專利名稱：一種腦電波信號處理方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療保健設(shè)備，特別是一種腦電波信號處理方法及其裝置。
背景技術(shù)：
公知的，生物的電現(xiàn)象是生命活動的基本特征之一，各種生物均有電活動的表現(xiàn)，不同的腦波模式會發(fā)出不同振幅和頻率的腦電波，腦電波信號可以通過放置在頭部的傳感器來進行測量和研究。通過腦機接口技術(shù)可以把電生理學(xué)活動或有機器官的神經(jīng)系統(tǒng)的代謝速率轉(zhuǎn)化為可以識別的信號。傳統(tǒng)的腦電波采集需要在專用的實驗室進行，被試者通常需要在腦部貼上若干電極或者佩戴專用的電極帽，同時實驗室還需要配備專用的測量儀器進行數(shù)據(jù)測量和分析?，F(xiàn)有的設(shè)備體積大，或者采集的信道多，或需配置專業(yè)的電極帽等不利于家庭保健、學(xué)生、 社會白領(lǐng)階層的人使用。由于接入方式受限，應(yīng)用的局限性較大，不適合將來家庭保健的應(yīng)用和普及。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點，提出一種對采集的腦電波信號進行專業(yè)分析和數(shù)據(jù)處理，以量化的形式體現(xiàn)當前的狀態(tài)的腦電波信號處理方法及其裝置。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種腦電波信號處理方法，其特征在于包括如下步驟I)通過電極傳感器采集人體腦電波信號，并將采集到的模擬腦電波信號進行放大和濾波處理得到O. 5Hz-100Hz范圍內(nèi)的包括α波、β波、Θ波和δ波的模擬腦電波信號；2)將模擬腦電波信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字腦電波信號后進行傅里葉變換分別得到α波、β波、Θ波和δ波的傅里葉譜，將信號從空間域變換至頻率域；3)對包括α波、β波、Θ波和δ波的數(shù)字腦電波信號進行凱澤窗處理，經(jīng)幅值分析、時間域分析和頻率域分析得到腦電波信號的各項指標參數(shù)。進一步的，在步驟2)中利用小波包變換構(gòu)造α波頻率和β波頻率的濾波器，來提取數(shù)字取腦電波信號中的α波、β波，并由α波、β波對應(yīng)的小波系數(shù)構(gòu)造動態(tài)腦電波信號變化圖。進一步的，在步驟3)中得到的腦電波指標參數(shù)包括量化的0-100內(nèi)的放松度水平和專注度水平。進一步的，在步驟2)中采用二維曲面樣條法插值算法對功率譜進行圓滑擬合處理。一種腦電波信號處理裝置，其特征在于包括用于采集腦部信號的電極傳感器，與該電極傳感器輸出端相連用于將采集到的腦電波信號進行放大和濾波處理的預(yù)處理裝置、用于將模擬腦電波信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的Α/D轉(zhuǎn)換單元、與Α/D轉(zhuǎn)換單元相連用于將數(shù)字腦電波信號進行算法分析從而得到量化的腦部參數(shù)的數(shù)字信號處理裝置、以及與該數(shù)字信號處理裝置相連的用于實時將原始數(shù)字腦電波信號和量化的腦部參數(shù)傳輸至外部設(shè)備的輸出單元、用于將量化的腦部參數(shù)實時傳輸至外部顯示設(shè)備的顯示控制單元和用于存儲數(shù)字腦電波信號和量化的腦部參數(shù)的存儲單元。進一步的，所述預(yù)處理裝置包括依次相連的前置放大器、帶通濾波器、50Hz陷波器 和放大隔離電路，該前置放大器輸入端與所述電極傳感器相連，該放大隔離電路與所述A/D轉(zhuǎn)換單元相連。進一步的，所述數(shù)字信號處理裝置包括與所述輸出單元、所述顯示控制單元和所述存儲單元相連的主控單元和與所述A/D轉(zhuǎn)換單元相連的算法分析單元。進一步的，所述存儲裝置采用SD卡。進一步的，還包括有用于與所述外部設(shè)備連接的USB單元。由上述對本發(fā)明的描述可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明通過腦電波信號處理裝置結(jié)合計算機軟件分析處理裝置，采用人機界面操作實現(xiàn)結(jié)果顯示、保健建議、語音提示等功能；為學(xué)生、白領(lǐng)及需要腦力勞動者提供一種簡便易用、成本低、免維護，能夠方便的實時顯示當前的精神狀態(tài)和腦電波。本發(fā)明通過量化的形式對采集的腦電波信號通過專業(yè)的分析軟件和數(shù)據(jù)處理功能，對人體的腦電波以量化的形式體現(xiàn)當前的精神狀態(tài)，專注度水平、放松度水平等形式。不同的神經(jīng)活動會產(chǎn)生不同的腦波模式，從而表現(xiàn)為不同的大腦狀態(tài)?？梢杂檬褂谜叩膶Ｗ⒍葋硗嬗螒颍杂螒虻男问絹磉_到訓(xùn)練的目的；可實時顯示使用者腦波及情感狀態(tài)；可實時含腦電監(jiān)測、腦電數(shù)據(jù)記錄、分析、回放功能；通過專用的多媒體技術(shù)可增強了注意力訓(xùn)練及放松訓(xùn)練的功能，并可根據(jù)訓(xùn)練記錄分析不同使用者的訓(xùn)練狀態(tài)；可建立多個賬號，為不同使用者建立其測試/訓(xùn)練檔案。


圖I為本發(fā)明的腦電波信號處理方法的步驟流程圖；圖2為本發(fā)明的腦電波信號處理裝置的原理框圖。
具體實施例方式以下通過具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的描述。腦電波信號(EEG)按其頻率分為δ波(1-3ΗΖ)、Θ波(4-7ΗΖ)、α波(8-13ΗΖ)、β波(14-25ΗΖ)、Υ波(25ΗΖ以上)。腦電信號蘊含著包括思維、情感、精神以及心理等活動的豐富內(nèi)容，可以從其電信號模式和頻率來加以區(qū)分。例如(1)當我們正在睡覺的時候，腦電顯示出δ波(O. 5-4ΗΖ)占優(yōu)勢；(2)當我們在昏昏欲睡或者正在做夢時候，腦電顯示Θ波(4-8ΗΖ)占優(yōu)勢；(3)當我們在日常清醒狀態(tài)下，α腦電波(8-12ΗΖ)所占的比例維持在一般的水平；當我們在清醒狀態(tài)下閉起雙眼時，立刻就會發(fā)現(xiàn)腦電的α波大幅度地增加；在放松、快樂狀態(tài)下，與α波在整個腦電分布圖中所占的比例有密切關(guān)系；但是，如果我們閉著眼睛睡著了，意識模糊了，α波就漸漸消失不見了；(4)當我們在正常的清醒狀態(tài)下，對于周遭環(huán)境，包括人、事、物的體驗，大都是基于習(xí)慣性的警覺和反應(yīng)，監(jiān)控并期望著事物都能如我們所知、所愿地發(fā)生，這時腦電β波(12-40ΗΖ)出現(xiàn)；在處心積慮而步調(diào)快速的日常生活中，當我們心懷緊張、焦慮、激動或者注意力不集中時，β波的電位就顯得更強勁，充分顯示出β波經(jīng)常處于主導(dǎo)地位的狀態(tài),這當然也表示腦部的活動趨于活躍、激動或允奮。參照圖1，本發(fā)明提出一種腦電波信號處理方法，包括如下步驟I)通過干電極傳感器采集人體腦電波信號，并將采集到的模擬腦電波信號進行放大和濾波處理得到O. 5Ηζ-100Ηζ范圍內(nèi)的包括α波、β波、Θ波和δ波的模擬腦電波信號;2)將模擬腦電波信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字腦電波信號后進行傅里葉變換分別得到α波、β波、Θ波和δ波的傅里葉譜，將信號從空間域變換至頻率域；3)對采集得到的腦電信號經(jīng)過放大預(yù)處理后，干擾得到了抑制，但不會消除，為了減少譜估計的頻譜泄漏，軟件包對包括α波、β波、Θ波和δ波的數(shù)字腦電波信號進行凱澤窗處理，經(jīng)幅值分析、時間域分析和頻率域分析得到腦電波信號的各項指標參數(shù)。在步驟2)中利用小波包變換構(gòu)造α波頻率和β波頻率的濾波器，來提取數(shù)字取腦電波信號中的α波、β波，并由α波、β波對應(yīng)的小波系數(shù)構(gòu)造動態(tài)腦電波信號變化圖。另外，將由小波包變換構(gòu)造的α波、β波帶通濾波器采集的α波、β波與通過低通濾波器直接采集的對應(yīng)數(shù)據(jù)進行比較，來調(diào)整采集系統(tǒng)的濾波器參數(shù)，還可以通過軟件設(shè)計調(diào)整各路信號的幅值大小。在步驟3)中得到的腦電波指標參數(shù)包括量化的放松度水平和專注度水平。專注度參數(shù)以0-100之間的數(shù)值來表示被試者的注意力集中程度；放松度參數(shù)以0-100之間的數(shù)值來表示被試者的放松程度。在步驟2)傅里葉譜即功率譜，求波段的功率譜時，隨每次所截取的序列長度自動分段取譜值，采用二維曲面樣條法插值算法對功率譜進行圓滑擬合處理。二維曲面樣條法是屬于精確的曲面擬合法，非常適合于有較少測點的曲面擬合，嚴格過結(jié)點，能擬合出非常光滑的曲面。曲面樣條法要解一個有η+3個系數(shù)的線性方程組。如果有幾十個測點，這種方法是可以接收的，當測點數(shù)為幾百或幾千時，計算量猛然增大，變?yōu)椴豢蓪崿F(xiàn)。本發(fā)明中測點數(shù)為16 32個，速度和效果即可滿足要求?；谏鲜隼碚摵头椒ㄌ岢鲆环N腦電波訓(xùn)練方法，將大腦皮層的腦活動節(jié)律(主要包括S波、Θ波、α波、β波、Y波)采集出來，并對特定的腦電活動進行訓(xùn)練，通過訓(xùn)練選擇性強化某一頻段的腦電波以達到預(yù)期的治療目的。比如我們通過專門制定的電腦游戲?qū)Υ竽X神經(jīng)進行有效調(diào)節(jié)和改善?？梢杂?xùn)練強化感覺運動節(jié)律(SMR波)和抑制4一7Hz的慢波(Θ波)，調(diào)整人的腦電活動，提高大腦喚醒狀態(tài)，從而改善注意力、多動、沖動，使訓(xùn)練者增強自信心，增強自我控制能力，延長注意力集中時間，調(diào)動人的主動性，形成良好的行為模式。腦電波信號的采集可利用與前額接觸的干電極采集腦電波數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)放大、濾波、Α/D轉(zhuǎn)換等，通過FIR算法進行濾波取1-34HZ波段，通過對腦電數(shù)據(jù)的進行分析，每間隔20毫秒計算腦電波13 - 30Hz的β波段功率譜密度值，當后一結(jié)果與前一結(jié)果的β波段功率譜密度值之差大于閾值5時，訓(xùn)練內(nèi)容就會繼續(xù)進行，反之則在本段內(nèi)重復(fù)進行。通過情感計算得到的人腦的注意力和放松度0-100的數(shù)值，使非腦電專業(yè)人士直觀的了解腦部及心理活動的狀態(tài)。訓(xùn)練者需要身體放松，心情平靜的注視著電腦顯示屏。利用視頻或游戲技術(shù)來訓(xùn)練提高人的注意力，以影響人的認知活動的改變。
參照圖2，本發(fā)明還提出一種腦電波信號處理裝置，包括用于采集腦部信號的電極傳感器1，與該電極傳感器I輸出端相連用于將采集到的腦電波信號進行放大和濾波處理的預(yù)處理裝置2、用于將模擬腦電波信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的Α/D轉(zhuǎn)換單元3、與Α/D轉(zhuǎn)換單元3相連用于將數(shù)字腦電波信號進行算法分析從而得到量化的腦部參數(shù)的數(shù)字信號處理裝置4、以及與該數(shù)字信號處理裝置4相連的用于實時將原始數(shù)字腦電波信號和量化的腦部參 數(shù)傳輸至外部設(shè)備的輸出單元5、用于將量化的腦部參數(shù)實時傳輸至外部顯示設(shè)備的顯示控制單元6和用于存儲數(shù)字腦電波信號和量化的腦部參數(shù)的存儲單元7。其中預(yù)處理裝置2包括依次相連的前置放大器21、帶通濾波器22、50Hz陷波器23和放大隔離電路24，該前置放大器21輸入端與電極傳感器相連，該放大隔離電路24輸出端與Α/D轉(zhuǎn)換單元3相連，用于將混雜在信號中的噪音以及運動產(chǎn)生的擾動進行濾除，同時放大有用信號。另外由于采集到的信號頻率范圍較寬，雜波較大，故前置放大器21要有很高的共模抑制比。腦電波信號是一種低頻信號，范圍從O. 5-lOOHz，在此范圍以外的信號應(yīng)使其最大限度地衰減，所以在電路中應(yīng)采用帶通濾波，帶通濾波器22是由低通濾波和高通濾波組成；由于工頻信號的存在，需進一步的考慮將產(chǎn)生的50Hz或60Hz的工頻信號，所以采用50Hz陷波器23將其去除。電極傳感器I采用單通道數(shù)據(jù)采集干態(tài)電極傳感器，該干態(tài)電極傳感器具有單極導(dǎo)聯(lián)，使用時將活動電極接至預(yù)處理裝置前置放大器21的一個輸入端，無關(guān)電極接到前置放大器21的另一個輸入端。無關(guān)電極一般選兩側(cè)耳垂，活動電極選擇在頭皮的一個電極。其優(yōu)點是能記錄活動電極下腦電位變化的絕對值，其波幅較高且穩(wěn)定。數(shù)字信號處理裝置包括與輸出單元5、顯示控制單元6和存儲單元7相連的主控單元41和與Α/D轉(zhuǎn)換單元3相連的算法分析單元42。通過將采集到的信號通過放大、濾波及光電隔離后得到的數(shù)據(jù)送入Α/D轉(zhuǎn)換單元3，采用8位的專用Α/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高采樣頻率ΙΟΚΗζ，采集精度可以達到32位，滿足Α/D轉(zhuǎn)換的要求，送至數(shù)字信號處理裝置中的數(shù)據(jù)經(jīng)過MCU控制和算法分析進行數(shù)據(jù)壓縮處理。主控單元41通過算法分析和相應(yīng)的邏輯控制將得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷敵鰡卧?，同時輸出單元5可實時顯示使用者腦波及情感狀態(tài)包含腦電監(jiān)測、腦電數(shù)據(jù)。具體輸出的數(shù)據(jù)包括1)原始腦電波數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出頻率為128Hz或者512Hz ;2) δ、θ、α、β、γ頻段EEG參數(shù)，數(shù)據(jù)輸出頻率為IHz ；3) “專注度”和“放松度”參數(shù)，數(shù)據(jù)輸出頻率為1Hz。其中“專注度”參數(shù)以0-100之間的數(shù)值來表示被試者的注意力集中程度；“放松度”參數(shù)以
0-100之間的數(shù)值來表示被試者的放松程度。主控單元41通過顯示控制單元6對采樣到的數(shù)據(jù)經(jīng)算法分析后得到放松度和專注度等參數(shù)，通過顯示接口與相應(yīng)的顯示器進行連接顯示，輸出的數(shù)據(jù)為以多樣圖形化形式實時顯示注意力、放松度、δ、θ、α、β、γ頻段EEG參數(shù)等多項心理參數(shù)和腦波的數(shù)值及變化趨勢。還包括有與主控單元41相連的USB單元8,主控單元41中的數(shù)據(jù)經(jīng)過MCU控制和算法分析進行數(shù)據(jù)壓縮處理，可方便地解讀出當前的精神狀態(tài)，專注度水平、放松度水平等。并通過USB接口數(shù)據(jù)線與電腦相連接并結(jié)合PC軟件提供多個注意力訓(xùn)練方案、音樂放松訓(xùn)練進行人機互動。人機互動是使用者可以通過顯示界面，采用的專注度來玩游戲，以游戲的形式來達到訓(xùn)練的目的；可通過專用的多媒體技術(shù)可增強了注意力訓(xùn)練及放松訓(xùn)練的功能，并可根據(jù)訓(xùn)練記錄分析存儲裝置7采用SD卡，主控單元41通過算法分析和相應(yīng)的SD卡控制將得到的腦電波監(jiān)測數(shù)據(jù)通過SD卡進行數(shù)據(jù)存儲。還包括有電源管理系統(tǒng)，該電源管理系統(tǒng)在采集之前將數(shù)字信號處理裝置及外圍電路與放大濾波電路彼此相互隔離，不采用一套供電電路，使兩部分只有信號上的聯(lián)系，電源之間沒有任何影響。上述僅為本發(fā)明的一個具體實施方式
，但本發(fā)明的設(shè)計構(gòu)思并不局限于此，凡利用此構(gòu)思對本發(fā)明進行非實質(zhì)性的改動，均應(yīng)屬于侵犯本發(fā)明保護范圍的行為。
權(quán)利要求
1.一種腦電波信號處理方法，其特征在于包括如下步驟 1)通過電極傳感器采集人體腦電波信號，并將采集到的模擬腦電波信號進行放大和濾波處理得到O. 5HZ-100HZ范圍內(nèi)的包括α波、β波、Θ波和δ波的模擬腦電波信號； 2)將模擬腦電波信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字腦電波信號后進行傅里葉變換分別得到α波、β波、Θ波和δ波的傅里葉譜，將信號從空間域變換至頻率域； 3)對包括α波、β波、Θ波和δ波的數(shù)字腦電波信號進行凱澤窗處理，經(jīng)幅值分析、時間域分析和頻率域分析得到腦電波信號的各項指標參數(shù)。
2.如權(quán)利要求I所述的一種腦電波信號處理方法，其特征在于在步驟2)中利用小波包變換構(gòu)造α波頻率和β波頻率的濾波器，提取數(shù)字取腦電波信號中的α波、β波，并由α波、β波對應(yīng)的小波系數(shù)構(gòu)造動態(tài)腦電波信號變化圖。
3.如權(quán)利要求I或2所述的一種腦電波信號處理方法，其特征在于在步驟3)中得到的腦電波指標參數(shù)包括量化的0-100內(nèi)的放松度水平和專注度水平。
4.如權(quán)利要求3所述的一種腦電波信號處理方法，其特征在于在步驟2)中采用二維曲面樣條法插值算法對功率譜進行圓滑擬合處理。
5.一種腦電波信號處理裝置，其特征在于包括用于采集腦部信號的電極傳感器，與該電極傳感器輸出端相連用于將采集到的腦電波信號進行放大和濾波處理的預(yù)處理裝置、用于將模擬腦電波信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的Α/D轉(zhuǎn)換單元、與Α/D轉(zhuǎn)換單元相連用于將數(shù)字腦電波信號進行算法分析從而得到量化的腦部參數(shù)的數(shù)字信號處理裝置、以及與該數(shù)字信號處理裝置相連的用于實時將原始數(shù)字腦電波信號和量化的腦部參數(shù)傳輸至外部設(shè)備的輸出單元、用于將量化的腦部參數(shù)實時傳輸至外部顯示設(shè)備的顯示控制單元和用于存儲數(shù)字腦電波信號和量化的腦部參數(shù)的存儲單元。
6.如權(quán)利要求5所述的一種腦電波信號處理裝置，其特征在于所述預(yù)處理裝置包括依次相連的前置放大器、帶通濾波器、50Hz陷波器和放大隔離電路，該前置放大器輸入端與所述電極傳感器相連，該放大隔離電路與所述Α/D轉(zhuǎn)換單元相連。
7.如權(quán)利要求5或6所述的一種腦電波信號處理裝置，其特征在于所述數(shù)字信號處理裝置包括與所述輸出單元、所述顯示控制單元和所述存儲單元相連的主控單元和與所述Α/D轉(zhuǎn)換單元相連的算法分析單元。
8.如權(quán)利要求7所述的一種腦電波信號處理裝置，其特征在于所述存儲裝置采用SD卡。
9.如權(quán)利要求7所述的一種腦電波信號處理裝置，其特征在于還包括有用于與所述外部設(shè)備連接的USB單元。
全文摘要
一種腦電波信號處理方法及裝置，通過將采集得到的腦電信號經(jīng)過放大預(yù)處理后,將包括α波、β波、θ波和δ波的數(shù)字腦電波信號進行凱澤窗處理,經(jīng)幅值分析、時間域分析和頻率域分析得到腦電波信號的各項指標參數(shù)。具體的腦電波信號處理裝置包括電極傳感器，預(yù)處理裝置、A/D轉(zhuǎn)換單元、數(shù)字信號處理裝置、以及輸出單元、顯示控制單元和存儲單元。本發(fā)明通過腦電波信號處理裝置結(jié)合計算機軟件分析處理裝置，采用人機界面操作實現(xiàn)結(jié)果顯示、保健建議、語音提示等功能；為學(xué)生、白領(lǐng)及需要腦力勞動者提供一種簡便易用、成本低、免維護，能夠方便的實時顯示當前的精神狀態(tài)和腦電波。
文檔編號A61B5/0476GK102920453SQ20121042974
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月29日
發(fā)明者洪清喜, 葉清潤, 林建清, 朱元林 申請人:泰好康電子科技(福建)有限公司