本發(fā)明涉及腦電信號(hào)采集技術(shù)，具體涉及一種微型化低功耗腦電信號(hào)采集與無(wú)線傳輸設(shè)備。

背景技術(shù)：

腦電信號(hào)EEG(Electroencephalogram)的采集和研究為人類(lèi)獲取腦部信息、治療腦部疾病、幫助殘障人士的日常生活等各個(gè)領(lǐng)域的研究提供依據(jù)和基礎(chǔ)，而且對(duì)臨床醫(yī)學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、腦科學(xué)和信息學(xué)等各類(lèi)學(xué)科也有著深遠(yuǎn)的意義和影響。采集和研究動(dòng)物腦電信號(hào)是人們進(jìn)行腦科學(xué)研究常用的手段，因此，針對(duì)于動(dòng)物腦電信號(hào)采集設(shè)備一直以來(lái)也是人們研究的熱點(diǎn)。腦電信號(hào)主要頻率在0.5～100Hz，信號(hào)幅值范圍為5～300μV。由于μV級(jí)腦電信號(hào)相當(dāng)微弱，很容易被mV級(jí)外界干擾和內(nèi)部噪聲所淹沒(méi)。因此，微弱腦電信號(hào)采集過(guò)程中要保證足夠高的信號(hào)增益前提下有效地抑制外界干擾，而且對(duì)腦電采集設(shè)備體積、功耗和傳輸方式等方面也有很高的要求。

隨著人類(lèi)對(duì)腦電信號(hào)的研究逐步加深，能夠記錄實(shí)驗(yàn)動(dòng)物腦電信號(hào)的儀器儀表也越來(lái)越多。Iyad Obeid等人于2004年記錄清醒狀態(tài)下獼猴的單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)。目前生物腦電有線方式測(cè)量精度相對(duì)較高，但由于限制了動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)范圍，測(cè)量過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生導(dǎo)線纏繞或者被動(dòng)物撕咬等情況。無(wú)線方式可使動(dòng)物活動(dòng)范圍變大，但采集器受到了測(cè)量精度、帶寬、體積、重量和電池供電時(shí)間等因素的制約。目前，國(guó)外腦電信號(hào)采集技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，已生產(chǎn)多套完整的腦電采集系統(tǒng)。例如美國(guó)EGI公司、Neuroscan公司、德國(guó)Brain Products公司等生產(chǎn)的腦電采集系統(tǒng)精度最高可達(dá)到24nV，共模抑制比高達(dá)110dB。但是它們的價(jià)格非常昂貴，都在30萬(wàn)人民幣左右，而且體積和功耗都比較大。為了在保證系統(tǒng)高性能的前提下盡可能地降低功耗和體積，多年來(lái)各個(gè)研究團(tuán)隊(duì)或個(gè)人都在進(jìn)行不懈的努力。例如Hoof團(tuán)隊(duì)在2006年設(shè)計(jì)了信號(hào)采集芯片，在單端3V供電時(shí)功耗大約為300μW。2011年該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用在體征信號(hào)采集中的低電壓、低功耗的連續(xù)時(shí)間Sigma-Delta ADC，芯片以1.4V供電，功耗僅為13.3μW，但是尚未集成無(wú)線傳輸?shù)墓δ堋?/p>

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在下文中給出了關(guān)于本發(fā)明的簡(jiǎn)要概述，以便提供關(guān)于本發(fā)明的某些方面的基本理解。應(yīng)當(dāng)理解，這個(gè)概述并不是關(guān)于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的關(guān)鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是以簡(jiǎn)化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細(xì)描述的前序。

鑒于此，本發(fā)明提供了一種微型化低功耗腦電信號(hào)采集與無(wú)線傳輸設(shè)備，以至少解決現(xiàn)有的腦電信號(hào)采集技術(shù)存在的限制受測(cè)體活動(dòng)范圍、體積大和功耗大的問(wèn)題。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種微型化低功耗腦電信號(hào)采集與無(wú)線傳輸設(shè)備，微型化低功耗腦電信號(hào)采集與無(wú)線傳輸設(shè)備包括腦電信號(hào)采集模塊、存儲(chǔ)顯示模塊和無(wú)線充電模塊，無(wú)線充電模塊用于對(duì)腦電信號(hào)采集模塊和存儲(chǔ)顯示模塊進(jìn)行無(wú)線充電；腦電信號(hào)采集模塊包括針狀電極單元、信號(hào)調(diào)理電路單元、第一DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元和第一電源電路單元；存儲(chǔ)顯示模塊包括STM32F103RCT6微處理器單元、第一SD卡單元、第二SD卡單元、第二DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元、LCD顯示屏單元和第二電源電路單元；腦電信號(hào)采集模塊用于通過(guò)針狀電極單元采集腦電信號(hào)，將該腦電信號(hào)發(fā)送給信號(hào)調(diào)理電路單元進(jìn)行放大和濾波處理，并將經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路單元處理后的信號(hào)通過(guò)第一DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元輸出至存儲(chǔ)顯示模塊；其中，第一電源電路單元用于對(duì)信號(hào)調(diào)理電路單元和第一DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元供電；存儲(chǔ)顯示模塊用于通過(guò)第二DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元接收第一DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元輸出的信號(hào)，將該信號(hào)存儲(chǔ)到第一SD卡單元，并通過(guò)STM32F103RCT6微處理器單元對(duì)該信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，以將經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后的信號(hào)存儲(chǔ)到第二SD卡單元，通過(guò)LCD顯示屏單元顯示出來(lái)，其中，第二電源電路單元用于對(duì)STM32F103RCT6微處理器單元、第一SD卡單元、第二SD卡單元、第二DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元和LCD顯示屏單元供電。

進(jìn)一步地，第一DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元和第二DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元的結(jié)構(gòu)相同；其中，第一DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元采用DA14580芯片作為核心處理器件，DA14580芯片集成有ARM M0內(nèi)核、A/D轉(zhuǎn)換模塊和藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊，其中，DA14580芯片的22腳接收來(lái)至信號(hào)調(diào)理電路單元處理過(guò)腦電信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D之后通過(guò)自身集成的藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊傳輸至存儲(chǔ)顯示模塊；DA14580芯片的35腳經(jīng)由第二電感L2連接2.4G藍(lán)牙天線及第一電容的一端，第一電容的另一端接地；DA14580芯片的35腳還與第二電容的一端相連接，第二電容的另一端接地；DA14580芯片的11腳和12腳外接一個(gè)32.768KHz的晶振來(lái)為DA14580芯片內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供時(shí)鐘頻率；DA14580芯片的29腳和30腳外接16MHz高速晶振來(lái)為DA14580芯片提供時(shí)鐘；DA14580芯片的17腳是該芯片的復(fù)位引腳，且復(fù)位引腳連接復(fù)位按鍵，復(fù)位按鍵連接在第六電容的兩端，DA14580芯片的14腳連接第六電容的一端，第六電容的另一端連接第六電阻后接地；DA14580芯片的14腳還連接第七電阻的一端和第八電阻的一端，第七電阻的另一端連接DA14580芯片的27腳，而第八電阻的另一端連接DA14580芯片的28腳；第一電感和第七電容串聯(lián)后連接于DA14580芯片的21腳與地之間；DA14580芯片的3腳連接USB_8P芯片的7腳，DA14580芯片的26腳連接USB_8P芯片的6腳，DA14580芯片的6腳連接USB_8P芯片的5腳，DA14580芯片的25腳連接USB_8P芯片的4腳，DA14580芯片的14腳連接USB_8P芯片的2腳，DA14580芯片的14腳和15腳連接第八電容的一端和第九電容的一端，第八電容的另一端和第九電容的另一端連接DA14580芯片的16腳并且接地。

進(jìn)一步地，信號(hào)調(diào)理電路單元包括電極狀態(tài)檢測(cè)電路、無(wú)源濾波電路、一級(jí)放大電路、二級(jí)放大電路、低通濾波電路、驅(qū)動(dòng)電路、抑制工頻干擾電路和電平抬升電路；電極狀態(tài)檢測(cè)電路用于對(duì)針狀電極單元的連接狀態(tài)的檢測(cè)，電極狀態(tài)檢測(cè)電路包括有源低通濾波器，用于濾除針狀電極單元采集到的腦電信號(hào)中的高頻分量；無(wú)源濾波電路、一級(jí)放大電路、二級(jí)放大電路、低通濾波電路分別用于對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行無(wú)源濾波、一級(jí)放大、二級(jí)放大以及低通濾波處理；驅(qū)動(dòng)電路和抑制工頻干擾電路用于對(duì)該腦電信號(hào)進(jìn)行工頻干擾抑制和去噪；電平抬升電路用于對(duì)發(fā)送給第一DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元的信號(hào)進(jìn)行電平抬升，為使有效的信號(hào)能夠全部進(jìn)入到DA14580芯片(U1)內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

進(jìn)一步地，一級(jí)放大電路采用INA102芯片實(shí)現(xiàn)1000倍的的放大倍率，其共模抑制比大于或等于90dB，輸入阻抗達(dá)10¹⁰Ω；其中，INA102芯片的4腳連接7腳，5腳連接6腳；INA102芯片的14腳和15腳作為輸入端，接收經(jīng)過(guò)無(wú)源濾波電路處理過(guò)后的腦電信號(hào)；INA102芯片的12腳接+15V直流電壓，9腳接-15V直流電壓，10腳接地；INA102芯片的11腳連接第三電容的一端；第三電容的另一端作為輸出端，輸出至二級(jí)放大電路，并連接第一電阻的一端和第四電容的一端；第一電阻的另一端和第四電容的另一端接地；第十電容的一端和第十一電容的一端連接后接地，第十電容的另一端連接正電源電壓，而第十一電容的另一端連接負(fù)電源電壓。

進(jìn)一步地，二級(jí)放大電路采用OPA369芯片實(shí)現(xiàn)3倍放大倍率；其中，OPA369芯片的1腳連接第二電阻后作為輸入端，接收一級(jí)放大電路處理過(guò)的信號(hào)；OPA369芯片的2腳連接-VCC，5腳連接+VCC；OPA369芯片的3腳連接第三電阻后接地，4腳連接第四電阻后作為輸出端，輸出至低通濾波電路進(jìn)行后續(xù)的處理；第五電容和第五電阻并聯(lián)于OPA369芯片的3腳與4腳之間；第十二電容的一端和第十三電容的一端連接后接地，第十二電容的另一端連接正電源電壓，而第十三電容的另一端連接負(fù)電源電壓。

進(jìn)一步地，針狀電極單元包括基座、牙托水泥和電極，電極設(shè)于基座中，基座嵌入式設(shè)置于牙托水泥內(nèi)，牙托水泥具有測(cè)量接觸表面，測(cè)量接觸表面用于與受測(cè)對(duì)象的頭部接觸。

進(jìn)一步地，無(wú)線充電模塊采用磁共振式無(wú)線充電方式對(duì)腦電信號(hào)采集模塊和存儲(chǔ)顯示模塊進(jìn)行供電，采用以BQ25570芯片為核心的電源管理模塊作為接收端。

進(jìn)一步地，無(wú)線充電模塊包括磁共振發(fā)射電路和發(fā)射線圈；無(wú)線充電模塊外接供電電源，通過(guò)磁共振發(fā)射電路向發(fā)射線圈輸出高頻交流電，以在發(fā)射線圈和述第一電源電路單元中的接收線圈之間、以及在發(fā)射線圈和第二電源電路單元中的接收線圈之間形成磁場(chǎng)，來(lái)對(duì)第一電源電路單元中的以BQ25570芯片為核心電源管理模塊以及第二電源電路單元中的以BQ25570芯片為核心電源管理模塊進(jìn)行充電。

進(jìn)一步地，存儲(chǔ)顯示模塊還包括數(shù)字信號(hào)處理單元，數(shù)字信號(hào)處理單元通過(guò)快速中值濾波法對(duì)基線漂移進(jìn)行濾除、FastICA快速獨(dú)立成分分析對(duì)眼電偽跡進(jìn)行去除。

與現(xiàn)有的腦電信號(hào)采集設(shè)備相比，本發(fā)明具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)。(1)在整個(gè)腦電采集系統(tǒng)中，腦電采集模塊最終產(chǎn)品的大小約為25mm×25mm，重量為10g左右。微型化的腦電采集模塊能大大減輕對(duì)被試動(dòng)物頭部的壓迫，使對(duì)被試動(dòng)物的腦電采集更加準(zhǔn)確。存儲(chǔ)顯示模塊以及無(wú)線充電模塊也都采用小體積的器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，整體的體積也都比較小，具有良好的便攜性。從而整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)小體積便攜式。(2)腦電采集模塊中選用了DA14580、INA102、OPA369等超低功耗的器件，降低了腦電采集模塊的整體功耗，延長(zhǎng)了腦電采集模塊的工作時(shí)間，腦電信號(hào)采集模塊一次充電可工作時(shí)長(zhǎng)達(dá)15天左右，有助于對(duì)被試動(dòng)物進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的腦電采集。存儲(chǔ)顯示模塊采用了超低功耗器件DA14580作為藍(lán)牙模塊、miniSTM32F103作為處理器一定程度降低了存儲(chǔ)顯示模塊的功耗。整個(gè)腦電采集設(shè)備具有低功耗的特點(diǎn)。(3)腦電信號(hào)采集模塊與存儲(chǔ)顯示模塊之間通過(guò)DA14580芯片進(jìn)行無(wú)線藍(lán)牙通信，DA14580具有體積小、集成度高、功耗小的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)DA14580的應(yīng)用不僅能夠使腦電信號(hào)采集模塊和存儲(chǔ)顯示模塊的體積降低，而且腦電信號(hào)采集模塊與存儲(chǔ)顯示模塊之間能夠在10m左右的距離進(jìn)行信息的傳輸。(4)無(wú)線充電模塊同時(shí)給腦電信號(hào)采集模塊和存儲(chǔ)顯示模塊通過(guò)無(wú)線充電方式進(jìn)行供電，大大減少了系統(tǒng)的工頻噪聲的干擾并且能夠?qū)Ρ辉噭?dòng)物進(jìn)行遠(yuǎn)距離長(zhǎng)時(shí)間的腦電信號(hào)采集。

本發(fā)明的微型化低功耗腦電信號(hào)采集與無(wú)線傳輸設(shè)備，能夠提高腦電信號(hào)采集系統(tǒng)的精度和抗干擾能力，采用高信噪比的器件，并且采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞絹?lái)減少工頻噪聲的引入。在腦電采集設(shè)備的體積和功耗方面，選用超低功耗、超小封裝的高精密器件。本發(fā)明的上述設(shè)備能夠降低系統(tǒng)的體積和功耗，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，選用DA14580作為核心處理器件。DA14580具有體積小、集成度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，使整個(gè)系統(tǒng)更加小型化、低功耗化。而且DA14580集成了ARM M0內(nèi)核、A/D轉(zhuǎn)換模塊、藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊等，能夠大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

本發(fā)明的微型化低功耗腦電信號(hào)采集與無(wú)線傳輸設(shè)備具有小型化、低功耗化、無(wú)線化等特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明可以通過(guò)參考下文中結(jié)合附圖所給出的描述而得到更好的理解，其中在所有附圖中使用了相同或相似的附圖標(biāo)記來(lái)表示相同或者相似的部件。所述附圖連同下面的詳細(xì)說(shuō)明一起包含在本說(shuō)明書(shū)中并且形成本說(shuō)明書(shū)的一部分，而且用來(lái)進(jìn)一步舉例說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例和解釋本發(fā)明的原理和優(yōu)點(diǎn)。在附圖中：

圖1A是本發(fā)明的微型化低功耗腦電信號(hào)采集與無(wú)線傳輸設(shè)備的一個(gè)示例的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖；

圖1B是本發(fā)明的DA14580電路原理圖；

圖2A是信號(hào)調(diào)理電路單元的一種可能結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖2B是一級(jí)放大電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2C是二級(jí)放大電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是針狀電極單元的一種可能結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖4是無(wú)線充電模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是ICA獨(dú)立分量分析的原理圖。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，附圖中的元件僅僅是為了簡(jiǎn)單和清楚起見(jiàn)而示出的，而且不一定是按比例繪制的。例如，附圖中某些元件的尺寸可能相對(duì)于其他元件放大了，以便有助于提高對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的理解。

具體實(shí)施方式

在下文中將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的示范性實(shí)施例進(jìn)行描述。為了清楚和簡(jiǎn)明起見(jiàn)，在說(shuō)明書(shū)中并未描述實(shí)際實(shí)施方式的所有特征。然而，應(yīng)該了解，在開(kāi)發(fā)任何這種實(shí)際實(shí)施例的過(guò)程中必須做出很多特定于實(shí)施方式的決定，以便實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)人員的具體目標(biāo)，例如，符合與系統(tǒng)及業(yè)務(wù)相關(guān)的那些限制條件，并且這些限制條件可能會(huì)隨著實(shí)施方式的不同而有所改變。此外，還應(yīng)該了解，雖然開(kāi)發(fā)工作有可能是非常復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的，但對(duì)得益于本公開(kāi)內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，這種開(kāi)發(fā)工作僅僅是例行的任務(wù)。

在此，還需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，為了避免因不必要的細(xì)節(jié)而模糊了本發(fā)明，在附圖中僅僅示出了與根據(jù)本發(fā)明的方案密切相關(guān)的裝置結(jié)構(gòu)和/或處理步驟，而省略了與本發(fā)明關(guān)系不大的其他細(xì)節(jié)。

本發(fā)明提供了一種微型化低功耗腦電信號(hào)采集與無(wú)線傳輸設(shè)備，微型化低功耗腦電信號(hào)采集與無(wú)線傳輸設(shè)備包括腦電信號(hào)采集模塊、存儲(chǔ)顯示模塊和無(wú)線充電模塊，無(wú)線充電模塊用于對(duì)腦電信號(hào)采集模塊和存儲(chǔ)顯示模塊進(jìn)行無(wú)線充電；腦電信號(hào)采集模塊包括針狀電極單元、信號(hào)調(diào)理電路單元、第一DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元和第一電源電路單元；存儲(chǔ)顯示模塊包括STM32F103RCT6微處理器單元、第一SD卡單元、第二SD卡單元、第二DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元、LCD顯示屏單元和第二電源電路單元；腦電信號(hào)采集模塊用于通過(guò)針狀電極單元采集腦電信號(hào)，將該腦電信號(hào)發(fā)送給信號(hào)調(diào)理電路單元進(jìn)行放大和濾波處理，并將經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路單元處理后的信號(hào)通過(guò)第一DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元輸出至存儲(chǔ)顯示模塊；其中，第一電源電路單元用于對(duì)信號(hào)調(diào)理電路單元和第一DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元供電；存儲(chǔ)顯示模塊用于通過(guò)第二DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元接收第一DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元輸出的信號(hào)，將該信號(hào)存儲(chǔ)到第一SD卡單元，并通過(guò)STM32F103RCT6微處理器單元對(duì)該信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，以將經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后的信號(hào)存儲(chǔ)到第二SD卡單元，通過(guò)LCD顯示屏單元顯示出來(lái)，其中，第二電源電路單元用于對(duì)STM32F103RCT6微處理器單元、第一SD卡單元、第二SD卡單元、第二DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元和LCD顯示屏單元供電。

下面結(jié)合圖1A來(lái)描述本發(fā)明的微型化低功耗腦電信號(hào)采集與無(wú)線傳輸設(shè)備的一種示例結(jié)構(gòu)。

如圖1A所示，微型化低功耗腦電信號(hào)采集與無(wú)線傳輸設(shè)備包括腦電信號(hào)采集模塊1、存儲(chǔ)顯示模塊2和無(wú)線充電模塊3，無(wú)線充電模塊3用于對(duì)腦電信號(hào)采集模塊1和存儲(chǔ)顯示模塊2進(jìn)行無(wú)線充電。

腦電信號(hào)采集模塊1包括針狀電極單元11、信號(hào)調(diào)理電路單元12、第一DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元13和第一電源電路單元14。第一電源電路單元14用于給信號(hào)調(diào)理電路單元12、第一DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元13供電。

存儲(chǔ)顯示模塊2包括STM32F103RCT6微處理器單元21、第一SD卡單元22、第二SD卡單元23、第二DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元24、LCD顯示屏單元25和第二電源電路單元26。

腦電信號(hào)采集模塊1用于通過(guò)針狀電極單元11采集腦電信號(hào)，將該腦電信號(hào)發(fā)送給信號(hào)調(diào)理電路單元12進(jìn)行放大和濾波處理，并將經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路單元12處理后的信號(hào)通過(guò)第一DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元13輸出至存儲(chǔ)顯示模塊2。

存儲(chǔ)顯示模塊2用于通過(guò)第二DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元24接收第一DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元13輸出的信號(hào)，將該信號(hào)存儲(chǔ)到第一SD卡單元22，并通過(guò)STM32F103RCT6微處理器單元21對(duì)該信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，以將經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后的信號(hào)存儲(chǔ)到第二SD卡23、通過(guò)LCD顯示屏單元25顯示出來(lái)，其中，第二電源電路單元26用于對(duì)STM32F103RCT6微處理器單元21、第一SD卡單元22、第二SD卡23、第二DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元24和LCD顯示屏單元25供電。

根據(jù)一種實(shí)現(xiàn)方式，存儲(chǔ)顯示模塊2還包括數(shù)字信號(hào)處理單元，數(shù)字信號(hào)處理單元通過(guò)快速中值濾波法對(duì)基線漂移進(jìn)行濾除、FastICA快速獨(dú)立成分分析對(duì)眼電偽跡進(jìn)行去除。其中，數(shù)字信號(hào)處理單元所執(zhí)行的上述“通過(guò)快速中值濾波法對(duì)基線漂移進(jìn)行濾除、FastICA快速獨(dú)立成分分析對(duì)眼電偽跡進(jìn)行去除”的處理例如可以參考下文中在優(yōu)選實(shí)施例的“2.1數(shù)字信號(hào)處理部分”中所描述的內(nèi)容。

根據(jù)一種實(shí)現(xiàn)方式，如圖1B所示，第一DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元13和第二DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元24的結(jié)構(gòu)相同；其中，第一DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元13采用DA14580芯片U1作為核心處理器件，DA14580芯片U1集成有ARM Cortex M0內(nèi)核、A/D轉(zhuǎn)換模塊和藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊，其中，DA14580芯片U1的22腳接收來(lái)至信號(hào)調(diào)理電路單元處理過(guò)腦電信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D之后通過(guò)自身集成的藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊傳輸至存儲(chǔ)顯示模塊；DA14580芯片U1的35腳經(jīng)由第二電感L2(例如為2.2μH)連接2.4G藍(lán)牙天線A1及第一電容C83的一端，第一電容C83(例如為10pF)的另一端接地；DA14580芯片U1的35腳還與第二電容C89(例如為10pF)的一端相連接，第二電容C89的另一端接地；DA14580芯片U1的11腳和12腳外接一個(gè)32.768KHz的晶振CRY2來(lái)為DA14580芯片U1內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供時(shí)鐘頻率；DA14580芯片U1的29腳和30腳外接16MHz高速晶振CRY1來(lái)為DA14580芯片U1提供時(shí)鐘；DA14580芯片U1的17腳是該芯片的復(fù)位引腳，且復(fù)位引腳連接復(fù)位按鍵，復(fù)位按鍵連接在第六電容C4(例如為10μF)的兩端，DA14580芯片U1的14腳連接第六電容C4的一端，第六電容C4的另一端連接第六電阻R14(例如為4.7kΩ)后接地；DA14580芯片U1的14腳還連接第七電阻R15(例如為10kΩ)的一端和第八電阻R16(例如為10kΩ)的一端，第七電阻R15的另一端連接DA14580芯片U1的27腳，而第八電阻R16的另一端連接DA14580芯片U1的28腳；第一電感L1(例如為2.2μH)和第七電容C14串聯(lián)后連接于DA14580芯片U1的21腳與地之間。此外，DA14580芯片U1的3腳連接USB_8P芯片U5的7腳，DA14580芯片U1的26腳連接USB_8P芯片U5的6腳，DA14580芯片U1的6腳連接USB_8P芯片U5的5腳，DA14580芯片U1的25腳連接USB_8P芯片U5的4腳，DA14580芯片U1的14腳連接USB_8P芯片U5的2腳。此外，DA14580芯片U1的14腳和15腳連接第八電容C16的一端和第九電容C17的一端，第八電容C16的另一端和第九電容C17的另一端連接DA14580芯片U1的16腳并且接地。

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

其中，V_BLE表示電源，U5為SWD在線調(diào)試方式，還用于程序下載。圖中多處電容旁的標(biāo)記“105”是表示該電容值例如為10×10⁵pF。需要說(shuō)明的是，以上舉例的各個(gè)參數(shù)僅用于示例，而不局限于所舉具體數(shù)值，也可以是其他合理數(shù)值。

根據(jù)一種實(shí)現(xiàn)方式，如圖2A所示，信號(hào)調(diào)理電路單元12例如包括電極狀態(tài)檢測(cè)電路12-1、無(wú)源濾波電路12-2、一級(jí)放大電路12-3、二級(jí)放大電路12-4、低通濾波電路12-5、驅(qū)動(dòng)電路12-6、抑制工頻干擾電路12-7和電平抬升電路12-8。

電極狀態(tài)檢測(cè)電路12-1用于對(duì)針狀電極單元11的連接狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如果電極接觸良好，采集到有效信號(hào)，輸入會(huì)小于設(shè)定的閾值，認(rèn)為電極連接狀態(tài)正常，可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)輸入的幅度大于設(shè)定的閾值，會(huì)判定為電極脫落，要重新采集，而且能夠?yàn)V除針狀電極單元11采集到的腦電信號(hào)中的高頻分量(如通過(guò)電極狀態(tài)檢測(cè)電路中包括的有源低通濾波器)。無(wú)源濾波電路12-2、一級(jí)放大電路12-3、二級(jí)放大電路12-4、低通濾波電路12-5分別用于對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行無(wú)源濾波、一級(jí)放大、二級(jí)放大以及低通濾波處理。驅(qū)動(dòng)電路12-6和抑制工頻干擾電路12-7用于對(duì)該腦電信號(hào)進(jìn)行工頻干擾抑制和去噪。電平抬升電路12-8用于對(duì)采集處理過(guò)后的腦電信號(hào)進(jìn)行電平抬升，為使有效的信號(hào)能夠全部進(jìn)入第一DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元13。而且為了防止后級(jí)電路驅(qū)動(dòng)能力不足，腦電信號(hào)在電平抬升后，加上了電壓跟隨器，來(lái)提高后級(jí)電路的帶負(fù)載能力。

根據(jù)一種實(shí)現(xiàn)方式，如圖2B所示，一級(jí)放大電路12-3采用INA102芯片G1實(shí)現(xiàn)1000倍的的放大倍率，其共模抑制比大于或等于90dB，輸入阻抗達(dá)10¹⁰Ω；其中，INA102芯片G1的4腳連接7腳，5腳連接6腳；INA102芯片G1的14腳和15腳作為輸入端，接收經(jīng)過(guò)無(wú)源濾波電路處理過(guò)后的腦電信號(hào)；INA102芯片G1的12腳接+15V直流電壓，9腳接-15V直流電壓，10腳接地；INA102芯片G1的11腳連接第三電容C6(例如為1.2uF)的一端；第三電容C6的另一端作為輸出端(圖中output端)，輸出至二級(jí)放大電路，并連接第一電阻R9(例如為1MΩ)的一端和第四電容C7(例如為220pF)的一端；第一電阻R9的另一端和第四電容C7的另一端接地；第十電容C8的一端和第十一電容C9的一端連接后接地，第十電容C8的另一端連接正電源電壓VCC，而第十一電容C9的另一端連接負(fù)電源電壓-VCC。其中，第十電容C8和第十一電容C9的作用為吸收高頻噪聲，以減少噪聲干擾。圖中C8和C9旁邊的標(biāo)記“104”是表示其電容值例如為10×10⁴pF。此外，圖中inputR端連接INA102芯片G1的15腳，inputG端連接INA102芯片G1的14腳。

根據(jù)一種實(shí)現(xiàn)方式，如圖2C所示，二級(jí)放大電路12-4采用OPA369芯片G2實(shí)現(xiàn)3倍放大倍率；其中，OPA369芯片G2的1腳連接第二電阻R10(例如為0歐電阻)后作為輸入端，接收一級(jí)放大電路處理過(guò)的信號(hào)；OPA369芯片G2的2腳連接-VCC，5腳連接+VCC；OPA369芯片G2的3腳連接第三電阻R13(例如為25kΩ)后接地，4腳連接第四電阻R11(例如為0歐電阻)后作為輸出端，輸出至低通濾波電路進(jìn)行后續(xù)的處理；第五電容C10和第五電阻R12(例如為59kΩ)并聯(lián)于OPA369芯片G2的3腳與4腳之間；第十二電容C11的一端和第十三電容C12的一端連接后接地，第十二電容C11的另一端連接正電源電壓VCC，而第十三電容C12的另一端連接負(fù)電源電壓-VCC。其中，第十二電容C11和第十三電容C12的作用為吸收高頻噪聲，以減少噪聲干擾。圖中C11和C12旁的“104”表示其電容值例如為10×10⁴pF。

根據(jù)一種實(shí)現(xiàn)方式，低通濾波電路12-5采用四階低通濾波器，該四階低通濾波器通過(guò)兩個(gè)二階低通濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)；其中，兩個(gè)二階低通濾波器的參數(shù)不同。

此外，根據(jù)一種實(shí)現(xiàn)方式，電平抬升電路12-8可利用+5V直流電壓、通過(guò)電阻分壓方式獲得+0.6V的直流電壓，以將經(jīng)過(guò)濾波、放大后的腦電信號(hào)經(jīng)過(guò)加法器與+0.6V的直流電壓疊加；電平抬升電路12-8還包括電壓跟隨器。

如圖3所示，針狀電極單元11例如包括基座11-1、牙托水泥11-2和電極11-3，電極11-3設(shè)于基座11-1中，基座11-1嵌入式設(shè)置于牙托水泥11-2內(nèi)，牙托水泥11-2具有測(cè)量接觸表面，測(cè)量接觸表面用于與受測(cè)對(duì)象的頭部接觸。在實(shí)際應(yīng)用中，針狀電極單元例如還可以包括諸如注射針筒的結(jié)構(gòu)，如可以將基座與注射針筒相連接，電極貫穿基座并置于注射針筒內(nèi)，與注射針筒內(nèi)的推桿連接，進(jìn)而可以通過(guò)手動(dòng)操作推桿來(lái)控制電極的推進(jìn)與拔出。針狀電極單元例如采用雙極導(dǎo)聯(lián)的方式采集腦電信號(hào)，以紅綠電極構(gòu)成測(cè)量回路。

根據(jù)一種實(shí)現(xiàn)方式，無(wú)線充電模塊3可以采用磁共振式無(wú)線充電方式對(duì)腦電信號(hào)采集模塊1和存儲(chǔ)顯示模塊2進(jìn)行供電，采用以BQ25570芯片為核心的電源管理模塊作為接收端。圖4示意性地示出了無(wú)線充電模塊的充電原理。其中，無(wú)線充電模塊3包括圖4所示的磁共振發(fā)射電路和發(fā)射線圈，而第一電源電路單元14和第二電源電路單元26中的每一個(gè)均包括圖4所示的接收線圈和以BQ25570芯片為核心電源管理模塊。如圖4所示，無(wú)線充電模塊3連接供電電源，這樣，磁共振發(fā)射電路向發(fā)射線圈輸出高頻交流電，在發(fā)射線圈和接收線圈之間形成磁場(chǎng)(也即，在發(fā)射線圈和第一電源電路單元14中的接收線圈之間、以及在發(fā)射線圈和第二電源電路單元26中的接收線圈之間分別形成磁場(chǎng))，進(jìn)而通過(guò)接收線圈對(duì)第一電源電路單元14和第二電源電路單元26中的以BQ25570芯片為核心電源管理模塊進(jìn)行充電。

本發(fā)明的微型化低功耗腦電信號(hào)采集與無(wú)線傳輸設(shè)備安置在被測(cè)對(duì)象的頭部，采集者可以在適當(dāng)距離接收采集到的腦電信號(hào)。

優(yōu)選實(shí)施例

1.制作腦電信號(hào)采集模塊

信號(hào)調(diào)理單元(即上文所述的信號(hào)調(diào)理電路單元12)包括多級(jí)濾波電路、多級(jí)放大電路、驅(qū)動(dòng)電路、抑制工頻干擾電路等。信號(hào)調(diào)理單元對(duì)腦電信號(hào)的采集、放大、濾波起到非常重要的作用。腦電信號(hào)采集模塊中，首先通過(guò)電極采集到腦電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，獲得比較純凈的腦電信號(hào)。通過(guò)對(duì)比放大電路、濾波電路的功能和特性，選擇具有較高共模抑制比、抗干擾能力強(qiáng)、低功耗、小封裝形式的器件組成的信號(hào)調(diào)理電路對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行初步的處理工作。獲得相對(duì)純凈的腦電信號(hào)，并且使信號(hào)放大到一定的程度方便后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換、無(wú)線傳輸?shù)裙ぷ鞯倪M(jìn)行。DA14580的主要功能包括：對(duì)采集到腦電信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、控制藍(lán)牙模塊將處理后的腦電信號(hào)通過(guò)DA14580自身集成的藍(lán)牙模塊無(wú)線傳輸?shù)酱鎯?chǔ)顯示模塊進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。

(1)針狀電極：本實(shí)施例選用一種推入式針狀電極，包括基座、牙托水泥、電極等，電極插入到需要采集的腦部特定位置。針狀電極雖然在一定程度上會(huì)對(duì)被試動(dòng)物腦組織造成損傷，但針狀電極有捕獲信號(hào)分辨率高、采集到的信號(hào)具有較高的信噪比等優(yōu)點(diǎn)。采用雙極導(dǎo)聯(lián)的方式采集腦電信號(hào)，紅綠電極構(gòu)成測(cè)量回路，分別為R-L、G-L。

(2)電極狀態(tài)檢測(cè)電路：電極狀態(tài)檢測(cè)電路加入了具有放大功能的有源低通濾波器，其目的在于濾除信號(hào)中的高頻分量，防止比較器誤輸出，造成系統(tǒng)誤判現(xiàn)象。如果電極接觸良好，采集到有效信號(hào)，輸入會(huì)小于設(shè)定的閾值，認(rèn)為電極連接狀態(tài)正常，可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)輸入的幅度大于設(shè)定的閾值，會(huì)判定為電極脫落，要重新采集。

(3)無(wú)源濾波電路：無(wú)源濾波電路由緩存濾波電路和無(wú)源高通濾波電路組成。采集的腦電信號(hào)首先要經(jīng)過(guò)緩沖濾波電路，緩沖濾波電路是通過(guò)抑制過(guò)沖電流和過(guò)沖電壓起到保護(hù)電路的作用。采用無(wú)源高通濾波電路消除來(lái)自電極的mV級(jí)極化電壓的干擾，以提高整個(gè)電路的共模抑制比。無(wú)源高通濾波電路由阻容耦合電路組成。其中包括磁珠，它有吸收靜電脈沖的功能，并且可以起到減少信號(hào)線上尖峰噪聲和高頻干擾的功效。

(4)一級(jí)放大電路：采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后，由于腦電信號(hào)十分微弱，其幅度范圍在20μV～200μV之間，所以至少要將信號(hào)放大上千倍才能采集到腦電信號(hào)。本系統(tǒng)中采用分級(jí)放大方式，如果只一級(jí)放大很容易使前置放大器飽和。一級(jí)放大為1000倍，選用INA102，它的共模抑制比為90dB以上，輸入阻抗高達(dá)10¹⁰Ω。INA102具有低功耗小體積的特性，靜態(tài)電流小于等于750μA，最小外型為3.61x 2.64mm。

(5)二級(jí)放大電路：二級(jí)放大電路選用的是OPA369，放大倍數(shù)3。

放大倍數(shù)計(jì)算公式為：OPA369為超低功耗、超小體積運(yùn)算放大器，靜態(tài)電流小于等于250μA，最小外形1.8×1.85mm。

(6)低通濾波電路：由于無(wú)源濾波后的信號(hào)仍然存在高頻噪聲，而且腦電信號(hào)頻率范圍集中在低頻段，所以需要設(shè)計(jì)低通濾波器將高頻噪聲濾除。考慮到濾波器均存在過(guò)渡帶寬，為使濾波效果更為理想，通過(guò)級(jí)聯(lián)多個(gè)濾波器來(lái)提高濾波器的階數(shù)，從而使過(guò)渡帶寬變窄。本系統(tǒng)采用四階的低通濾波器，該濾波器是通過(guò)兩個(gè)二階低通濾波器級(jí)聯(lián)得到。這兩個(gè)二階低通濾波器沒(méi)有采用相同的參數(shù)以獲得較好的衰減特性。由于本系統(tǒng)已有放大電路，所以在本電路中將放大倍數(shù)設(shè)置為1。

(7)電平抬升電路：放大后的腦電信號(hào)為雙極性，幅值在-0.6V～0.6V之間，而本系統(tǒng)采用的DA14580所集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓輸入范圍在0～1.2V之間，且輸入為單極性，所以為滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器的需求，需要將信號(hào)進(jìn)行抬升。為使有效的信號(hào)能夠全部進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，本系統(tǒng)將+5V電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓得到約+0.6V的電壓。濾波、放大后的腦電信號(hào)經(jīng)過(guò)加法器與+0.6V直流電壓疊加。為了防止后級(jí)電路驅(qū)動(dòng)能力不足，腦電信號(hào)在電平抬升后，加上了電壓跟隨器，來(lái)提高后級(jí)電路的帶負(fù)載能力。

(8)DA14580：為了降低系統(tǒng)的體積和功耗，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，采用DA14580作為核心處理器件。DA14580具有體積小、集成度高、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，使整個(gè)系統(tǒng)更加小型化、低功耗。而且DA14580集成了ARM處理芯片、A/D轉(zhuǎn)換模塊、藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊等，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜度。DA14580的主要功能包括：對(duì)采集到腦電信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、控制藍(lán)牙模塊將處理后的腦電信號(hào)無(wú)線傳輸?shù)酱鎯?chǔ)顯示模塊進(jìn)行顯示。A1為2.4G藍(lán)牙天線，與芯片的35腳連接，其中第二電感L2和電容C83、C89起到匹配阻抗的作用，以獲得最大的無(wú)線傳輸功率，11和12腳外接一個(gè)32.768KHz的晶振為芯片內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供時(shí)鐘頻率，29和30腳外接16MHz高速晶振為芯片提供時(shí)鐘，17腳是芯片的復(fù)位引腳。

2.存儲(chǔ)顯示模塊

存儲(chǔ)顯示模塊包括STM32F103RCT6微處理器單元(單片機(jī))21、第一SD卡單元22、第二SD卡單元23、第二DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元24、LCD顯示屏單元25和第二電源電路單元26。

腦電信號(hào)的頻段主要集中在低頻段，與許多生理信號(hào)和非生理信號(hào)的頻段相重合，極易受到脈沖、工頻和其他白噪聲的影響。只用模擬濾波器很難達(dá)到理想的濾波效果。因此，采用存儲(chǔ)顯示模塊的STM32F103RCT6微處理器對(duì)接收到的腦電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波技術(shù)處理。主要濾除基線漂移、50Hz工頻和眼電偽跡等噪聲。腦電信號(hào)采集模塊對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行采集、放大、去噪等，然后以數(shù)組的形式將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙同步到存儲(chǔ)顯示模塊，存儲(chǔ)顯示模塊將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到第一SD卡單元，然后通過(guò)STM32F103RCT6微處理器對(duì)接收到的腦電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后的信號(hào)存儲(chǔ)到第二SD卡單元，最后通過(guò)液晶顯示屏進(jìn)行腦電波的顯示。

(1)STM32F103RCT6微處理器是存儲(chǔ)顯示模塊的核心部分，所有的運(yùn)算和控制功能都由STM32微處理器來(lái)完成，本發(fā)明使用的微處理器為STM32F103RCT6屬于大容量的單片機(jī)，總共有51個(gè)GPIO，為了方便和其它傳感器模塊連接將所有GPIO全部通過(guò)排針引出。單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括復(fù)位電路，時(shí)鐘電路以及供電電路等。通過(guò)STM32微處理器的3、4腳和5、6腳分別外接32.768KHz和8MHz的晶振為單片機(jī)的內(nèi)部RTC和STM32微處理器提供時(shí)鐘源。

(2)SD卡主要用于存儲(chǔ)腦電信號(hào)。存儲(chǔ)顯示模塊除了需要完成對(duì)腦電信號(hào)的接收和顯示之外還需要對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存儲(chǔ)，因此存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)也是存儲(chǔ)顯示模塊的一個(gè)重要組成部分，整個(gè)SD卡電路分別有4GB的高速SDHC卡和8MB的FLASH存儲(chǔ)芯片組成，SD卡主要用于對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)單片機(jī)系統(tǒng)所需的一些中文字庫(kù)等。

(3)為了更好的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，顯示電路和按鍵指示燈電路也是存儲(chǔ)顯示模塊的硬件設(shè)計(jì)的重要組成部分。

下面，從兩方面來(lái)詳細(xì)描述存儲(chǔ)顯示模塊。

2.1數(shù)字信號(hào)處理部分

腦電信號(hào)的幅值十分微弱，只用模擬濾波器很難達(dá)到理想的濾波效果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和IC產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)字濾波既可以用軟件實(shí)現(xiàn)，也可以用數(shù)字硬件實(shí)現(xiàn)。數(shù)字濾波技術(shù)便于集成，復(fù)用性強(qiáng)，精度高，可靠性高且有可程控改變特性。針對(duì)本發(fā)明整體的特點(diǎn)以及信號(hào)調(diào)理單元的處理，傳輸?shù)酱鎯?chǔ)顯示模塊的腦電信號(hào)主要含有(生理偽跡)眼電偽跡和(非生理偽跡)基線漂移等噪聲。數(shù)字信號(hào)處理部分主要通過(guò)STM32F103RCT6微處理器對(duì)腦電信號(hào)中夾雜的眼電偽跡和基線漂移進(jìn)行濾除。

(1)去除眼電偽跡

對(duì)于時(shí)變敏感性很強(qiáng)的腦電信號(hào)，在采集時(shí)很容易受到被試動(dòng)物眼部運(yùn)動(dòng)、肌肉和心臟噪音等生理偽跡的影響。其中，眼電偽跡是主要的干擾信號(hào)，并且在實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求被試動(dòng)物一直保持靜止或避免眨眼是不可能的，因此，眼電偽跡會(huì)隨機(jī)地出現(xiàn)在腦電信號(hào)中。由于眼電信號(hào)的頻率較低，和腦電信號(hào)頻譜相重合，所以利用傳統(tǒng)的濾波算法無(wú)法去除眼電偽跡。ICA獨(dú)立分量分析方法能夠有效的從混合信號(hào)中提取具有統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性的成分。而眼電信號(hào)和腦電信號(hào)可以被認(rèn)為是不同的信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)，即它們是相互獨(dú)立的。因此本發(fā)明采用ICA方法濾除采集到的腦電信號(hào)中的眼電偽跡?？紤]到算法的計(jì)算效率，采用計(jì)算效率較高的基于負(fù)熵的快速獨(dú)立分量分析算法(FastICA)對(duì)采集到的腦電信號(hào)進(jìn)行分解。

ICA獨(dú)立分量分析是一種盲源分離的處理方法，其原理如圖5所示。觀測(cè)信號(hào)X是多個(gè)信源S經(jīng)混合矩陣A組合而成，即X＝AS。在S和A都不知道的前提下，通過(guò)對(duì)混合信號(hào)X分離得出目標(biāo)信號(hào)Y。圖5中W是解混矩陣，并且Y＝WX。獨(dú)立成分分析的關(guān)鍵是要得到W矩陣，使目標(biāo)信號(hào)Y盡可能的逼近觀測(cè)信號(hào)X。所以，需選取適當(dāng)?shù)腇(W)作為目標(biāo)函數(shù)，然后求得W使函數(shù)達(dá)到極值點(diǎn)。

為降低計(jì)算的復(fù)雜度，先要對(duì)含眼電偽跡的腦電信號(hào)X(t)進(jìn)行球化處理，球化算法如下：通過(guò)R_X＝E[XX^T]，即X的協(xié)方差矩陣對(duì)角化可以求得球化矩陣C。由于R_X為實(shí)對(duì)稱(chēng)矩陣，一定有正交陣V，讓VR_XV^T＝D，V的行向量是R_x的特征矩陣，R_x的特征值λ_i組成的對(duì)角陣是D，所以球化陣C＝D^1/2V。球化處理可以使各分量間更為獨(dú)立，這樣可以使獨(dú)立成分分析算法對(duì)信號(hào)分離得到更為理想的效果。

ICA獨(dú)立分量分析算法的核心就是要求得分離矩陣W，從而將觀測(cè)信號(hào)分離為多個(gè)獨(dú)立分量。因此，要求得分離矩陣W就要建立合適的目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建和W矩陣的求解過(guò)程如下：首先，要將觀測(cè)信號(hào)分離為獨(dú)立分量。STM32F103RCT6微處理器判斷分離成分間獨(dú)立性是用非高斯性度量法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。FastICA通常采用負(fù)熵來(lái)度量非高斯性，其熵H定義：

H(y)＝-∫p_y(η)log p_y(η)dη (1)

并且，在具有相同方差的所有隨機(jī)變量中，高斯變量具有最大的熵。為了導(dǎo)出合理的非高斯性度量，使其為非負(fù)的量值，采用負(fù)熵的量來(lái)度量非高斯性。負(fù)熵的量為：

J(y)＝H(y_gauss)-H(y) (2)

在式(2)中，y_gauss和y存在同樣的相關(guān)矩陣的高斯隨機(jī)向量，即J(y)一直為非負(fù)值。只有y是高斯分布的時(shí)候值才是0。本發(fā)明可采用最大熵原理的負(fù)熵近似形式：

J(y)＝[E{G(y)}-E{G(v)}]² (3)

在(3)式中G為任意的非二次函數(shù)，v是具有零均值和單位方差的高斯變量。

為了得到更為理想的負(fù)熵近似需要選擇合適的G，通過(guò)選取適當(dāng)?shù)腉可以得到較好的，并且選擇隨自變量增長(zhǎng)不是太快的函數(shù)G，可以得到更為魯棒的估計(jì)。因此選取函數(shù)G(y)＝-exp(-y²/2)。

基于負(fù)熵的快速獨(dú)立成分分析算法即是尋找非高斯性最大值的不動(dòng)點(diǎn)迭代方法。進(jìn)行算法迭代時(shí)首先選擇一個(gè)非線性函數(shù)g，即式中G的導(dǎo)數(shù)，x經(jīng)過(guò)球化處理，w為輸入向量的權(quán)矢量，則y＝w^Tx。J(y)的最大值在E{G(w^Tx)}的某個(gè)最優(yōu)解處得到。根據(jù)KμHn-Tucker條件E{(w^Tx)²}＝||w||²＝1，E{G(w^Tx)}最優(yōu)解滿足

E{xg(w^Tx)}-βw＝0 (4)

其中，β為常數(shù)，_g是G的導(dǎo)數(shù)。設(shè)w₀為w的初始值，用牛頓迭代法求解該方程。建立的目標(biāo)函數(shù)：

F(w)＝E{xg(w^Tx)}-βw (5)

其梯度為

由于數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)球化處理，為簡(jiǎn)化矩陣求逆，所以

此刻梯度被化簡(jiǎn)為對(duì)角陣，求其逆矩陣就更為容易，因此，得近似的牛頓迭代算法：

兩邊同時(shí)乘以得到FastICA算法迭代公式為：

多次迭代得到分離矩陣W，由式

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

將觀測(cè)信號(hào)X(t)分離成多個(gè)獨(dú)立成分y_i(t)，它們的集合記為Y(t)。通過(guò)另加一個(gè)導(dǎo)聯(lián)眼動(dòng)信號(hào)(Electro-Oculogram，EOG)作為眼電參考信號(hào)，并與每個(gè)獨(dú)立成分y_i(t)進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)性大的認(rèn)為是眼電偽跡對(duì)應(yīng)的獨(dú)立成分并將此成分置0，其余獨(dú)立成分不變，得到新的獨(dú)立成分Y(t)為：

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

再由W的逆矩陣W^-1重構(gòu)濾除EOG信號(hào)后的腦電信號(hào)

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

對(duì)上述FastICA算法將在STM32F103RCT6微處理器中實(shí)現(xiàn)，從而濾除對(duì)腦電信號(hào)影響嚴(yán)重的生理偽跡。經(jīng)過(guò)眼電偽跡的去除，所得到的腦電信號(hào)中將主要含有非生理偽跡-基線漂移。

(2)基線漂移濾除

基線漂移是指基線隨時(shí)間定向緩慢變化?；€漂移通常表現(xiàn)為一種低頻信號(hào)，頻率在0～0.7Hz之間，而這個(gè)頻段正是腦電信號(hào)的σ波的頻率范圍，二者存在頻率重疊，所以為進(jìn)一步獲取純凈的腦電信號(hào)，必須要濾除基線漂移。

基線漂移產(chǎn)生的主要原因是電極移動(dòng)或極化電壓。由于電極移動(dòng)和極化電壓主要表現(xiàn)為脈沖噪聲，因此，采用了基于排序統(tǒng)計(jì)理論的中值濾波法，這種方法廣泛用于去除脈沖噪聲。由于比較次數(shù)決定了排序的速度，如果處理的數(shù)據(jù)十分龐大時(shí)，采用傳統(tǒng)的中值濾波法將相當(dāng)耗時(shí)。STM32F103RCT6微處理器要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，必然要提高處理速度，因此本發(fā)明采用了快速中值濾波方法。

快速中值濾波法：在傳統(tǒng)的中值濾波法中，對(duì)窗口內(nèi)的所有采樣點(diǎn)進(jìn)行排序取其中值，隨窗口長(zhǎng)度增大，計(jì)算量會(huì)按4次方增長(zhǎng)，處理速度會(huì)大幅度下降，只適用于實(shí)時(shí)性要求不高或小窗口的場(chǎng)合。與傳統(tǒng)中值濾波法相比，快速中值濾波算法的運(yùn)算速度有極大提高，具體步驟如下：

1)對(duì)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)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)并輸出中值為w(i+M)；

2)用二分查找法，按如下約束條件

w(j)≤x(j+L+1)≤w(j+1) (12)

將新數(shù)據(jù)x(j+L+1)插入到w(j),w(j+1),…w(j+L)中，使得L+1個(gè)數(shù)據(jù)仍然由小到大排列。

3)從有序序列w(j),…,x(j+L+1),...w(j+L)中去除x(j)，構(gòu)成新序列，并輸出其中值，返回2)循環(huán)。

窗口長(zhǎng)度L的選取對(duì)快速中值濾波法的整體效果有很大的影響。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果窗口的長(zhǎng)度選擇的過(guò)窄，會(huì)導(dǎo)致基線漂移中存在過(guò)多的高頻成分，使得腦電信號(hào)失真。如果選擇的窗口長(zhǎng)度過(guò)寬，濾波算法的計(jì)算速度就會(huì)變慢，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性將得不到保障。所以，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，選取采樣率的30％左右作為窗口長(zhǎng)度，會(huì)得到較好的效果。與運(yùn)算速度慢的傳統(tǒng)中值濾波算法相比，快速中值濾波算法的運(yùn)算速度有了顯著提升，適用于STM32單片機(jī)、DSP和FPGA等實(shí)時(shí)處理器。

對(duì)上述快速中值濾波算法也將在STM32F103RCT6微處理器中實(shí)現(xiàn)，從而濾除對(duì)腦電信號(hào)影響嚴(yán)重的非生理偽跡-基線漂移。

通過(guò)STM32F103RCT6微處理器的數(shù)字信號(hào)處理，將得到的非常純凈的腦電信號(hào)存儲(chǔ)到第二SD卡單元并在LCD顯示屏上進(jìn)行顯示。純凈的腦電信號(hào)是我們進(jìn)行腦科學(xué)研究的前提和保證，依據(jù)所得到的腦電信號(hào)我們可以進(jìn)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，存儲(chǔ)顯示模塊包括STM32F103RCT6微處理器單元(單片機(jī))21、第一SD卡單元22、第二SD卡單元23、第二DA14580藍(lán)牙無(wú)線傳輸單元24、LCD顯示屏單元25和第二電源電路單元26。

腦電信號(hào)的頻段主要集中在低頻段，與許多生理信號(hào)和非生理信號(hào)的頻段相重合，極易受到脈沖、工頻和其他白噪聲的影響。只用模擬濾波器很難達(dá)到理想的濾波效果。因此，采用存儲(chǔ)顯示模塊的STM32F103RCT6微處理器對(duì)接收到的腦電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波技術(shù)處理。主要濾除基線漂移、50Hz工頻和眼電偽跡等噪聲。腦電采集及處理模塊對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行采集、放大、去噪等，然后以數(shù)組的形式將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙同步到存儲(chǔ)顯示模塊，存儲(chǔ)顯示模塊將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到第一SD卡單元，然后通過(guò)STM32F103RCT6微處理器對(duì)接收到的腦電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后的信號(hào)存儲(chǔ)到第二SD卡單元，最后通過(guò)液晶顯示屏進(jìn)行腦電波的顯示。

(1)STM32F103RCT6微處理器是存儲(chǔ)顯示模塊的核心部分，所有的運(yùn)算和控制功能都由STM32微處理器來(lái)完成，本發(fā)明使用的微處理器為STM32F103RCT6屬于大容量的單片機(jī)，總共有51個(gè)GPIO，為了方便和其它傳感器模塊連接將所有GPIO全部通過(guò)排針引出。單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括復(fù)位電路，時(shí)鐘電路以及供電電路等。通過(guò)STM32微處理器的3、4腳和5、6腳分別外接32.768KHz和8MHz的晶振為單片機(jī)的內(nèi)部RTC和STM32微處理器提供時(shí)鐘源。

(2)SD卡主要用于存儲(chǔ)腦電信號(hào)。存儲(chǔ)顯示模塊除了需要完成對(duì)腦電信號(hào)的接收和顯示之外還需要對(duì)數(shù)長(zhǎng)期存儲(chǔ)，因此存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)也是存儲(chǔ)顯示模塊的一個(gè)重要組成部分，整個(gè)SD卡電路分別有4GB的高速SDHC卡和8MB的FLASH存儲(chǔ)芯片組成，SD卡主要用于對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)單片機(jī)系統(tǒng)所需的一些中文字庫(kù)等。

(3)為了更好的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，顯示電路和按鍵指示燈電路也是存儲(chǔ)顯示模塊的硬件設(shè)計(jì)的重要組成部分。

3.無(wú)線充電模塊

無(wú)線充電模塊可采用磁共振式無(wú)線充電技術(shù)，對(duì)采集模塊和存儲(chǔ)顯示模塊進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的供電，提高系統(tǒng)的抗干擾能力、延長(zhǎng)系統(tǒng)的采集時(shí)間。采用以BQ25570芯片為核心的電源管理模塊作為接收端，BQ25570具有升壓充電器的超低功耗收集電源管理IC以及毫微功率降壓轉(zhuǎn)換器。升壓充電器能夠在VIN低至330mV時(shí)啟動(dòng)，并且一旦啟動(dòng)，能夠在VIN低至100mV時(shí)持續(xù)采集能量。而且BQ25570的全部功能被封裝在一個(gè)小尺寸20引線3.5mm×3.5mm四方扁平無(wú)引線(QFN)封裝(RGR)內(nèi)，具有小體積的優(yōu)點(diǎn)。

盡管根據(jù)有限數(shù)量的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是受益于上面的描述，本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員明白，在由此描述的本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以設(shè)想其它實(shí)施例。此外，應(yīng)當(dāng)注意，本說(shuō)明書(shū)中使用的語(yǔ)言主要是為了可讀性和教導(dǎo)的目的而選擇的，而不是為了解釋或者限定本發(fā)明的主題而選擇的。因此，在不偏離所附權(quán)利要求書(shū)的范圍和精神的情況下，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)許多修改和變更都是顯而易見(jiàn)的。對(duì)于本發(fā)明的范圍，對(duì)本發(fā)明所做的公開(kāi)是說(shuō)明性的，而非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書(shū)限定。