一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810479966.6 (22)申请日 2018.05.18 (71)申请人 东南大学 地址 210096 江苏省南京市玄武区四牌楼2 号 (72)发明人 崔兴然 高之琳 顾忠泽 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 朱桢荣 (51)Int.Cl. A61B 5/0476(2006.01) A61B 5/0478(2006.01) A61B 5/16(2006.01) A61B 5/11(2006.01) (54)发明名称 一种应用于抑郁。

2、情绪监测的脑电头箍 (57)摘要 本发明公开了一种应用于抑郁情绪监测的 脑电头箍， 通过监测前额叶脑电、 加速度和光敏 数据， 可应用于分析情绪能力、 注意力水平、 记忆 力、 户外活动时间、 运动量等指标， 实现抑郁情绪 的实时监测。 监测头箍包括以下： 脑电采集模块、 加速度模块、 光敏模块、 WIFI模块、 处理器模块、 SD卡模块、 指示灯和按钮模块、 电源模块。 监测头 箍采集到的脑电数据、 加速度数据、 光敏数据通 过WIFI传输至外部上位机。 本发明采用新型纳米 材料半柔性电极取代传统湿电极， 放置在前额部 位， 方便舒适， 具有便携、 低功耗、 高精度的特点。 权利要求书1页 。

3、说明书9页 附图7页 CN 108606789 A 2018.10.02 CN 108606789 A 1.一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍， 其特征在于， 包括脑电采集模块、 加速度模 块、 光敏模块、 WIFI模块、 处理器模块和SD卡模块， 脑电采集模块包括脑电电极和脑电采集 前端模块， 其中， 脑电电极， 放置在用户的前额， 用于将采集到的脑电信号输出至脑电采集前端模块； 脑电采集前端模块， 用于对接收的脑电信号进行增益放大、 模数转换， 输出数字脑电信 号至处理器模块； 加速度模块， 用于采集用户头部的六轴加速度数据并输出至处理器模块； 光敏模块， 用于采集光强度数据并输出至处理器模。

4、块； 处理器模块， 用于将接收的数字脑电信号、 六轴加速度数据和光强度数据输出至SD卡 模块和WIFI模块， 并控制脑电采集模块、 加速度模块、 光敏模块和WIFI模块工作； SD卡模块， 用于保存接收的数字脑电信号、 六轴加速度数据和光强度数据； WIFI模块， 用于将数字脑电信号、 六轴加速度数据和光强度数据经其传输至外部的上 位机。 2.根据权利要求1所述的一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍， 其特征在于， 还包括电 源模块， 电源模块包括USB接口模块、 充电模块、 锂电池和稳压模块， 充电模块通过USB接口 模块为锂电池供电， 锂电池输出的电经稳压模块， 输出稳定的电压至处理器模块。 。

5、3.根据权利要求2所述的一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍， 其特征在于， 还包括指 示灯和按钮模块， 指示灯用于显示检测头箍的状态， 按钮模块用于控制电源的开关。 4.根据权利要求1所述的一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍， 其特征在于， 脑电电极 为纳米材料的半柔性脑电干电极Ch/Au-Ti O2干电极。 5.根据权利要求1所述的一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍， 其特征在于， 脑电电极 与头皮接触媒介是通过以下方法制得： 在基底钛片上采用多电位阶跃技术电沉积金纳米颗 粒， 通过阳极处理技术制备出二氧化钛纳米管阵列， 再次进行金纳米颗粒沉积， 最后涂覆壳 聚糖作为脑电电极与头皮接触媒介。 6.。

6、根据权利要求1所述的一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍， 其特征在于， 脑电采集 模块包含二阶无源滤波器， 该二阶无源滤波器输出端通过正接的二极管接模拟电源AVDD， 通过反接的二极管接负模拟电源AVSS。 7.根据权利要求6所述的一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍， 其特征在于， 脑电采集 模块还连接有偏执驱动电路， 该偏执驱动电路组成闭环反馈回路。 8.根据权利要求1所述的一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍， 其特征在于， 所述脑电 采集模块与处理器模块的SPI端口相连接。 9.根据权利要求1所述的一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍， 其特征在于， 加速度模 块安放在被测脑部位置， 与处理器模块通。

7、过I2C端口相连接。 10.根据权利要求1所述的一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍， 其特征在于， 光敏模 块安放在被测脑部位置， 与处理器模块通过AD采样端口相连接。 权 利 要 求 书 1/1 页 2 CN 108606789 A 2 一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍 技术领域 0001 本发明涉及生物传感和可穿戴设备技术领域， 特别是一种应用于抑郁情绪监测的 脑电头箍。 背景技术 0002 脑电(electroencephalogram， EEG)是大脑神经元细胞体生理活动所产生的电位 综合， 具有丰富的大脑活动信息。 被广泛应用于临床、 科学研究和各种应用中， 临床用途包 括： 癫痫的诊。

8、断、 脑部疾病的诊断、 判断脑死亡和昏迷程度等； 在科学研究中的应用包括： 睡 眠脑电分析、 儿童脑部发育、 大脑的功能、 心理学研究等； 在日常的应用中更是广泛， 包括以 下几种分类： 睡眠监测、 脑机接口、 实时监测、 脑部疾病的预判。 0003 然而由于脑电信号非常微弱， 加之人体阻抗的特殊性、 外界和内部干扰等原因， 目 前医院所使用的传统脑电采集系统， 64/18/256导联的电极帽， 通过单独的放大器设备再接 入电脑。 存在以下问题： 1.放大器体积较大且十分沉重， 不易搬动位置； 2.电极帽使用繁琐， 不仅要求在使用前30min之内和检测完成后洗头， 而且打导电膏的过程(64导联。

9、电极帽)耗 时大约30min， 更多导联的耗时更长； 3.一部分人对导电膏过敏； 4.因为脑电数据通过数据 线传输， 被试者无法随意走动， 据经验， 完成的检测过程耗时大约2h。 0004 目前市场上的脑电电极分为非植入式和植入式， 非植入式电极， 是采集头皮上电 信号， 有两种： 湿电极和干电极。 湿电极包括导电膏和生理盐水等， 传统脑电设备的电极帽 所用的导电膏就是典型的湿电极， 优点是精度相对较高， 缺点是使用繁琐。 干电极包括传统 的银/氯化银电极、 微针电极(针对有头发部位)和柔性电极等等， 优点是佩戴方便， 缺点是 精度低。 植入式电极是直接采集大脑皮质上的电信号， 优点是精度高，。

10、 高信噪比， 缺点是可 接受性差， 技术限制。 0005 单一的脑电检测在实际应用中的作用是有限的， 对于抑郁症、 自闭症和神经衰弱 等， 户外活动和运动是有效的治疗方法之一， 结合脑电检测结果和户外活动、 运动进一步分 析病情， 制定治疗方案； 对于多动症， 能够实时监测每日的活动情况可作为后期治疗的可靠 参考， 可作为衡量一项指标； 而对于帕金森， 每日的活动锻炼是缓解病情的重要手段， 长时 间的监测脑电和运动量， 帮助医生和病人及时掌握自己的身体情况。 但是目前市场却没有 一个成熟的、 实用的便携脑电设备。 0006 目前市场上能买到的脑电设备， 除了上面介绍的传统脑电设备， 国内外也涌。

11、现出 众多的消费级便携脑电设备。 这些便携脑电设备普遍存在的问题是： 1.采样率低， 不足以支 持科研用途； 2.信号预处理， 几乎所有设备都进行了带通滤波， 将高频信号和低频信号滤 掉， 无法保证原始信号的完整性； 3.设备的外观设计不能满足使用需求， 众所周知， 睡眠脑 电监测是很多疾病的参考指标之一， 这是由于睡眠时期脑电相比于日常脑电不仅更为稳 定， 而且睡眠时期脑电反映了有用的特征信号， 但是目前设备很多将硬件集成模块放在后 脑位置， 妨碍了睡眠的舒适性， 不利于睡眠脑电的监测。 说 明 书 1/9 页 3 CN 108606789 A 3 发明内容 0007 本发明所要解决的技术问。

12、题是克服现有技术的不足而提供一种应用于抑郁情绪 监测的脑电头箍， 实现多通道脑电信号并行采集、 加速度信号和光敏信号采集、 数据WIFI传 输、 数据SD CARD存储和充电功能， 具有便携、 低功耗、 高精度的特点。 0008 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案： 0009 根据本发明提出的一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍， 包括脑电采集模块、 加 速度模块、 光敏模块、 WIFI模块、 处理器模块和SD卡模块， 脑电采集模块包括脑电电极和脑 电采集前端模块， 其中， 0010 脑电电极， 放置在用户的前额， 用于将采集到的脑电信号输出至脑电采集前端模 块； 0011 脑电采集前端模块。

13、， 用于对接收的脑电信号进行增益放大、 模数转换， 输出数字脑 电信号至处理器模块； 0012 加速度模块， 用于采集用户头部的六轴加速度数据并输出至处理器模块； 0013 光敏模块， 用于采集光强度数据并输出至处理器模块； 0014 处理器模块， 用于将接收的数字脑电信号、 六轴加速度数据和光强度数据输出至 SD卡模块和WIFI模块， 并控制脑电采集模块、 加速度模块、 光敏模块和WIFI模块工作； 0015 SD卡模块， 用于保存接收的数字脑电信号、 六轴加速度数据和光强度数据； 0016 WIFI模块， 用于将数字脑电信号、 六轴加速度数据和光强度数据经其传输至外部 的上位机。 0017。

14、 作为本发明所述的一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍进一步优化方案， 还包括 电源模块， 电源模块包括USB接口模块、 充电模块、 锂电池和稳压模块， 充电模块通过USB接 口模块为锂电池供电， 锂电池输出的电经稳压模块， 输出稳定的电压至处理器模块。 0018 作为本发明所述的一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍进一步优化方案， 还包括 指示灯和按钮模块， 指示灯用于显示检测头箍的状态， 按钮模块用于控制电源的开关。 0019 作为本发明所述的一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍进一步优化方案， 脑电电 极为纳米材料的半柔性脑电干电极Ch/Au-Ti O2干电极。 0020 作为本发明所述的一种应用于。

15、抑郁情绪监测的脑电头箍进一步优化方案， 脑电电 极与头皮接触媒介是通过以下方法制得： 在基底钛片上采用多电位阶跃技术电沉积金纳米 颗粒， 通过阳极处理技术制备出二氧化钛纳米管阵列， 再次进行金纳米颗粒沉积， 最后涂覆 壳聚糖作为脑电电极与头皮接触媒介。 0021 作为本发明所述的一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍进一步优化方案， 脑电采 集模块包含二阶无源滤波器， 该二阶无源滤波器输出端通过正接的二极管接模拟电源 AVDD， 通过反接的二极管接负模拟电源AVSS。 0022 作为本发明所述的一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍进一步优化方案， 脑电采 集模块还连接有偏执驱动电路， 该偏执驱动电路组成。

16、闭环反馈回路。 0023 作为本发明所述的一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍进一步优化方案， 所述脑 电采集模块与处理器模块的SPI端口相连接。 0024 作为本发明所述的一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍进一步优化方案， 加速度 说 明 书 2/9 页 4 CN 108606789 A 4 模块安放在被测脑部位置， 与处理器模块通过I2C端口相连接。 0025 作为本发明所述的一种应用于抑郁情绪监测的脑电头箍进一步优化方案， 光敏模 块安放在被测脑部位置， 与处理器模块通过AD采样端口相连接。 0026 本发明采用以上技术方案与现有技术相比， 具有以下技术效果： 0027 (1)本发明旨在针对儿。

17、童情绪和注意力评估和训练的生理信号， 实现多通道脑电 信号并行采集、 加速度信号和光敏信号采集、 数据WIFI传输、 数据SD CARD存储和充电功能。 数据传输至上位机APP显示多个生理指标， 并执行上位机命令； 0028 (2)本发明采用新型纳米材料半柔性电极取代传统湿电极， 放置在前额部位， 方便 舒适， 具有便携、 低功耗、 高精度的特点； 0029 (3)本发明外观设计， 便携可穿戴， 佩戴舒适且不影响睡眠； 采样率， 达到1000Hz， 且为可调的； 硬件电路， 不做硬件滤波且在最大化保留数据的原始性和完整性的同时保证 信号质量； 数据存储和传输， SD卡本地保存和WIFI传输； 。

18、在监测脑电信号的同时， 增加加速 度传感器和光敏传感器； 无线充电方式。 附图说明 0030 图1是本发明脑电检测头箍的原理框图； 0031 图2为新型纳米材料半柔性脑电干电极Ch/Au-Ti O2干电极； 0032 图3为基于ADS1299的模拟前端原理框图； 0033 图4为预处理电路的原理电路图； 0034 图5为偏置驱动电路的原理电路图； 0035 图6为模拟前端和处理器的连接原理框图； 0036 图7为加速度模块的原理电路图； 0037 图8为光敏传感器的原理电路图； 0038 图9为Micro SD Card的原理电路图； 0039 图10为CC3200的外围电路原理框图； 004。

19、0 图11为供电电源模块原理电路图； 0041 图12为充电模块原理电路图； 0042 图13为处理器模块系统流程图； 具体实施方式 0043 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明： 0044 本设备包含以下八个模块： 脑电采集模块、 加速度模块、 光敏模块、 WIFI模块、 处理 器模块、 SD卡模块、 指示灯和按钮模块、 电源模块。 0045 脑电采集模块： 脑电采集模块包括脑电电极和脑电采集前端模块， 是脑电设备的 核心部分。 0046 目前的主流电极大致包括干电极， 如传统金属电极、 微针电极和柔性电极， 其优点 是可重复使用， 便携、 操作方便， 缺点是信号质量难以保证、。

20、 佩戴稳固性不好， 以目前的脑电 传感器发展现状， 干电极通常用于消费级脑电设备； 湿电极， 如导电膏电极帽、 盐水帽等， 湿 电极具有良好的导电性， 信号质量最佳， 但是由于其操作繁琐， 不便携， 通常用于医院和研 说 明 书 3/9 页 5 CN 108606789 A 5 究所使用； 半湿电极， 如凝胶式电极， 兼顾了便携性和信号质量。 因此， 综合考虑电极稳定 性、 信号质量和使用便利性， 本系统采用新型纳米材料的半柔性脑电干电极Ch/Au-Ti O2干电极。 使用该干电极可以方便的采集到有效的， 可靠性较高的脑电信号。 具有以下四个 优点： 操作简单,电极制备完成后不需作任何处理可直。

21、接进行EEG测试； 安全舒适， 本文 研究的半柔性干电极与头皮接触在整个测试过程中被试没有产生不适感； 接触阻抗较 低， 符合EEG测试对接触阻抗的要求。 聚合物材料和纳米材料的结合加快电极/头皮界面离 子/电子电流转移速率； 采集到的EEG信号稳定可靠， 和湿电极接近， 特定范式下EEG信号 特征明显。 0047 脑电头箍共有五个电极， 分别位于Fp1、 Fp2、 Fpz、 F7、 F8， 其中Fpz作为参考电极。 导 联方式分为单导联和双导联， 单导联是测量工作电极和参考电极之间的电压差； 双导联是 测量两个工作电极之间的电压差。 本设备采用单导联， 同时测量左前额叶Fp1、 F7和右前额。

22、 叶Fp2、 F8。 0048 脑电采集前端模块， 主要功能是增益放大和模数转换。 前端模块大致有三个方案： 0049 方案一： 用放大器和AD芯片搭建模拟电路， 电极输入信号经过增益放大电路、 滤波 电路、 右腿驱动电路和AD转换电路， 传输至处理器。 优点： 放大和滤波效果更好， 调整灵活； 缺点： 模拟电路调试较为困难， 电路面积较大。 0050 方案二： 用市场上其他脑电公司推出的脑电采集集成模块， 例如neurosky公司的 TGAM前端模块， 电极输入信号经过前端模块直接进入处理器。 优点： 方便， 操作简单， 节省了 很多的研发时间； 缺点： 前端模块内部电路固定， 放大滤波等指。

23、标参数不可调， 不符合要求， 使用效果难以保证， 模块体积较大且不可改变， 不利于后期产品设计。 0051 方案三： 采用较为成熟的前端集成芯片， TI公司的ADS1299， 内置了增益放大、 右腿 驱动和AD转换， 可编程控制增益放大、 采样率、 采样精度等。 电极输入信号经过ADS1299， 通 过SPI与MCU处理器通信。 优点： 相比于搭建模拟电路更为简单， 体积很小， 有利于可穿戴设 计， 且信号质量较好； 缺点： 芯片价格贵， 成本高。 0052 综上所述， 将采用较为折中的方案三， 既保证了信号质量， 同时满足电路体积最小 化。 参数设置： 采样率设置为可调， 范围： 256/5。

24、12/1024Hz； 增益可调， 范围： 1/2/4/6/8/12/ 24； 采样精度可调， 范围： 16/24位。 0053 加速度模块： 加速度模块用于检测用户的运动量和判断姿势， 结合脑电分析结果， 进行深度分析。 加速度监测采用MPU6050六轴加速度芯片， 此芯片是InvenSense公司推出的 一款低成本的6轴传感器模块， 包括三轴加速度和三轴角速度。 其体积小巧， 功耗低， 用途非 常广。 加速度芯片和MCU处理器通过I2C连接， 获得三轴加速度和三轴角速度的数据， 根据需 求利用这些数据解算出三轴的角度数据， 例如俯仰角度和滚动角度， 以此来确定运动和姿 势。 参数设置： 采样。

25、率设置为100Hz； 采样精度设置为16位。 0054 光敏模块： 光敏模块主要功能是利用光敏传感器区分室内和室外。 统计用户在室 内和室外的时长和时间段， 此数据可结合加速度数据和脑电数据进一步分析相关性。 由于 室内外的光照强度区分明显， 影响光敏传感器的电阻值， 对应的光电流值改变， 以此来判断 用户处于室内还是室外。 采用LXD/GB3-A1DPZ线性光传感器型光敏晶体管， 光谱响应范围 400-1050nm， MCU处理器AD采样获得数据。 参数设置： 采样率设置为20Hz； 采样精度设置为16 位。 说 明 书 4/9 页 6 CN 108606789 A 6 0055 WIFI和。

26、MCU处理器模块： WIFI和MCU处理器模块主要功能是控制整个设备的运行和 数据传输， 为确保设备的正常运行和用户体验， 必须要求稳定和流畅。 无线传输是可穿戴设 备的主流传输方式， 帮助设备摆脱数据线的束缚， 目前较为通用的无线传输方式为蓝牙、 Zigbee和WIFI， 本设备选用WIFI模块， 因为WIFI相较于蓝牙和Zigbee， 传输速率高且传距离 远。 考虑到功耗和体积问题， 一款MCU和WIFI集成的芯片是首选。 在此， 我们选择了TI公司的 CC3200无线微控制器芯片， 作为一款WIFI和ARM处理器的集成芯片， CC3200采用ARM Cortex-M4嵌入式操作系统， 有。

27、I2C、 SPI、 UART和SD卡接口， 完全能够满足我们的需要。 CC3200通过与手机APP建立WIFI直连， 或加入同一局域网， 进行数据传输和命令传输。 0056 SD卡模块： SD卡模块主要功能是储存数据量比较大， 且为避免不方便及时实时传 输的情况， 需要设计存储模块。 因为CC3200自带了与SD CARD的通信接口， 所以我们选用 MICRO SD CARD。 采集到的数据将会自动保存在SD卡中， 用户可选择取出SD CARD， 用读卡器 将数据在电脑端打开， 或者直接下达读取传输命令， 从SD CARD中读取并通过WIFI传输至手 机。 也可以通过APP清除SD CARD中。

28、的历史数据。 0057 指示灯和按钮模块： 指示灯和按钮模块主要功能是人机交互， 必须操作方便、 简 单， 符合人性化设计。 本设备包含一个指示灯和一个按钮， 具体操作： 若设备处于关闭状态， 按钮按一下， 打开设备， 指示灯亮5s蓝灯； 若设备处于打开状态， 按钮按一下， 关闭设备， 指 示灯亮灭； 按钮长按5s， 设备进行配对， 指示灯快速闪动， 每秒闪2次； 设备处于低电量状态， 指示灯亮红灯。 0058 电源模块： 电源模块主要功能是为整个设备提供稳定的电源电压。 本产品有可充 电的锂电池供电， 包括一个充电电路和稳压电路。 为了用户使用方便， 选用3.7V可充电锂电 池， 锂电池满电。

29、时标称电压为4.25V， 随着使用其输出电压会下降， 为了避免供电电源电压 的变化引起系统工作的不稳定， 供电电源电压需要经过线性稳压器输出一个稳定的电压。 考虑到锂电池标称电压跟系统所需电压之间的压差略小， 所以选用低压差线性稳压器 TPS76930， 将系统的输入电压稳定在+3.0V。 充电电路选用LTC4054充电芯片， 通过MINI USB 接口充电。 0059 如图1所示， 本发明脑电检测头箍包括： 脑电采集模块、 加速度模块、 光敏模块、 WIFI模块、 处理器模块、 SD卡模块、 指示灯和按钮模块、 电源模块。 一次性凝胶电极采集EEG 信号， 经集成前端ADS1299进行放大和。

30、AD转换处理后， 转换为数字脑电信号， 与处理器无线 微控制器CC3200通过SPI连接， 将脑电数据传输至； 加速度传感器MPU6050采集人体头部六 轴加速度数据， 通过I2C接口与CC3200连接， 传输数据； 光敏传感器LXD/GB3-A1DPZ采集光强 度数据， 与CC3200的AD采样口连接， 采集光强度数据； CC3200将接收到的脑电数据、 加速度 数据和光强度数据都自动保存至SD CARD中， 通过上位机(手机或PC)的控制命令选择清除 或发送； CC3200与上位机建立WIFI连接， 将采集到的脑电数据、 加速度数据和光强度数据通 过WIFI传输至上位机， 进行波形显示和进。

31、一步的算法分析。 本设备采用可充电锂电池供电， 经稳压芯片TPS76930稳压电路， 输出稳定的+3V电源； 锂电池充电利用充电芯片LTC4054， 通 过MINI USB接口充电； 按钮按一次， 电源接通， 设备启动， 按钮长按建立WIFI连接， LED灯根 据设备状态变换颜色和闪烁频率。 0060 如图2所示， 为半柔性干电极， 采集电极对应设置于被测目标的脑部位置， 用于采 集脑电数据。 针对传统湿电极存在着众多缺点， 我们使用简单方便的新型纳米材料半柔性 说 明 书 5/9 页 7 CN 108606789 A 7 脑电干电极Ch/Au-Ti O2干电极， 来取代传统湿电极。 在基底钛。

32、片上采用多电位阶跃技 术电沉积金纳米颗粒， 通过阳极处理技术制备出二氧化钛纳米管阵列， 再次进行金纳米颗 粒沉积， 最后涂覆壳聚糖作为干电极与头皮接触媒介。 该电极工作机理如下： 壳聚糖在低湿 度下仍有较强的吸附力保证干电极与头皮的紧密接触； 金纳米颗粒结合二氧化钛纳米管与 头皮之间实现高速的离子电流与电子电流转换， 从而降低了干电极与头皮之间的接触阻 抗， 达到EEG的采集标准。 湿电极(Ag/Ag Cl)在EEG信号采集中得到广泛应用， 但存在操作耗 时不便， 受试者舒适度差等不足之处， 相对于目前已有干电极研究成果存在的部分不足： 接触式刚性材料电极易擦伤皮肤， 微针电极会使被试感到不适。

33、且对其健康有一定影响； 非接触式干电极采集的EEG信号精度和电极稳定性均不高等缺点。 因此， 此半柔性干电极适 合取代湿电极， 采集脑电信号。 0061 如图3所示， Fp1、 Fp2、 F7、 F8作为工作电极， Fpz作为参考电极， 经过简单预处理电 路输入具有高共模抑制比的差分输入可编程增益放大器A1和A2， 耳垂同时也作为驱动电 极， 经过简单预处理电路和驱动电路输入偏置放大器(BIAS)。 获得的左右前额叶脑电模拟 信号经过模数转换器ADC1和ADC2， 输出24位精度的数字信号， 通过SPI传输至处理器 CC3200。 前端供电方式为： 模拟电源AVDD为+5V； 数字电源DVDD。

34、为+3V。 0062 如图4所示， 由于脑电信号频率为0.5-100Hz， 在模数转换前必须经过低通抗混滤 波的预处理。 本发明采集电极的输出端电路连接预处理电路， 用于对采集的脑电模拟信号 进行预处理， 起到高阶无源滤波器和滤除大幅度信号和过压保护的作用。 预处理模块包含 二阶无源滤波器， 二阶无源滤波器包含串联的电阻R1和R2， 以及R1与R2之间通过电容C1接 模拟地AGND， 二阶无源滤波器输出端处通过电容C2接模拟地AGND。 其中R1为22.1K， R2为 10K， C1为33nF， C2为33nF。 二阶无源滤波器输出端通过正接的二极管D1接模拟电源AVDD， 通过反接的二极管D。

35、2接负模拟电源AVSS。 二阶无源滤波电路的频率响应函数为 0063 H(jf)1/1-(2 f)2C1C2R1R2+2j fR1(C1+C2)+R2C2 0064 计算可得f96.2Hz， 此预处理电路可完全涵盖脑电信号的有用信息。 0065 如图5所示， 信号经过预处理和差分电路输入， 对共模干扰有较强的抑制能力， 但 有些干扰以差分的形式存在， 兵器人在还存在较强的工频干扰， 尤其是50/60HZ家用供电干 扰。 我们可以利用ADS1299集成的偏执驱动模块， 加上很少的元器件就可以设计出一个偏置 闭环电路。 电阻R11起到限流保护作用， 电容C20的作用是进行相位补偿， 防止放大电路产。

36、生 自激而失去放大作用； 在BIAS AMP运放正参考端为(AVDD+AVSS)/2时， 就形成了一个闭环反 馈回路， 能有效的抑制共模干扰。 0066 如图6所示， 模拟前端的ADS1299芯片与处理器CC3200通过SPI接口连接， ADS1299 芯片的控制、 寄存器的配置以及采集的数字化数据都是通过SPI完成。 ADS1299数据转换芯 片主要是通过四线制SPI接口与处理器CC3200芯片通信的。 ADS1299芯片的START脚用来控 制转换的开始， 当START电位低且没有发送START命令时， 芯片不会产生DRDY信号， 此时转换 停止。 ADS1299芯片的DRDY脚用来发送数。

37、据传输准备命令， 从高电位变为低电位表示数据传 输准备。 CS脚为片选信号， 低电位有效， 用于启动SPI。 SCLK为SPI通信提供时钟。 DIN和DOUT 为SPI数据输入和输出脚。 因此模拟前端和处理器采用6条连接线： SPI_START、 SPI_DRDY、 SPI_CS、 SPI_SCLK、 SPI_DIN、 SPI_DOUT。 其中CC3200的58和59号端口配置为普通GPIO口， 对 应GPIO3和GPIO4端口， 分别连接ADS1299的SPI_DRDY和SPI_START。 5、 6、 7、 8号端口分别配置 说 明 书 6/9 页 8 CN 108606789 A 8 为。

38、GSPI_CLK、 GSPI_MISO、 GSPI_MOSI、 GSPI_CS， 分别连接ADS1299的SPI_SCLK、 SPI_DOUT、 SPI_DIN、 SPI_CS。 0067 如图7所示， 加速度模块采用的六轴加速度传感器为MPU6050。 MPU6050采用+3.0V 供电， 通信采用I2C接口， 以数字输出6轴的旋转矩阵、 四元数、 欧拉角的融合演算数据。 加速 度传感器MPU6050的3轴角速度器和3轴加速度器的感测范围可控。 MPU6050采用+3.0V供电， 13号端口VDD接数字电源DVDD+3.0V， 连接电容C32接数字地DGND， 8号端口数字I/O供电电压 V。

39、LOGIC取VDD+3.0V， 低压差线性稳压器LDO输出在10号端口REGOUT， 连接C33接地。 由于 MPU6050不用外部时钟， 1号端口外部时钟输入CLKIN接地。 9号端口AD0用于设置I2C Slave 地址LSB， 多用于多个MPU6050共用一个I2C接口， 本发明只使用一个MPU6050， 因此AD0接地。 11号端口帧同步数字输入FSYNC由于此处不外接， 因此接地。 板上的电荷提供了MEMS振荡器 需要的高电压， 输出在20号端口CPOUT， 连接了一个旁路电容C34。 I2C接口包括串行数据线 SDA和串行时钟线SCL， 连接到处理器CC3200并接上拉电阻R18和。

40、R19到DVDD。 此时CC3200的 3、 4号端口设置为I2C_SCL、 I2C_SDA， 分别连接到MPU6050的23、 24号端口SCL、 SDA。 0068 如图8所示， GB3-A1DPZ线性光传感器型光敏晶体管接AVDD+5V电源， 其电流输出和 环境光强成线性比例， 因此电阻R20处的电压也会随着光强变化而变化。 处理器CC3200的57 号端口设置为AD采样口ADC_CH0， 采集R20处的电压。 0069 如图9所示， Micro SD Card有八个引脚， 4个Data端口， 由于处理器CC3200的SD Card引脚只有一个Data端口， 所以1号端口DAT2、 2号。

41、端口DAT3、 8号端口DAT1都不接， 只有7 号端口DAT0被使用。 4号端口VDD接数字电源DVDD+3.0V， 6号端口VSS2端口接数字电源地。 CC3200的1号端口设置为SDCARD_CLK， 连接到Micro SD Card的5号端口CLK， 作为时钟信号 端口。 CC3200的2号端口设置为SDCARD_CMD， 连接到Micro SD Card的3好端口CMD， 作为命令 口/回复端口。 CC3200的64号端口设置为SDCARD_DATA， 连接到Micro SD Card的7号端口 DAT0， 作为数据传输端口。 0070 如图10所示， CC3200芯片的50号端口设。

42、置为GPIO_00， 接限流电阻R31和蓝色LED指 示灯后接数字地DGND， 55号端口设置为GPIO_01， 接限流电阻R30和红色LED指示灯后接数字 地DGND。 构成指示灯电路， 实现设备状态提示。 0071 CC3200芯片的14号端口设置为FLASH_SPI_CS连接M25Q80芯片的1号端口CS， CC3200芯片的13号端口设置为FLASH_SPI_DIN连接M25Q80芯片的2号端口DOUT， CC3200芯片 的12号端口设置为FLASH_SPI_DOUT连接M25Q80芯片的5号端口DIN， CC3200芯片的11号端口 设置为FLASH_SPI_CLK连接M25Q80。

43、芯片的6号端口CLK， 下拉电阻R28和R29分别连接M25Q80 芯片的CLK和DIN后连接数字地DGND， 上拉电阻R27连接M25Q80芯片的CS后连接数字电源 DVDD+3.0V， M25Q80芯片的8号端口VCC、 7号端口RESET、 3号端口WP连接数字电源DVDD+3.0V， 并经过滤波电容C55连接数字地DGND， 从而实现CC3200芯片连接FLASH模块。 0072 CC3200芯片的31号端口RF_BG连接DEA202450BT滤波芯片， 接着连接电感L4和电容 C54形成RF滤波电路， 最终形成wifi通信天线电路。 0073 如图11所示， 为供电电源模块的原理电路。

44、图。 由于各模块对于电源的要求和范围 各不相同， 并且考虑到系统的采集精度非常高， 采集转换过程中需要的参考电压就要求很 高， 所以设计了供电电源电路， 在系统电路中， 需要供电的电压有数字电源DVDD+3.0V， 模拟 正电源AVDD+5.0V， 模拟负电源AVSS0.0V。 其中DVDD选择TI公司的稳压芯片TPS76930， AVDD 说 明 书 7/9 页 9 CN 108606789 A 9 选择TI公司的稳压芯片TPS76950， 仅需要简单的电容和电阻作为外围电路即可输出稳定的 电压， 输出电压连接0电阻和电感进行滤波， 即可作为供电电压。 锂电池的输出电压， 连接 S1按钮， 。

45、后连接稳压电路的输入端， 用于控制设备的电源开关。 0074 如图12所示， 为充电模块， 采用LTC4054芯片为锂电池进行充电， 利用Mini USB口 进行充电， 充电电压为+5.0V， 接发光二极管D9提示充电状态， LTC4054的输出端接锂电池 P8。 0075 如图13所示， 为处理器模块的系统流程图， 主要功能为和上位机的通信包括接受 命令和传输数据、 控制各模块的工作以及显示设备当前状态。 打开设备开关S1(图11)， 系统 进行初始化， 并通过指示灯显示设备当前的电量状态、 设备连接状态和当前工作状态， 开始 等待上位机发起WIFI连接。 若当前设备处于充电状态， 则黄灯D。

46、9(图12)每两秒亮0.5秒； 若 不在充电则D9不亮。 若设备处等待WIFI连接状态， 则D8蓝灯处于长亮； 若已成功建立连接， 则每两秒亮0.5秒。 上位机发起并建立WIFI连接后， 设备等待接收上位机的命令， 将接收到 的命令解码， 分析命令内容。 如表1所示， 上位机发送的控制命令包含数据长度、 SD卡控制、 脑电控制、 加速度控制、 光敏控制、 MAC地址， 共11个字节。 若SD卡控制命令0， 读取SD卡数据 并发送； 1， 清除SD卡中历史数据。 若脑电控制命令为0， 脑电模块不工作； 1， 脑电模块工作， 采集数据。 若脑电传输命令为0， 保存至本地SD卡； 1， 通过WIFI。

47、发送至上位机。 加速度控制命 令为0， 加速度模块不工作； 1， 加速度模块工作， 采集数据。 若加速度传输命令为0， 保存至本 地SD卡； 1， 通过WIFI发送至上位机。 光敏控制命令为0， 光敏模块不工作； 1， 光敏模块工作， 采集数据。 若光敏传输命令为0， 保存至本地SD卡； 1， 通过WIFI发送至上位机。 每秒采集到的 数据， 按照如表2所示的数据格式保存至SD卡或者WIFI传输至上位机， 包括数据长度、 EEG起 始位、 脑电数据、 ACC起始位、 加速度数据、 LIG起始位、 光敏数据、 MAC地址。 0076 表1 0077 0078 表2 0079 数据类别数据长度EE。

48、G脑电数据ACC加速度数据LIG光敏数据MAC地址 数据长度1个字节3个字节X个字节3个字节X个字节3个字节X个字节6个字节 数据内容XEEGACCLIGXXXXXX 0080 上位机为使用Android Studio编写的移动端软件， 用于人机交互， 用来发送控制 命令和接受下位机数据， 并显示和保存。 0081 上位机在Java环境下开发， Android上位机创建了一个WIFI热点， 下位机通过此热 点建立与上位机的通信， 网络连接使用TCP/Scoket实现。 首先， 应用程序建立一个 SocketServer， 将端口设置为与CC3200中一致， 然后使用SocketServer的A。

49、ccept方法等待 CC3200连接本服务器， 并得到连接Socket。 说 明 书 8/9 页 10 CN 108606789 A 10 0082 以上所述， 仅为本发明的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限于此， 任何 熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换， 都应 涵盖在本发明的保护范围内。 说 明 书 9/9 页 11 CN 108606789 A 11 图1 图2 说 明 书 附 图 1/7 页 12 CN 108606789 A 12 图3 图4 说 明 书 附 图 2/7 页 13 CN 108606789 A 13 图5 图6 说 明 书 附 图 3/7 页 14 CN 108606789 A 14 图7 图8 说 明 书 附 图 4/7 页 15 CN 1086067。