本發(fā)明涉及腦電信號(hào)采集技術(shù)，更具體地，涉及一種腦電信號(hào)的高可靠性采集方法。
背景技術(shù)：
腦電信號(hào)(EEG)是一種典型的生物電信號(hào)，是大腦皮層腦神經(jīng)細(xì)胞電活動(dòng)的總體反映，其中包含了大量的生理和病理信息，是臨床檢測的重要生理參數(shù)之一，也是認(rèn)知科學(xué)、腦機(jī)接口和警覺度等領(lǐng)域研究的重要手段。由于傳統(tǒng)腦電信號(hào)采集設(shè)備都比較龐大，不便于腦電信號(hào)的適時(shí)獲取，因此無線遠(yuǎn)程腦電信號(hào)采集設(shè)備的研發(fā)具有重要意義。
現(xiàn)有的無線數(shù)據(jù)采集方案盡管不需要使用者熟悉腦電采集電極設(shè)置的位置，但其中的無線信號(hào)傳輸本身存在一些阻礙腦電波信號(hào)采集可靠性的因素。例如，CN201410166176.4公開了一種腦電采集傳送方法，包括：采集多導(dǎo)腦電信號(hào)；將所述多導(dǎo)腦電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)；接收所述光信號(hào)并將接收到的所述光信號(hào)轉(zhuǎn)化為第一電信號(hào)；將所述第一電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理以得到第二電信號(hào)；將所述第二電信號(hào)傳輸至采集主機(jī)。盡管其能夠在一定程度上解決無線數(shù)據(jù)傳輸鏈路不穩(wěn)定的問題，但由于光電/電光信號(hào)的轉(zhuǎn)換造成了原始信號(hào)的失真。另一方面，由于腦電信號(hào)的信噪比非常低，干擾信號(hào)比有效數(shù)據(jù)的幅值更大，使得信號(hào)基本被噪聲湮沒，分離難度很大，涉及到的噪聲不僅包括有頭部運(yùn)動(dòng)、面部肌肉運(yùn)動(dòng)造成的干擾，還包括電源波動(dòng)引發(fā)的干擾等等。
因此，在腦電傳感器與數(shù)據(jù)處理端通過無線方式連接的環(huán)境下，盡可能大地提高腦電信號(hào)的采集可靠性和腦電信號(hào)的信噪比，是本領(lǐng)域一直致力解決的課題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了提高腦電波無線采集方案的無線可靠性，為腦電波信號(hào)的準(zhǔn)確處理提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和可靠的保證，本發(fā)明提供了一種腦電信號(hào)的高可靠性采集方法，包括：
(1)利用多個(gè)腦電信號(hào)傳感器采集腦電信號(hào)；
(2)設(shè)置多個(gè)可編程放大器，所述各個(gè)可編程放大器與所述各個(gè)腦電信號(hào)傳感器一一對應(yīng)地連接，以根據(jù)各個(gè)可編程放大器的放大倍數(shù)放大各個(gè)腦電信號(hào)傳感器輸出的信號(hào)；
(3)設(shè)置多個(gè)計(jì)數(shù)器，所述各個(gè)計(jì)數(shù)器與所述可編程放大器一一對應(yīng)，各個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為固定值且該固定值與其對應(yīng)的可編程放大器的序號(hào)；
(4)設(shè)置無線傳輸單元，所述無線傳輸單元與各個(gè)所述可編程放大器的輸出端以及各個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出端相連接；
(5)所述無線傳輸單元將所述可編程放大器輸出的信號(hào)以及與該可編程放大器相對應(yīng)的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值以第一數(shù)組的形式無線地發(fā)送給腦電信號(hào)控制器；
(6)經(jīng)過從第零時(shí)刻T0開始的多個(gè)工作周期，確定各腦電信號(hào)傳感器的工作狀態(tài)，并進(jìn)而在第二時(shí)刻T2時(shí)設(shè)置各個(gè)所述可編程放大器的放大倍數(shù)，其中1個(gè)工作周期包括步驟(5)的操作。
該步驟(6)進(jìn)一步包括：
(61)在第零時(shí)刻T0，假設(shè)各可編程放大器的放大倍數(shù)為第一放大倍數(shù)的集合；
(62)在所述第零時(shí)刻T0之后，經(jīng)過多個(gè)工作周期，其中1個(gè)工作周期包括步驟(5)的操作，當(dāng)?shù)竭_(dá)第一時(shí)刻T1時(shí)，腦電信號(hào)控制器存儲(chǔ)在第零時(shí)刻T0及其后的所述多個(gè)工作周期內(nèi)的初始腦電信號(hào)傳感器陣列和輔助腦電信號(hào)傳感器陣列中各個(gè)腦電信號(hào)傳感器的輸出經(jīng)過與其相對應(yīng)的可編程放大器的放大后的輸出值，并根據(jù)這些輸出值確定各腦電信號(hào)傳感器的工作狀態(tài)，然后根據(jù)所述腦電信號(hào)傳感器工作狀態(tài)，設(shè)置與各個(gè)腦電信號(hào)傳感器相對應(yīng)的可編程放大器的放大倍數(shù)為第二放大倍數(shù)的集合；
(63)在第一時(shí)刻T1之后又經(jīng)歷多個(gè)工作周期后到達(dá)的第二時(shí)刻T2，所述腦電信號(hào)控制器根據(jù)腦電信號(hào)傳感器的工作狀態(tài)信息，設(shè)置各個(gè)所述可編程放大器的放大倍數(shù)，使之在下一個(gè)與T0至T2相等的時(shí)間段內(nèi)不變，然后重復(fù)步驟(61)-(63)，直到接收到腦電信號(hào)采集終止信號(hào)為止，其中T2>T1。
進(jìn)一步地，所述腦電信號(hào)傳感器采用干電極傳感器。
進(jìn)一步地，所述干電極傳感器采用美國Neurosky公司的ThinkGear AM芯片。
進(jìn)一步地，所述可編程放大器的放大倍數(shù)為0-99。
進(jìn)一步地，所述無線傳輸單元與腦電信號(hào)控制器之間通過藍(lán)牙芯片進(jìn)行通信。
進(jìn)一步地，所述步驟(5)進(jìn)一步包括：所述無線傳輸單元在t時(shí)刻將各個(gè)所述可編程放大器輸出的信號(hào)以及與所述各個(gè)可編程放大器相對應(yīng)的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值以N個(gè)第一數(shù)組的形式，并將其中包括非零的所述可編程放大器輸出的信號(hào)的第一數(shù)組無線地發(fā)送給腦電信號(hào)控制器。
進(jìn)一步地，所述1個(gè)工作周期包括一次步驟(5)的操作。
進(jìn)一步地，所述第一時(shí)刻T1與所述第零時(shí)刻T0之間間隔3-4個(gè)工作周期。
進(jìn)一步地，所述藍(lán)牙芯片采用TI公司的BLUENRG-MS芯片。
進(jìn)一步地，所述腦電信號(hào)傳感器工作狀態(tài)包括工作正常和工作異常兩種狀態(tài)。
進(jìn)一步地，當(dāng)所述腦電信號(hào)傳感器工作狀態(tài)為工作正常狀態(tài)時(shí)，設(shè)置與各個(gè)腦電信號(hào)傳感器相對應(yīng)的可編程放大器的放大倍數(shù)為第一放大倍數(shù)的集合中的一個(gè)放大倍數(shù)；否則將其設(shè)置為0。
本發(fā)明的有益效果包括：
(1)根據(jù)本發(fā)明獨(dú)創(chuàng)的輔助腦電信號(hào)傳感器，結(jié)合無線傳輸單元發(fā)送的腦電信號(hào)，能夠高速、有效率地處理必須處理的腦電信號(hào)，其中根據(jù)自主研發(fā)的腦電信號(hào)可靠性處理算法，相比直接處理包括噪聲信號(hào)在內(nèi)的現(xiàn)有技術(shù)的各種算法，能夠使待分析的腦電信號(hào)的信噪比提高30％-40％；
(2)根據(jù)本發(fā)明的腦電信號(hào)可靠性算法，能夠自適應(yīng)改變減小了藍(lán)牙芯片的功耗，使無線通信方式下的數(shù)據(jù)傳輸可靠性得以大幅度提高，根據(jù)發(fā)明人實(shí)驗(yàn)(即在現(xiàn)有技術(shù)的情況下和在本申請的情況下，分別通過采集規(guī)定次數(shù)的數(shù)據(jù)后，分析數(shù)據(jù)對于分析α腦波和β腦波的可用性后得出可用的數(shù)據(jù)的總次數(shù)這種方式)測得的可靠性平均提高約40％-55％。
(3)能夠基于使用者信息以及實(shí)時(shí)采集到的腦電信號(hào)，周期性地鑒別哪些腦電信號(hào)傳感器采集到的腦電信號(hào)是有用信號(hào)；
(4)能夠根據(jù)腦電信號(hào)的處理結(jié)果進(jìn)行反饋，從而調(diào)整發(fā)送腦電信號(hào)的腦電信號(hào)傳感器的工作狀態(tài)，使得腦電信號(hào)處理效率得以大幅度增加；
(5)能夠根據(jù)腦電信號(hào)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，自適應(yīng)地改變采集腦電信號(hào)的傳感器的工作狀態(tài)，從而使得傳輸腦電信號(hào)的藍(lán)牙通信芯片的功耗發(fā)生動(dòng)態(tài)改變，有利于減小腦電信號(hào)采集所需功耗，從而提高腦電信號(hào)采集時(shí)在使用者處的無線傳輸單元的工作壽命。
附圖說明
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的腦電信號(hào)的高可靠性采集方法的流程框圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明的一種腦電信號(hào)的高可靠性采集方法，包括：
(1)利用多個(gè)腦電信號(hào)傳感器采集腦電信號(hào)；具體而言，該步驟包括：
首先，設(shè)置初始腦電信號(hào)傳感器陣列：將i×j個(gè)所述腦電信號(hào)傳感器設(shè)置成i行×j列(例如，像現(xiàn)有技術(shù)中通常使用的、用于覆蓋使用者頭部的傳感器陣列那樣)，其中i和j均為大于1的自然數(shù)，其中j列腦電信號(hào)傳感器表示腦電信號(hào)傳感器被設(shè)置在沿著使用者頭部輪廓的前方至后方的方向上的、多個(gè)彼此電連接的腦電信號(hào)傳感器，i行表示沿著使用者頭部輪廓的左方至右方的方向上的、多個(gè)彼此沒有電連接的腦電信號(hào)傳感器，每一列腦電信號(hào)傳感器彼此之間通過信號(hào)總線和電力總線連接在一起；本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知曉：在上述各“列”上，相鄰腦電信號(hào)傳感器之間的距離并不相同，除非使用者的頭部輪廓接近半球形。本發(fā)明中，使用者表示待采集腦電信號(hào)的對象，使用者頭部指的是使用者一般佩戴或穿戴干電極傳感器的區(qū)域，例如頭部發(fā)際線的區(qū)域。
其次，設(shè)置輔助腦電信號(hào)傳感器陣列：測量使用者頭部輪廓的前方至后方的方向上的、沿著使用者頭部的最長距離Lmax和最短距離Lmin；在第j列上的第i個(gè)所述腦電信號(hào)傳感器上，以朝向使用者頭頂中心的方向、距離為的位置，設(shè)置輔助腦電信號(hào)傳感器，其中與所述第j列上的第i個(gè)所述腦電信號(hào)傳感器相對應(yīng)的所述輔助腦電信號(hào)傳感器也被連接到所述信號(hào)總線上，Lj為第j列在沿著使用者頭部輪廓的前方至后方的方向上的長度，“||”表示取絕對值運(yùn)算，表示取上整數(shù)值；
所述初始腦電信號(hào)傳感器陣列和輔助腦電信號(hào)傳感器陣列中的各個(gè)腦電信號(hào)傳感器被通過硅膠定型成適合使用者戴在頭部的結(jié)構(gòu)。
設(shè)所述初始腦電信號(hào)傳感器陣列中的位于第i行第j列的腦電信號(hào)傳感器的輸出電壓為Vi,j(t)，t表示采集涉及的時(shí)間信息。
設(shè)所述初始腦電信號(hào)傳感器陣列中的位于第i行第j列的腦電信號(hào)傳感器對應(yīng)的輔助腦電信號(hào)傳感器的輸出電壓為Vi',j(t)。
(2)設(shè)置多個(gè)可編程放大器，所述各個(gè)可編程放大器與所述各個(gè)腦電信號(hào)傳感器一一對應(yīng)地連接，以根據(jù)各個(gè)可編程放大器的放大倍數(shù)放大各個(gè)腦電信號(hào)傳感器輸出的信號(hào)；在此步驟中，為所述初始腦電信號(hào)傳感器陣列和輔助腦電信號(hào)傳感器陣列中的每一個(gè)腦電信號(hào)傳感器設(shè)置可編程放大器。
(3)設(shè)置多個(gè)計(jì)數(shù)器，所述各個(gè)計(jì)數(shù)器與所述可編程放大器一一對應(yīng)，各個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為固定值且該固定值與其對應(yīng)的可編程放大器的序號(hào)；在此步驟中，為所述初始腦電信號(hào)傳感器陣列和輔助腦電信號(hào)傳感器陣列中的每一個(gè)腦電信號(hào)傳感器設(shè)置計(jì)數(shù)器，以標(biāo)識(shí)該腦電信號(hào)傳感器在整個(gè)初始腦電信號(hào)傳感器陣列和輔助腦電信號(hào)傳感器陣列中的所有腦電信號(hào)傳感器中的序號(hào)，該序號(hào)在整個(gè)初始腦電信號(hào)傳感器陣列和輔助腦電信號(hào)傳感器陣列中的所有腦電信號(hào)傳感器中為唯一值。為便于描述，將初始腦電信號(hào)傳感器陣列中腦電信號(hào)傳感器的總個(gè)數(shù)記作i×j，所述輔助腦電信號(hào)傳感器陣列中腦電信號(hào)傳感器的總個(gè)數(shù)記作i×j，則所述初始腦電信號(hào)傳感器陣列和輔助腦電信號(hào)傳感器陣列中腦電信號(hào)傳感器的總個(gè)數(shù)為2×i×j；
(4)設(shè)置無線傳輸單元，所述無線傳輸單元與各個(gè)所述可編程放大器的輸出端以及各個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出端相連接；
(5)所述無線傳輸單元將所述可編程放大器輸出的信號(hào)以及與該可編程放大器相對應(yīng)的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值以第一數(shù)組的形式無線地發(fā)送給腦電信號(hào)控制器；根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述可編程放大器可以包括阻值可編程的電阻器以及儀用放大器，其中阻值可編程的電阻器用于根據(jù)所述無線傳輸單元接收到的信號(hào)斷開或閉合，從而相應(yīng)地產(chǎn)生對輸入該可編程放大器的信號(hào)產(chǎn)生0倍放大(即該可編程放大器輸出端無輸出信號(hào))或產(chǎn)生根據(jù)所述無線傳輸單元接收到的信號(hào)進(jìn)行指定倍數(shù)的放大。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述阻值可編程的電阻器通過數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路再連接儀用放大器。
(6)經(jīng)過從第零時(shí)刻T0開始的多個(gè)工作周期，確定各腦電信號(hào)傳感器的工作狀態(tài)，并進(jìn)而在第二時(shí)刻T2時(shí)設(shè)置各個(gè)所述可編程放大器的放大倍數(shù)。
該步驟(6)優(yōu)選地包括：
(61)在第零時(shí)刻T0，假設(shè)各可編程放大器的放大倍數(shù)為第一放大倍數(shù)的集合，設(shè)序號(hào)為第k個(gè)腦電信號(hào)傳感器對應(yīng)相連的可編程放大器在該集合中的第一放大倍數(shù)為Ak；
(62)在所述第零時(shí)刻T0之后，經(jīng)過多個(gè)工作周期，其中1個(gè)工作周期包括步驟(5)的操作，當(dāng)?shù)竭_(dá)第一時(shí)刻T1時(shí)，腦電信號(hào)控制器存儲(chǔ)在第零時(shí)刻T0及其后的所述多個(gè)工作周期內(nèi)的初始腦電信號(hào)傳感器陣列和輔助腦電信號(hào)傳感器陣列中各個(gè)腦電信號(hào)傳感器的輸出經(jīng)過與其相對應(yīng)的可編程放大器的放大后的輸出值，并根據(jù)這些輸出值確定各腦電信號(hào)傳感器的工作狀態(tài)，然后根據(jù)所述腦電信號(hào)傳感器工作狀態(tài)，設(shè)置與各個(gè)腦電信號(hào)傳感器相對應(yīng)的可編程放大器的放大倍數(shù)為第二放大倍數(shù)的集合，設(shè)序號(hào)為第k個(gè)腦電信號(hào)傳感器對應(yīng)相連的可編程放大器在該集合中的第二放大倍數(shù)為A'k；該步驟具體包括：
首先，設(shè)在第零時(shí)刻T0之后到第一時(shí)刻T1之前共經(jīng)歷M個(gè)工作周期(例如，M＝3)，對于第零時(shí)刻T0之后的第T個(gè)工作周期，其中T大于1且T<M，所述初始腦電信號(hào)傳感器陣列中的位于第i行第j列的腦電信號(hào)傳感器的輸出電壓為所述初始腦電信號(hào)傳感器陣列中的位于第i行第j列的腦電信號(hào)傳感器對應(yīng)的輔助腦電信號(hào)傳感器的輸出電壓為
然后，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式與之間的關(guān)系，確定第i行第j列的腦電信號(hào)傳感器的工作狀態(tài)；若則認(rèn)為第i行第j列的腦電信號(hào)傳感器的工作狀態(tài)為工作正常狀態(tài)；否則為工作異常狀態(tài)，將第i行第j列的腦電信號(hào)傳感器相應(yīng)的可編程放大器的放大倍數(shù)設(shè)置為A'k，此后該腦電信號(hào)傳感器的工作狀態(tài)確定方式為：判斷
(63)在第一時(shí)刻T1之后又經(jīng)歷P個(gè)工作周期后到達(dá)的第二時(shí)刻T2(例如，P＝6)，所述腦電信號(hào)控制器根據(jù)腦電信號(hào)傳感器的工作狀態(tài)信息，設(shè)置各個(gè)所述可編程放大器的放大倍數(shù)，使之在下一個(gè)與T0至T2相等的時(shí)間段內(nèi)不變，然后重復(fù)步驟(61)-(63)，直到接收到腦電信號(hào)采集終止信號(hào)為止，其中T2>T1，且P為M的正整數(shù)倍。具體而言，該步驟包括：
若到達(dá)T2之前，每隔M個(gè)工作周期計(jì)算上述第i行第j列腦電信號(hào)傳感器的工作狀態(tài)，若到達(dá)第二時(shí)刻T2時(shí)，第i行第j列腦電信號(hào)傳感器的工作狀態(tài)為工作正常狀態(tài)的次數(shù)與之間的大小關(guān)系，若前者大于后者，則將第i行第j列的腦電信號(hào)傳感器對應(yīng)的可編程放大器的放大倍數(shù)恢復(fù)為T0時(shí)刻存儲(chǔ)的放大倍數(shù)；否則，將此腦電信號(hào)傳感器對應(yīng)的可編程放大器的放大倍數(shù)設(shè)置為0；
在上述設(shè)置可編程放大器的放大倍數(shù)期間，腦電信號(hào)控制器向所述無線傳輸單元發(fā)送這樣的第二數(shù)組，該第二數(shù)組包括多對數(shù)據(jù)，每對數(shù)據(jù)均包括以下兩部分?jǐn)?shù)據(jù)：
(1)第一部分?jǐn)?shù)據(jù)：腦電信號(hào)傳感器編號(hào)；
(2)第二部分?jǐn)?shù)據(jù)：與此編號(hào)對應(yīng)的腦電信號(hào)傳感器相對應(yīng)的可編程放大器的放大倍數(shù)。
當(dāng)所述無線傳輸單元接收到上述第二數(shù)組后，分別對其中的每一對數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：根據(jù)其中第一部分?jǐn)?shù)據(jù)，設(shè)置與該第一部分?jǐn)?shù)據(jù)對應(yīng)的腦電信號(hào)傳感器相對應(yīng)的可編程放大器的放大倍數(shù)為所述的一對數(shù)據(jù)中的第二部分?jǐn)?shù)據(jù)。
優(yōu)選地，所述腦電信號(hào)傳感器采用干電極傳感器。
優(yōu)選地，所述干電極傳感器采用美國Neurosky公司的ThinkGear AM芯片。
優(yōu)選地，所述可編程放大器的放大倍數(shù)為0-99。
優(yōu)選地，所述無線傳輸單元與腦電信號(hào)控制器之間通過藍(lán)牙芯片進(jìn)行通信。
優(yōu)選地，所述步驟(5)進(jìn)一步包括：所述無線傳輸單元在t時(shí)刻將各個(gè)所述可編程放大器輸出的信號(hào)以及與所述各個(gè)可編程放大器相對應(yīng)的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值以N個(gè)第一數(shù)組的形式，并將其中包括非零的所述可編程放大器輸出的信號(hào)的第一數(shù)組無線地發(fā)送給腦電信號(hào)控制器。
優(yōu)選地，所述1個(gè)工作周期包括一次步驟(5)的操作。
所述第一時(shí)刻T1與所述第零時(shí)刻T0之間間隔3-4個(gè)工作周期。
優(yōu)選地，所述藍(lán)牙芯片采用TI公司的BLUENRG-MS芯片。
優(yōu)選地，所述腦電信號(hào)傳感器工作狀態(tài)包括工作正常和工作異常兩種狀態(tài)。
優(yōu)選地，當(dāng)所述腦電信號(hào)傳感器工作狀態(tài)為工作正常狀態(tài)時(shí)，設(shè)置與各個(gè)腦電信號(hào)傳感器相對應(yīng)的可編程放大器的放大倍數(shù)為第一放大倍數(shù)的集合中的一個(gè)放大倍數(shù)；否則將其設(shè)置為0。
以上對于本發(fā)明的較佳實(shí)施例所作的敘述是為闡明的目的，而無意限定本發(fā)明精確地為所揭露的形式，基于以上的教導(dǎo)或從本發(fā)明的實(shí)施例學(xué)習(xí)而作修改或變化是可能的，實(shí)施例是為解說本發(fā)明的原理以及讓所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員以各種實(shí)施例利用本發(fā)明在實(shí)際應(yīng)用上而選擇及敘述，本發(fā)明的技術(shù)思想企圖由權(quán)利要求及其均等來決定。