号，将所述串行的数字信号通过射频传输单元传输至传输电极，并将数字信号通过传输电极传输至用户电极。
26.步骤s4：通过所述用户电极将转换后的数字信号传输至信号接收及处理模块；通过所述信号接收及处理模块进行接收，解码和处理形成得到最终的脑电信号。
27.所述信号接收及处理模块包括射频接收单元，译码器和后端处理器，所述步骤s4具体包括以下子步骤：通过所述用户电极将转换后的数字信号传输至射频接收单元，并将数字信号通过译码器进行解码，并将解码后的数字信号通过后端处理器处理得到最终的脑电信号。
28.见图2一种应用于脑机接口的同步采集与传输系统，包括：信号放大模块：用于对输入信号中的脑电信号进行放大处理，得到放大的脑电信号；所述信号放大模块包括斩波调制单元，输入电容一，固定增益放大单元，斩波解调制单元，输入电容二和可变增益放大单元；所述斩波调制单元用于将脑电信号进行斩波调制，以避开放大器低频部分的噪声，输出斩波调制后的脑电信号；所述输入电容一和所述固定增益放大单元用于将斩波调制后的脑电信号放大处理得到初始放大的脑电信号；所述斩波解调制单元用于将信号解调至原始信号频段得到原始的脑电信号；所述输入电容二和所述可变增益放大单元用于调节可变的增益进行放大处理得到放大的脑电信号；共模平均单元：用于将输入信号中的共模干扰信号动态耦合至接地端和电源端；信号接收及处理模块：用于将放大的脑电信号进行转换，编码和传输形成转换后的数字信号，并将转换后的数字信号通过传输电极传输至用户电极；所述信号转换及传输模块包括模数转换器，编码器和射频传输单元；所述模数转换器用于将幅值、时间连续的所述放大的脑电信号转换为离散的数字信号；所述编码器用于将所述离散的数字信号通过编码器进行编码并转换为串行的数字信号；
所述射频传输单元用于将串行的数字信号通过传输电极传输至用户电极；传输电极：用于传输串行的数字信号；用户电极：用于将串行的数字信号传输；信号接收及处理模块：用于对串行的数字信号进行接收，解码和处理形成得到最终的脑电信号；所述信号接收及处理模块包括射频接收单元，译码器和后端处理器；所述射频接收单元用于接收串行的数字信号，并传输至译码器；所述译码器用于对串行的数字信号解码并传输至后端处理器；所述后端处理器用于将解码后的数字信号处理得到最终的脑电信号。
29.实施例1见图3，步骤s1：穿戴于颅外的搭载有脑电信号采集设备的干性主动电极将采集到的输入信号v
in
通过信号放大通路的输入端传输至信号放大模块，所述信号放大模块对所述输入信号中的脑电信号进行放大处理，得到放大的脑电信号；所述信号放大模块包括斩波调制单元，输入电容一c
in1
、c
in2
，输入电容一c
in1
、c
in2
为5pf固定增益放大单元，斩波解调制单元，输入电容二c
in3
、c
in4
，输入电容二c
in3
、c
in4
为5pf，和可变增益放大单元，所述斩波调制单元和所述斩波解调制单元的斩波频率为16k赫兹，所述固定增益放大单元包括固定增益放大器a1，两个固定反馈电容c
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、c
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和两个固定反馈电阻r
fb1
、r
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，所述固定增益放大器a1的两端连接两个所述固定反馈电容c
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、c
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，两个所述固定反馈电容c
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、c
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的外侧分别连接两个所述固定反馈电阻r
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、r
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，所述固定增益放大器a1的增益为60db，带宽为30k赫兹，固定反馈电容c
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、c
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为50ff，固定反馈电阻c
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、c
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为100g欧姆，所述可变增益放大单元包括可变增益放大器a2，两个单刀三掷开关的可变反馈电容c1、c2、c3和两个反馈电阻r
fb3
、r
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，所述可变增益放大器a2的两端连接两个所述单刀三掷开关的可变反馈电容c1、c2、c3，两个所述单刀三掷开关的可变反馈电容c1、c2、c3的外侧分别连接两个所述反馈电阻r
fb3
、r
fb4
。根据采集信号的种类（脑电信号、脑皮层电信号、动作电位、场电位等）来适当调节可变的增益。
30.所述可变增益放大器a2的可变增益为0db、14db、20db，带宽为30k赫兹，单刀三掷开关的可变反馈电容c1、c2、c3分别为5pf、1pf、0.5pf，反馈电阻r
fb3
、r
fb4
为100g欧姆。所述步骤s1具体包括以下子步骤：步骤s11：穿戴于颅外的搭载有脑电信号采集设备的干性主动电极将采集到的输入信号通过信号放大通路的输入端传输至信号放大模块，信号放大模块中的斩波调制单元对所述输入信号中的脑电信号进行斩波调制，以避开放大器低频部分的噪声，输出斩波调制后的脑电信号；步骤s12：将所述斩波调制后的脑电信号通过输入电容一c
in1
、c
in2
和固定增益放大单元进行放大处理得到初始放大的脑电信号；步骤s13：将所述初始放大的脑电信号传输至斩波解调制单元进行信号解调，将信号解调至原始信号频段得到原始的脑电信号；步骤s14：将原始的脑电信号传输至输入电容二c
in3
、c
in4
和可变增益放大单元通过调节可变的增益进行放大处理得到放大的脑电信号。
31.步骤s2：穿戴于颅外的搭载有脑电信号采集设备的干性主动电极将采集到的输入
信号通过共模平均耦合通路的输入端传输至共模平均单元，通过共模平均单元将输入信号中的共模干扰信号（50赫兹）动态耦合至接地端和电源端；来自于环境中的工频干扰会产生共模干扰信号（50赫兹），通过共模平均耦合通路中的共模平均单元，可有效抑制该共模干扰信号，例如环境中的工频噪声。由于耦合的共模干扰信号（50赫兹）与环境中的共模干扰信号（50赫兹）幅值相同且相位一致，因此环境中的共模干扰信号被消除。
32.步骤s3：将所述放大的脑电信号传输至信号转换及传输模块进行转换，编码和传输形成转换后的数字信号，并将转换后的数字信号通过传输电极ae1传输至用户电极ae2；所述信号转换及传输模块包括模数转换器adc，编码器p2s和射频传输单元tx，所述步骤s3具体包括以下子步骤：步骤s31：将所述放大的脑电信号传输至模数转换器adc，通过模数转换器adc将幅值、时间连续的所述放大的脑电信号转换为离散的数字信号；模数转换器adc的精度为10bit。
33.步骤s32：将所述离散的数字信号通过编码器p2s进行编码并转换为串行的数字信号，将所述串行的数字信号通过射频传输单元tx传输至传输电极ae1，并将数字信号通过传输电极ae1传输至用户电极ae2。
34.步骤s4：通过所述用户电极ae2将转换后的数字信号传输至信号接收及处理模块；通过所述信号接收及处理模块进行接收，解码和处理形成得到最终的脑电信号。
35.所述信号接收及处理模块包括射频接收单元rx，译码器s2p和后端处理器be，所述步骤s4具体包括以下子步骤：通过所述用户电极将转换后的数字信号传输至射频接收单元rx，并将数字信号通过译码器s2p进行解码，并将解码后的数字信号通过后端处理器be处理得到最终的脑电信号。
36.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。