高密度脑电/肌电无线采集系统研究

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生命体的生理活动会产生多样、复杂的生物电信号。通过采集并分析生物电信号来获取其中蕴含的生理信息,是研究生命活动、机理的有效手段。因此,生物电采集被广泛应用于科学研究、临床诊断、疾病监控和机械控制等诸多领域。脑电,肌电和心电是人体生物电中应用最广泛的三种电信号。临床上,通过脑电图仪、肌电图仪和心电图仪进行相应的生物电采集已经成为疾病诊断的重要手段之一;在科学研究上,由脑电控制假肢、机械的应用,以及由肌电识别姿势、动作的应用层出不穷。采集到的脑电、肌电信号越丰富,对于诊断、控制与识别来说就越准确。为了获取更丰富的信息,高密度采集成为近几年来生物电采集的研究热点,需要采集设备提高采样率以获得更高的时间分辨率,还需要采集设备提高通道数以获得更高的空间分辨率。除此之外,将功能磁共振成像与脑电相结合的成像融合技术应用愈发广泛,可以实现高时空分辨率。这对于采集设备提出了磁兼容的要求。本文研发了高密度脑电/肌电采集系统,可以兼容脑电和肌电的采集,并实现数据的无线传输。根据脑电、肌电信号的特征,分析了兼容脑电、肌电采集的可行性,并为其设计了单、双电极切换功能。为了实现高密度,采用菊花链级联和独立SPI级联混合使用的级联方式,兼顾了数据延时和器件I/O引脚数目的限制。最后为系统开发了GUI程序,实现数据的基本处理和实时显示。进一步地,本文研发了磁兼容的脑电/肌电采集系统,能够在核磁共振扫描的同时进行信号的采集。通过测试与实验,验证了所设计采集系统的可行性。论文主要研究工作和创新性成果如下:1.高密度脑电/肌电采集系统研发。系统实现了最高256个通道的高密度采集以及数据无线传输,并兼容了脑电和肌电采集的特点。采样率随通道数变化,最高可达16k SPS,输入噪声小于1u Vrms,分辨率为0.268u V。系统同时配备有电极脱落检测、单双电极切换以及共模驱动输出功能。配套的上位机程序能够实时显示、处理脑电/肌电信号。2.磁兼容的采集系统研发。针对诸如f MRI-EEG的混合采集技术的需求,本文以所设计的高密度脑电/肌电无线采集系统为基础,进一步地设计了核磁共振兼容的采集系统。通过特殊的元器件选择,实现磁兼容的硬件组成;自制了碳纤维采集电极以遏制涡流发热问题;增加高速串口-光纤的传输方式;针对核磁共振环境下的各种干扰源,采用了硬件屏蔽、软件滤波以及算法去除的方式,获得了干净的目标信号。最终实现在7T核磁共振环境中,与核磁共振扫描同步采集信号。3.验证采集系统的可行性。通过一系列的测试,测得系统的底噪小于1u Vrms,频率误差小于1%,幅度误差小于2%;通过人体实验分别验证了系统采集脑电信号和肌电信号的可行性;通过在7T核磁共振环境中的采集实验,验证了系统的磁兼容性能,并取得了预期效果。
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