本发明涉及生物医学信号采集与处理技术领域，特别是一种一体化eeg信号采集系统。
背景技术：
脑机接口(brain-computerinterface：简称bci)技术算是一个比较新兴的领域，可以实现大脑意念对于外部其他设备的控制，也常用于治疗认知或运动感知功能能缺损的病人，但现在有越来越多的bci应用在neurofeedback，通过大脑训练(就是观察脑电波运动对脑电图人为干涉，以活跃应该被活跃的那块大脑区域)治疗adhd多动症、焦虑、恐惧、抑郁等心理疾病；也有很多艺术家、音乐家、舞蹈家等用这个方法刺激艺术灵感，创造更加沉浸的体验。bci在心理学和行为学研究方面很有潜力。总之，bci技术的应用越来越广泛。
目前，使用bci技术有两种方式：一是在大脑中植入一种片上soc芯片，二是佩戴脑电图头盔，将扁平的金属片与人的头皮相接触来测量人体脑电波。头盔获取的脑电波会通过一个小型放大器被无线传输到电脑上，以此实现对机器人的控制。
现有eeg信号采集设备电极体积比较大，佩带不方便，需要专业人士安装。另一方面，eeg信号采集误差会带来脑机接口控制偏差，提高eeg信号采集准确程度具有重要的现实意义，可以为脑机接口控制提供准确可靠的依据，实现精准控制。因此，研发一种能提高eeg信号采集精度小型化智能化的eeg信号采集电路具有重要的工程应用价值。
技术实现要素：
本发明旨在解决上述问题，提供一种一体化eeg信号采集系统。本发明的目的为通过采用将噪声(dither)加入到原始eeg信号中，减小eeg信号的失真，将eeg信号的分辨率提高到1lsb(最低有效位)以下，利用柔性电路板技术解决了现有eeg信号采集设备电极体积大、佩戴不方便且不美观的问题。
为达到上述目的，采用如下技术方案：
一种一体化eeg信号采集系统主要由可充电电池、多通道eeg电极、模拟前端放大滤波模块、噪声产生模块、控制器模块、三轴加速度计模块、数据存储模块、无线通信模块和远程终端所组成。
所述多通道eeg电极、模拟前端放大滤波模块、噪声产生模块的电路均采用小型化封装的器件进行设计，在结构上单个eeg电极、模拟前端放大滤波模块、噪声产生模块相邻布置，各通道通过柔性电路板连接在一起，并通过小型fpc连接器连接到控制器模块。所述控制器模块和三轴加速度计模块的接口可以是spi、i2c或串口；所述控制器模块和数据存储模块的接口是高速片上总线接口，可以是emif总线、ahb总线；所述控制器模块和无线通信模块数据传输采用dma的方式。
所述噪声产生模块产生具有1/3-1个最低有效位电平的均方根误差的宽带模拟随机噪声，叠加到电极采集的eeg信号输入到模拟前端放大滤波模块，将eeg信号的分辨率提高到1lsb(最低有效位)以下。噪声产生模块输出噪声的幅度通过依据原始eeg信号的自适应算法确定。
所述模拟前端放大滤波模块的放大倍数和滤波参数可以通过控制器模块动态调整，控制器模块中包含多路数模转换器，控制器模块可以是arm处理器或dsp处理器。
所述控制器模块和远程终端采用无线通信的方式，远程终端可以接收控制器模块采集的数字eeg信号并进行离线处理，远程终端也可以控制模拟前端放大滤波模块的放大倍数、滤波参数、模数转换器的采样率以及噪声产生模块的噪声幅度。
本发明的一体化eeg信号采集系统有三种工作状态，即低功耗状态，自检工作流程和正常工作流程。
电路大部分情况下处于低功耗状态，等待远程终端发送的唤醒命令，收到唤醒命令后软件开始对电路自检，自检主要是检查电路的无线传输功能，控制器模块通过模拟发送固定的数据给远程终端，远程终端收到的数据后再发送给控制器模块，控制器模块比对发送和接收的数据是否一致，当收发数据一致时，自检通过，收发数据不一致时，自检不通过。当自检失败时会重复自检，当3次自检均失败时，控制器模块发送自检失败状态字给远程终端；当自检成功后，电路进入正常工作流程。
正常工作流程主要是进行eeg信号的采集和数据传输。控制器模块监听远程终端发送的无线命令，当接收到参数设置命令后，可以设置模拟前端放大滤波模块的放大倍数、滤波参数、模数转换器的采样率以及噪声产生模块的噪声幅度，参数设置完成后，等待远程终端发送的数据采集命令，数据采集的方式有一次采集方式和循环采集方式，采集过程中控制器模块将eeg数字信号缓存在数据存储模块中，当收到数据传输命令后，将数据通过无线通信模块发送给远程终端，远程终端可以对数据进行离线处理并显示。控制器模块和远程终端在无线通信时采用握手的方式增强通信的可靠性。三轴加速度计模块可以用于监测被采集eeg信号对象的运动状态。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的一种一体化eeg信号采集系统通过采用自适应算法将噪声(dither)加入到原始eeg信号中，减小了eeg信号的失真，将eeg信号的分辨率提高到1lsb(最低有效位)以下，利用柔性电路板技术解决了现有eeg信号采集设备电极体积大、佩戴不方便且不美观的问题。
附图说明
图1为本发明一种一体化eeg信号采集系统的组成示意图。
图2为本发明一种一体化eeg信号采集系统中电极组成结构图。
图3为本发明一种一体化eeg信号采集系统的形状示意图。
图4为本发明一种一体化eeg信号采集系统dither降噪声原理示意图。
图5为本发明一种一体化eeg信号采集系统模拟前端放大滤波电路原理图。
图6为本发明一种一体化eeg信号采集系统的工作流程图。
图7为本发明一种一体化eeg信号采集系统的通信协议，其中(a)参数配置命令帧；(b)参数配置命令应答帧；(c)数据采集命令帧；(d)数据采集命令应答帧。
图2、3中，1-针状电极，2-电极基座，3-轻质塑料板，4-柔性电路板，5-滤波放大电路，6-fpc连接器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述，但本发明的实施不仅限于此。
实施例1
如图1所示为一种一体化eeg信号采集系统，主要由可充电电池、多通道eeg电极、模拟前端放大滤波模块、噪声产生模块、控制器模块、三轴加速度计模块、数据存储模块、无线通信模块和远程终端所组成。
本发明采用柔性电路板，电路均采用小型化封装的器件，在结构上单个eeg电极、模拟前端放大滤波模块、噪声产生模块相邻布置，各通道通过柔性电路板连接在一起，并通过小型fpc连接器连接到控制器模块。
控制器模块和三轴加速度计模块的接口可以是spi、i2c或串口；控制器模块和数据存储模块的接口是高速片上总线接口，可以是emif总线、ahb总线等；控制器模块和无线通信模块数据传输采用dma的方式。
控制器模块和远程终端采用无线通信的方式，远程终端可以接收控制器模块采集的数字eeg信号并进行离线处理，远程终端也可以控制模拟前端放大滤波模块的放大倍数、滤波参数、模数转换器的采样率以及噪声产生模块的噪声幅度。
一体化eeg信号采集系统中电极组成结构如图2所示，单通道电极电路主要由针状电极1、电极基座2、轻质塑料板3、柔性电路板4和滤波放大电路5所组成，电极基座用于固定针状电极1，电极基座2和轻质塑料板3的反面粘合在一起，柔性电路板4安装在轻质塑料3的正面，滤波放大电路5通过pcb的方式布置在柔性电路板上。如图3所示，每个针状电极旁边都布置一个滤波放大电路5，滤波放大电路布置在柔性电路板4上，在柔性电路板4多通道的eeg电极采集的信号通过pcb走线最终汇集到fpc连接器6，fpc连接器6将最终汇集的eeg信号连接到控制器模块的数模转换器上，fpc连接器6和控制模块之间的连接采用差分方式进行连接，增强抗干扰能力和可靠性。该电路可以根据不同被采集对象进行弯曲变形，适应性较强，且针状电极的布置方式考虑了医学上eeg信号采集时电极的布置方式。
本发明一种一体化eeg信号采集系统dither降噪声原理如图4所示。随机模拟噪声发生器由噪声二极管或噪声信号产生器ic产生典型的宽带模拟随机噪声，具有1/3～1个最低有效位电平的均方根误差，叠加到多通道eeg电极采集的eeg信号输入到模拟前端放大滤波模块的低通滤波器、模数转换器，将eeg信号的分辨率提高到1lsb(最低有效位)以下。噪声产生模块可以产生固定幅度的噪声，也可以通过采用自适应的dither技术，即通过原始的eeg信号幅度的大小动态改变产生噪声的幅度，避免大幅度的噪声信号引起模数转换器的溢出问题，提高模数转换器的性能。
模拟前端放大滤波电路原理如图5所示，电路中电阻r13用于设置前端放大电路的放大倍数，该电阻可以用数字电位器来取代，这样控制器模块就可以动态改变电路的放大倍数。电阻r14和电容c43、c44构成了低通滤波器，用于消除高频干扰，避免eeg模拟信号在数模转换时信号的混频现象。电容c41、c42、c45、c46用于对电源进行去耦和滤波，提高电源的质量。
本发明一种一体化eeg信号采集系统的工作流程如图6所示，该电路有三种工作状态，即低功耗状态，自检工作流程和正常工作流程。
电路大部分情况下处于低功耗状态，等待远程终端发送的唤醒命令，收到唤醒命令后软件开始对电路自检，自检主要是检查电路的无线传输功能，控制器模块通过模拟发送固定的数据给远程终端，远程终端收到的数据后再发送给控制器模块，控制器模块比对发送和接收的数据是否一致，当收发数据一致时，自检通过，收发数据不一致时，自检不通过。当自检失败时会重复自检，当3次自检均失败时，控制器模块发送自检失败状态字给远程终端；当自检成功后，电路进入正常工作流程。
正常工作流程主要是进行eeg信号的采集和数据传输。控制器模块监听远程终端发送的无线命令，当接收到参数设置命令后，可以设置模拟前端放大滤波模块的放大倍数、滤波参数、模数转换器的采样率以及噪声产生模块的噪声幅度，参数设置完成后，等待远程终端发送的数据采集命令，数据采集的方式有一次采集方式和循环采集方式，采集过程中控制器模块将eeg数字信号缓存在数据存储模块中，当收到数据传输命令后，将数据通过无线通信模块发送给远程终端，远程终端可以对数据进行离线处理并显示。在控制器模块和远程终端无线通信时采用握手的方式增强通信的可靠性。三轴加速度计模块可以用于监测被采集eeg信号对象的运动状态。
本发明一种一体化eeg信号采集系统的通信协议如图7所示，该通信协议约定远程终端和控制器模块之间的数据交换格式，对于多字节数据，在传输时高字节在前，低字节在后，校验和采用x16 x12 x5 1，帧头为0xab，帧尾为0xba。图7(a)参数配置命令帧结构，该命令由远程终端以无线方式发送给控制器模块，控制器模块接收的帧头、命令字、帧长、配置参数、帧尾、校验和全部正确时，才接收并更新配置参数数据，当配置参数数据超范围时，使用默认配置参数。当控制器模块接收的帧头、命令字、帧长、配置参数、帧尾、校验和有一个异常时，请求远程终端重发配置参数命令帧。图7(b)参数配置命令应答帧，当控制器模块接收到参数配置命令帧后，向远程终端返回参数配置命令应答帧，应答帧的状态字指示接收数据是否正常，数据部分填充实际接收的配置数据。图7(c)数据采集命令帧，命令字0x52和0x53分别代表一次采集命令和循环采集命令；当控制器模块采集命令后，向远程终端返回图7(d)数据采集命令应答帧。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
1.一种一体化eeg信号采集系统，包括可充电电池、多通道eeg电极、模拟前端放大滤波模块、控制器模块、三轴加速度计模块、数据存储模块、无线通信模块和远程终端，其特征在于，还包括噪声产生模块，所述噪声产生模块用于产生具有1/3-1个最低有效位电平的均方根误差的宽带模拟随机噪声，叠加到电极采集的eeg信号输入到模拟前端放大滤波模块。
2.根据权利要求1所述一体化eeg信号采集系统，其特征在于，所述噪声产生模块输出噪声的幅度通过依据原始eeg信号的自适应算法确定。
3.根据权利要求1所述的一体化eeg信号采集系统，其特征在于，所述多通道eeg电极、模拟前端放大滤波模块、噪声产生模块的电路均采用小型化封装的器件，在结构上每个单通道eeg电极、模拟前端放大滤波模块、噪声产生模块相邻，各通道通过柔性电路板连接，并通过小型fpc连接器连接到控制器模块，fpc连接器和控制器模块之间采用差分方式连接；所述控制器模块和三轴加速度计模块的接口是spi、i2c或串口；所述控制器模块和数据存储模块的接口是高速片上总线接口；所述控制器模块和无线通信模块数据传输采用dma的方式。
4.根据权利要求3所述的一体化eeg信号采集系统,其特征在于，所述模拟前端放大滤波模块的放大倍数和滤波参数通过控制器模块动态调整，所述控制器模块中包含多路数模转换器，所述控制器模块为arm处理器或dsp处理器。
5.根据权利要求3所述的一体化eeg信号采集系统,其特征在于，所述三轴加速度计模块用于监测被采集eeg信号对象的运动状态。
6.根据权利要求3所述的一体化eeg信号采集系统,其特征在于，所述控制器模块和远程终端采用无线通信的方式，远程终端可以接收控制器模块采集的数字eeg信号并进行离线处理，远程终端也可以控制模拟前端放大滤波模块的放大倍数、滤波参数、模数转换器的采样率以及噪声产生模块的噪声幅度。
7.根据权利要求3所述的一体化eeg信号采集系统,其特征在于，所述每个单通道eeg电极由针状电极、电极基座、轻质塑料板、柔性电路板和滤波放大电路所组成，电极基座用于固定针状电极，电极基座和轻质塑料板的反面粘合在一起，柔性电路板安装在轻质塑料的正面，滤波放大电路通过pcb的方式布置在柔性电路板上。
技术总结