一种全带宽脑电信号获取装置制造方法[0002]由于技术上的限制和对脑电研究中认知的落后，传统的脑电信号采集设备带宽通常设置为0.5-50HZ，在此范围外的信号被认为是无用信号或者干扰信号。随着技术和脑电研究工作的迅速发展，特别是对于未成熟脑、癫痫等脑状态的研究发现:脑电中的低频信号?0.1Hz)，甚至直流分量和高频信号都有很高的研究价值。所以需要有一种能获取从直流分量到高频分量的采集设备，实现脑电信号的完整采集。[0003]由于脑电中的低频和直流分量幅值较高，一般在几十毫伏，而常规的交流分量，幅度在正负100微伏。而要保证同样的模数转换分辨率，在实现上需要更高精度的A/D转换器和更高的信号输入范围，给设计成本带来了很大的压力。同时，在全带宽脑电信号采集的过程中，由于脑电中很容易受到外界的干扰而引入直流分量，因此电极的防抖动设计、高采样频率、直流部分采集、数字信号补偿和标准格式存储等就显得非常重要。其中，直流部分采集和数字信号补偿和存储是需要解决的关键技术。[0004]目前现有的全带宽采集设备中，大部分都采用的直流分量和交流分量分别采集的解决方案，但并不能真正的实现全带宽脑电信号的同步采集，并且还有造价昂贵、数据的存储格式不标准等缺陷。这 些设计缺陷严重的影响了全带宽脑电信号采集分析的研究工作，限制了使用不同公司设备的全带宽EEG科研人员之间的交流，阻碍了全新分析方法的提出、探索和实现。与本发明有一定相关的两个专利如下:[0005]中国专利申请号为:200420033843.3，名称为:一种脑电采集系统电极帽，该专利申请案涉及神经生物学检测技术，由一个类似于摩托车头盔一样的具有一定形状的头盔和一定数量的探针组成。该装置可以避免测量中电极与头皮接触不良的情况，但其不足之处是:不能有效地减小外界高频信号对脑电信号中直流部分的干扰，不能实现全带宽脑电信号的准确采集。[0006]中国专利申请号为:201210360848.6，名称为:脑电信号放大器，该申请案采用植入式电极，脑电信号经过交/直流放大模块，并在微处理器Atmega32的控制下进行信号采集，并传入上位机进行处理。其使用植入式电极，对实验对象有一定程度的损伤；同时，采用直流和交流部分分别采集的方法，并不能实现真正的全带宽脑电信号的采集。全带宽脑电信号采集中存在几个主要问题，即低频脑电信号抗干扰能力差、脑电信号直流部分经放大后超出采集范围和采集数据不能保存为标准EDF格式。
[0007]本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种宽带的脑电信号采集设备方案，该设备中包括:防抖动电极、直流衰减电路、放大滤波电路和上位机数字补偿算法，可应用于神经电生理方面的信号采集。针对上述三个问题，设计了一种全新的防抖动电极，采用模拟衰减与数字补偿相结合的方式实现对脑电信号的全带宽获取，从而使脑电信号中的直流部分能够顺利通过传统的采集设备并且能够在上位机中还原为原始脑电信号，实现以标准EDF数据格式存储。
[0008]本发明的特点是全带宽，通过模拟直流衰减电路将脑电信号的直流部分大幅度衰减，使其在经过脑电采集设备前段放大电路放大后仍然能够保证幅值在A/D转换器的有效幅值范围内，从而能够实现信号的直流部分和交流部分的同时采集，保证脑电信号各部分实时同步。同时，在上位机部分加入数字补偿算法，对A/D转换器采集得到的经过直流衰减后的脑电信号进行重构，复原被衰减的直流部分，从而恢复原始的脑电信号，保证脑电信号的完整性；为了保证脑电信号直流部分和交流部分的完整性，本发明中采集系统的前段采用全新设计的电极结构，能够将脑电信号采集过程中的抖动影响降到最低；在数据存储方面，本发明将直流部分进行衰减，采集获得的数据可以满足标准的EDF数据格式，实现脑电信号采集的全带宽化和标准化。
[0009]为了实现发明目的，本发明是通过以下技术方案实现的:
[0010]一种全带宽脑电信号获取装置，包括防抖动电极、直流衰减电路、放大滤波电路和上位机；
[0011]所述的防抖动电极包括电极、凝胶和绝缘层，所述的防抖动电极用于采集脑电信号，然后将信号导入直流衰减电路；
[0012]所述的直流衰减电路只对输入信号的直流及低频部分进行衰减，使直流及低频部分的幅度放大后仍能保持在系统A/D转换器米集幅值沮围内，不出现&出情况；
[0013]所述的放大滤波电路包括一个二级放大电路和一个低通滤波电路，所述的二级放大电路对已衰减的脑电信号中的直流及低频部分进行整体放大，使其幅值能够达到A/D转换器转换的有效精度；所述的低通滤波电路用于有效排除由于电路内部运算放大器等器件引入的高频干扰，保证信号的完整，直流及低频部分被衰减的脑电信号经过放大滤波电路后，交流部分被放大与直流部分一起通过A/D转换器转换成数字信号输入给上位机进行处理；
[0014]所述的上位机通过数字补偿算法将直流部分复原并与交流部分一起重构原始脑电信号。
[0015]在所述的防抖动电极中，所述的电极采用Ag/AgCl材料。由于该材料具有不易氧化、导电性优良等特点，能够满足长时间使用及保证脑电信号采集完整性等技术要求。在电极与皮肤的接触面上注入导电凝胶，保证电极材料和皮肤之间良好接触，避免电极与皮肤有接触不良而产生电容的效果，并且强化了皮肤和电极之间的连接，防止了电极的抖动造成信号失真。在电极和电极与皮肤接触面的外围加装一塑料绝缘罩，不仅可以防止凝胶过于干燥从而导致脑电信号不能正常传入电极，同时也可以屏蔽外界的高频干扰信号，对脑电信号采集环境有一定的保护作用。
[0016]所述的直流衰减电路可由常规采集设备中的高通滤波器改进而成。考虑常规脑电采集电路中的高通滤波器电路设计:有采用无源RC滤波器，也有采用有源运算放大器实现高通滤波功能。所以，本发明中针对这两种不同滤波设备提出了两种解决方案，都能够实现直流DC部分的衰减和全带宽信号采集。[0017]对于常规无源RC高通滤波器的改进，所述的直流衰减电路可以是在无源RC滤波器电路的电容C上并联一个电阻rd。，其阻值可以根据直流部分的衰减倍数确定。其工作原理如下:电容C对高频信号的导通性较高，对于低频信号导通性较差，对于直流信号没有导通性。在电容C上并联一个电阻Rdc，脑电信号进入直流衰减电路后，高频部分直接经过电容C，从而通过高通滤波器进入采集电路中的放大电路，而脑电信号的低频及直流部分则经过Rirc进行衰减，衰减倍数为R/ (R+Rdc)倍，若Rd。阻值非常大，就可以将脑电信号中的低频及直流部分很大程度衰减，再进入采集电路中的放大电路进行放大后，仍可以满足A/D转换器的有效幅值范围。改进后得到的直流衰减电路就可以实现脑电信号的低频及直流部分和高频部分的同步采集。
[0018]对于常规有源RC滤波器的改进与无源RC滤波器的原理类似，所述的直流衰减电路也可以是在运算放大器的输入负端和输出端连接电阻Rdc。脑电信号的直流及低频部分经过衰减电阻Rdc，进入采集电路中的放大电路。通过调整衰减电阻Rdc的阻值来确定脑电信号中直流及低频部分的衰减倍数，使其能够满足A/D转接器的有效幅值范围。
[0019]对于所述的上位机，数字补偿算法作为上位机的一个执行程序，它能将已经衰减的脑电信号中的直流及低频部分进行重构，保证脑电信号中高频部分信号完整的情况下，将直流及低频部分恢复成衰减之前的幅值，从而实现原始采集得到的脑电信号的重构，得到去掉绝大部分噪声之后的，包括直流及低频部分和高频部分的完整的脑电信号。
[0020]该数字补偿算法是由一种数字衰减器反相推导得出的，而这种数字衰减器是由数字滤波器进行双曲线变换所衍生出的。由于其幅频域特性与本发明中所提到的有源或无源直流衰减电路相似，所以将这种衍生出来的数字衰减器反相推导出针对本发明中提到的有源或无源滤波衰减电路的上位 机数字补偿算法。在上位机中，采用这种数字补偿算法进行原始脑电信号的重构，具体推导过程如下:
[0021]第一步:根据数字滤波器的双曲线变换的频域特性与脑电信号的模拟衰减电路的频域特性相同这一特点，推导出一组数字衰减滤波器的双曲线变换方程，该数字算法可以得出与模拟衰减电路类似的效果，得到了数字衰减滤波器中经过衰减后的脑电信号EEG"和原始脑电信号EEG之间的关系:
[0022]即EEG"n =Q1.EEGV1+ β ο.EEGn+ β !.EEGlri (I)；
[0023]第二步:通过多次验证和公式推导，得出该双曲线变换方程的各个系数0?和βη与直流衰减的倍数和衰减带宽之间的关系，并且确定原始脑电信号通过该方程计算得出的直流衰减的脑电信号与模拟电路实际衰减得到的直流衰减的脑电信号相同，即数字衰减滤波器与模拟直流衰减器的衰减效果相同；
[0024]第三步:为了实现衰减器的快速稳定，对该双曲线变换方程进行初始化，该初始化值即为原始脑电信号和第一次衰减得到的直流衰减的脑电信号，保证该数字衰减过程与模拟直流衰减效果相同；
[0025]各初始条件如下:EEGq = EEG1, EEG〃Q = EEG1.DCgain,其中DCgain为直流衰减倍数；
[0026]第四步:对(I)进行逆运算，通过对这种数字衰减过程的双曲线变换方程的逆运算，推导出原始脑电信号EEGn的计算公式:
[0027]即EEGn = [EEG"n_ α:.EEGV1- β ι.EEGn_J / β 0 (2)；[0028]通过以上推导，(2)为上位机数学补偿算法中得出原始脑电信号完成重构过程的核心计算公式，其中，逆运算中的各个系数Ci1^P βη与原始双曲线变换方程中的系数相同，其初始化值与原初始化值相同。
[0029]由于采用上述技术方案，本发明提供的一种全带宽脑电信号获取装置与现有技术相比，具有这样的有益效果是:
[0030]本发明可以满足标准EDF格式存储，具有高精度、全带宽、抗干扰能力强、数据还原完整等特点。在幅值范围是±100mV，精度为0.3 μ V的条件下，直流衰减信号可以自动重构出原始的全带宽脑电信号。
[0031]本发明由于该数字滤波器的双曲线变换过程的频域特性与模拟衰减电路相似，其结果也相同。所以根据该数字滤波器的双曲线变换过程的逆运算可以完成原始脑电信号的完整重构。
[0032]本发明将现有的常规脑电采集设备，进行改进就可以实现脑电信号的全带宽采集，并且可以将采集数据以标准数据格式进行存储，是一种减小设备成本并且实现全带宽脑电信号采集的解决方案。
[0033]本发明区别于常规脑电采集设备的特点在于其能够实现脑电信号的全带宽采集，完整准确的获取低频域的脑电信息，本发明只突出全带宽部分的实现，包括防抖动电极、直流衰减电路、数字补偿算法三部分。其中:
[0034](I)防抖动电极采用全新设计的结构，可以与现有的EEG电极帽相配套，加入绝缘室设计部分，保护电极和皮肤的接触环境，能减小外界对低频脑电信号的干扰，保证电极与皮肤紧密接触，有效减少 外界噪声对低频信号的干扰；
[0035](2)直流衰减电路可以采用无源或者有源方式，将脑电信号的直流部分进行衰减，使信号经过放大后仍然在脑电采集设备的幅值范围之内，便于之后设备部分中对信号进行去噪和分析；针对于无源和有源电路分别设计，能够实现脑电信号的直流部分衰减和交流部分的无损获取；本发明使用直流衰减思路，可以实现全带宽脑电信号的获取；
[0036](3)数字补偿算法部分由数字衰减器的逆运算得出数字补偿参数，对数字补偿进行初始化，就可以实现在上位机中将直流部分衰减的脑电信号进行重构；基于数字衰减器逆运算推导得出，这种数字衰减器的频域特性与直流衰减电路相近，则其逆运算，即数字补偿算法可以最大限度的得出原始的脑电信号。



[0037]图1是全带宽脑电信号获取装置的整体设计框图；
[0038]图2是防抖动电极结构图；
[0039]图3是无源直流DC衰减电路结构图；
[0040]图4是无源直流DC衰减电路频域特性；
[0041 ]图5是有源直流DC衰减电路结构图；
[0042]图6是全带宽脑电采集设备前段模拟改进方案结构图。

[0043]下面结合附图对本发明的实施例做详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0044]实施例
[0045]全带宽脑电信号获取装置的整体设计框图，如图1所示，它是由防抖动电极、直流衰减电路、放大滤波电路和上位机组成。前端由防抖动电极采集脑电信号，随后进入直流衰减电路，衰减电路只对信号的直流及低频部分进行衰减，使直流及低频部分的幅度放大后仍能保持在系统A/D转换器米集幅值沮围内，不出现&出情况；放大滤波电路包括Iv二级放大电路和一个低通滤波电路，二级放大电路对直流及低频部分衰减的脑电信号进行整体放大，使其幅值能够达到A/D转换器转换的有效精度；低通滤波电路有效的排除由于电路内部运算放大器等器件引入的高频干扰，保证信号的完整。直流及低频部分被衰减的脑电信号经过放大滤波电路后，交流部分被放大与直流部分一起通过A/D转换器转换成数字信号传入上位机做处理；在上位机中，通过数字算法将直流部分复原并与交流部分一起重构原始脑电信号。
[0046]所述的防抖动电极结构如图2所示。首先在电极和皮肤之间使用凝胶，用来强化电极和皮肤之间的接触效果，避免电极的抖动影响其与皮肤的接触，从而影响脑电信号传输的准确性。
[0047]其次电极材料必须选用不可极化的材料。因为所有的极化电极材料例如金、钼金、锡和钢等，都很容易与外部环境形成电容耦合的形式，这样会在电极和凝胶之间形成一种简易的高通滤波装置，破坏脑电信号中的低通部分信号的完整性。
[0048]最后，在电极装置外部放置绝缘材料形成一个密闭的绝缘室。其目的有两个，一是可以减缓凝胶的干燥速度，凝胶干燥后会影响电极与皮肤的接触，不能保证信号的传输质量。绝缘室可以减缓干燥速度，使采集时间可以延长。另一个目的是屏蔽外界信号干扰，外界信号大部分都是高频信号，很容易对脑电信号中的直流部分产生影响，绝缘室可以有效的保证其内部不被外界信号影响，大大减少了外界信号的干扰，保证了脑电信号的准确性。
[0049]无源直流DC衰减电路，如图3所示，常规的EEG采集设备通常在前段放大器部分使用无源RC高通滤波器来滤除掉直流DC部分。基于这种采集设备，我们在RC滤波器的电容处并联了一个很大阻值的电阻Rd。。这个无源电路不能将所有的直流DC部分都滤除掉，而是将其衰减R/ (R+Rdc)倍。在低频带宽，即真实直流DC到超低频I/ (2 Rdc.C)内，这个裳减电路有效。
[0050]如图4所示为无源直流DC衰减电路的频域特性。例如，设器件参数R = 1.2M、C =
4.4uF、RDC = IOMo如图4所示衰减频率从DC到0.0035Hz增益为0.107。从频率0.0036Hz开始增益明显变大，直到0.030Hz增益趋于平缓。
[0051]将直流DC衰减器整合到有源前置放大器的反馈回路中，如图5所示，其实际效果与无源滤波器基本一致，其频域特性如图3所示。这个前段放大器最初对于所有频率的信号都有(R+RDe)/R增益。在电路中嵌入一个电容C，就可以将直流DC的所有增益衰减到统一。所以，相对于常规的带宽，直流DC部分衰减了 R/(R+RDC)，与无源RC滤波器中的效果相同。在频域带宽为l/[2p(R+RDe)C]内，有源滤波直流DC衰减电路与无源衰减电路的频域特性相同。需要注意的是，常规采集设备中会在有源电路后第二级联一个RC无源滤波器，在直流DC衰减的情况下，第二级联的RC滤波器需要去掉。[0052]在图3和图5所示的两种方案中，必须使用低误差的电阻和电容器件来确保直流DC增益和带宽精确。为了保证解衰减初始化正确，存储在EDF格式文件的第一个衰减采样值必须取初始前IOs的采样值的平均值。
[0053]全带宽脑电采集设备前段模拟改进方案完整结构图，如图6所示。全带宽脑电采集设备前段模拟部分包括:前段差分放大电路、直流衰减电路、二级放大电路、低通滤波电路和A/D转换电路等部分。前段差分放大电路采用INA128运算放大器，前段采集电路中的反向积分电路接入到差分放大电路的Ref端，形成高通滤波器。将反向积分电路进行改进，并联一个电阻R和一个电容C，改进成如图4所示的有源直流DC衰减电路，衰减倍数根据电阻R的阻值可调。
[0054]经过衰减电路衰减后的信号需要经过二级放大电路将幅值放大，满足A/D转换器的有效幅值范围和精度，脑电信号经过二级放大之后进入低通滤波器，将超高频噪声去除，最后信号进入A/D转换电路，A/D转换电路采用24位高精度AD芯片，得出脑电的数字信号，并传入上位机进行后续的重构及分析。
[0055]以上所 述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本
所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的【技术领域】，均在本发明的保护范围内。