一种脑电图机中脑电数据自动记录和分析系统及方法与流程

1.本发明属于脑电设备的改进及脑电数据采集、处理技术在智慧医疗领域的应用，涉及脑电图机中脑电数据自动记录和分析系统及方法。


背景技术：

2.脑电是指从头部导出及处理放大的根据脑的活动状态而发生的电位变化信号。脑电活动是在数百亿个神经细胞与周边的其他神经细胞相互作用而传递信息时发生的，此时电位的变化以非常复杂的振动模式的波动形态显示。
3.由于快速进入老龄化社会导致的高龄人口的增加、日常生活及社会生活中的压力增加等多种原因，在我国，具有肌萎缩侧索硬化症、帕金森症、脊髓肌肉萎缩等运动障碍的脑神经疾病患者的数量呈每年增加的趋势，而脑神经组织的定期检查通常可以通过便携式脑电图机实现。
4.此外，将脑电应用于脑机接口（bci，brain computer interface）领域，无需经过语言或身体的动作而通过脑电构建人类和机器之间的直接相互作用，业已成为当下的研究热点。
5.有鉴于此，已发展出了相对较为成熟的脑电测量分析处理技术，且在临床及日常家居生活中均有所应用，但是现有技术广泛存在以下几方面问题：第一，采集的头部脑电数据在通过线路传输时会不可避免的在线路之间产生串扰；第二，脑电信号的采集源相对固定、单一，缺少同步交叉验证；第三，采集的脑电数据往往通过算法去噪，在硬件电路方面的改进不足，且算法复杂；第四，缺少外源刺激的灵活调整以及对外援刺激所作响应的其它监测手段；第五，缺少对测量电极间相关性及采集数据可靠性的评估；第六，没有针对不同的测量位置采用不同的数据采集、处理方案；第七，缺少对外源刺激及相应脑电数据间关联性的大数据分析。


技术实现要素：

6.本发明重点针对上述种种不足，提供一种脑电图机中脑电数据自动记录和分析系统及方法。
7.本发明提供了一种脑电图机中脑电数据自动记录和分析系统，包括头部测量电极、耳机模组、便携移动终端、上位机以及共享数据库，其中，所述耳机模组包括壳体、语音模块、无线通信模块、电源模块、数据处理模块以及参考电极，所述参考电极位于耳垂部；其中，所述头部测量电极连接至不同的数据总线，同一条所述数据总线连接多个所述头部测量电极，每一条所述数据总线均连接至所述耳机模组的所述数据处理模块。
8.优选的，所述耳机模组进一步包括三个位于耳道内的耳部测量电极以及两个沿内耳廓分布的耳部测量电极，所述耳部测量电极以及所述参考电极均不通过所述数据总线而连接至所述耳机模组的所述数据处理模块。
9.优选的，所述头部测量电极包括毛刷式及压感式两种类型，分别分布在不同的头
部区域，连接于同一条所述数据总线的多个所述头部测量电极的类型相同；所述耳部测量电极为包括导电橡胶及银胶的弹性贴片。
10.优选的，所述数据处理模块具体包括整流校正部、增益部、放大单元、限流校正部、滤波单元、模数转换器以及输入反馈单元；所述数据处理模块可进一步包括阻抗匹配单元，所述阻抗匹配单元包括热噪等效电阻、线路电阻、电极相差阻抗、接地输入阻抗以及等效噪声功率谱密度, 所述阻抗匹配单元的输入端与头部测量电极相连，输出端与所述滤波单元的输出端相连。
11.优选的，所述系统进一步包括可拆卸式显示摄像模组，所述可拆卸式显示摄像模组包括显示屏及摄像头。
12.同时，本发明还提供了一种应用于脑电数据自动记录和分析系统的方法，包括如下步骤：s1：根据耳机模组中语音模块的指示执行相关动作，触发系统进入校验模式，并记录分析任意两个头部测量电极或耳部测量电极之间的相关性；s2：根据耳机模组中语音模块的指示执行相关动作，触发系统进入正常工作模式；s3：将连接于同一条数据总线的多个头部测量电极划分为一组，使用相同的采样频率持续采集脑电数据；s4：开启显示摄像模组，记录头部影像数据及时间戳；s5：分析头部影像数据，计算不同时间戳下头部影像的像素差以及边缘差；s6：判断头部运动的幅度或持续时间是否超过设定阈值，若超过则直接抹去对应时间戳下通过头部测量电极采集的脑电数据，若不超过则不进行校正处理；s7：同一条数据总线采集的脑电数据通过串行通信传输至耳机模组的数据处理模块；s8：为不同类型、不同位置的头部测量电极设置不同的匹配阻抗以及信号增益；s9：将耳部测量电极采集的脑电数据同步并行传输至耳机模组的数据处理模块；s10：使用时间窗在采集的脑电数据上滑动，其中时间窗具有固定时长及振幅阈值；s11：如果某个时间点对应的脑电数据超过时间窗的振幅阈值，则生成从对应时间点起至过去n-1个时间窗的n组脑电数据的n维向量，构成n*n向量矩阵；s12：提取n*n向量矩阵的对角线的值，并取均值，作为脑电数据的噪声并进行去除。
13.优选的，上述步骤s1具体包括：a1：根据耳机模组中语音模块的指示执行眨眼动作，通过连续眨眼三次触发系统进入校验模式；a2：开启显示摄像模组，通过显示模块展示相应画面，并提示画面中的目标对象，以引导眼球运动；a3：通过相差分析法计算在多个时段内任意两个头部测量电极或耳部测量电极之间的同步相关性；a 4：基于计算得到的同步相关性提取相关性最高的电极对；a5：重复步骤a2至a4，基于相关性最高的电极对出现的频次，选取脑电数据分析的
参考基准。
14.优选的，在上述步骤a 3中，同步相关性的值的计算公式为：其中，n为总测试次数，δφ(t,n)是任意两个测量电极之间的相差，t是测量周期的时长。
15.优选的，在上述步骤s12之后，进一步包括如下步骤：s13：对去噪后的脑电数据依次进行增益、放大、滤波、负反馈以及模数转换；s14：对分别经由头部测量电极以及耳部测量电极获取的脑电数据进行交叉验证。
16.优选的，上述步骤s14具体包括：b1：通过便携移动终端设定外源刺激计划，包括动作、想法及对应的触发时刻；b2：在第一时刻，通过显示摄像模组显示提示信息以使使用者执行相应动作，并拍摄动作执行情况；b3：根据拍摄到的动作执行期间的时间戳定位头部测量电极以及耳部测量电极获取的脑电数据段，通过上位机进行提取；b4：在上位机提取的脑电数据段中，如果步骤a5中作为脑电数据分析的参考基准的多个相关性最高的头部测量电极对以及耳部测量电极对所测得的脑电数据具有相似的变化趋势，则将多个相关性最高的头部测量电极对以及耳部测量电极对所测得的脑电数据发送至共享数据库；b5：在第二时刻，通过耳机模组中语音模块的提示信息以使使用者产生相应想法；b6：根据耳机模组中语音模块的提示信息自生成至结束的时间戳定位头部测量电极以及耳部测量电极获取的脑电数据段，通过上位机进行提取；b7：重复步骤b4；b8：对不同使用者执行相同的外源刺激计划，共享数据库接收不同使用者来自步骤b4、b7的脑电数据，对特征点进行提取、归类，从而基于共同的动作及想法将相应的脑电数据进行存储，作为标准参考模型。
17.与现有技术相比，本发明对脑电数据自动记录和分析系统及方法进行多方位完善，其一，将头部测量电极分组，连接至不同的串行数据总线，以减少串扰，同时增加脑电设备的便携性；其二，引入耳-脑电测量系统，并通过耳机模组实现耳-脑电及头皮-脑电的共同采集、处理，增加了脑电数据的可信度；其三，对前级模拟电路部分进行改造，并结合输入反馈及阻抗匹配手段进一步提高脑电数据的信噪比；其四，通过摄像、屏幕显示以及耳机语音提示等手段实现外源刺激的生成及监测，作为对脑电数据的辅助分析依据；其五，通过相差分析法获得相关性最高的测量电极对，作为脑电数据分析的依据；其六，针对不同测量位置使用不同类型的头部测量电极，并为不同类型、不同位置的头部测量电极设置不同的匹配阻抗以及信号增益；其七，通过共享数据库分析不同使用者对于相同外源刺激所产生的特征脑电数据，作为标准参考模型。此外，本发明通过耳机模组集成了耳-脑电及头皮-脑电的共同采集与处理、外源刺激指示的输入、系统供电、脑电数据的无线传输、耳部测量电极的支撑等多种功能，有助于脑电数据采集的便携化，便于日常佩戴，更加适合智慧医疗在智
能家居场景的实现。
附图说明
18.图1为本发明脑电数据自动记录和分析系统框图；图2为本发明数据处理模块部分电路图；图3为本发明数据处理模块的输入反馈单元电路图；图4为本发明数据处理模块的阻抗匹配单元电路图；图5为本发明脑电数据自动记录和分析方法流程图。
19.附图标记说明：共享数据库1、上位机2、便携移动终端3、头部测量电极4、耳机模组5、壳体51、无线通信模块52、数据处理模块53、语音模块54、电源模块55、参考电极56、耳部测量电极57、整流校正部531、限流校正部532、增益部533、放大单元534、滤波单元535、输入反馈单元536、阻抗匹配单元537、显示摄像模组6。
具体实施方式
20.以下说明的技术可进行多种变换，并可具有多种实施例，在此结合附图以特定实施例进行详细说明。然而，这并不意味着将下文描述的技术限制于特定实施例。应当理解，在不脱离下文所描述的技术的精神和技术范围的情况下，本发明包括所有类似的修改、等同及替代。
21.如图1-4所示，本发明提供了一种脑电图机中脑电数据自动记录和分析系统，包括头部测量电极4、耳机模组5、便携移动终端3、上位机2以及共享数据库1，其中，所述耳机模组5包括壳体51、语音模块54、无线通信模块52、电源模块55、数据处理模块53以及参考电极56，所述参考电极56位于耳垂部；所述头部测量电极4连接至不同的数据总线，同一条所述数据总线连接多个所述头部测量电极4，每一条所述数据总线均连接至所述耳机模组5的所述数据处理模块53。
22.其中，所述耳机模组进一步包括三个位于耳道内的耳部测量电极57以及两个沿内耳廓分布的耳部测量电极57，所述耳部测量电极57以及所述参考电极56均不通过所述数据总线而连接至所述耳机模组5的所述数据处理模块53。
23.其中，所述头部测量电极4包括毛刷式及压感式两种类型，分别分布在不同的头部区域，连接于同一条所述数据总线的多个所述头部测量电极4的类型相同；所述耳部测量电极57为包括导电橡胶及银胶的弹性贴片。
24.头皮部位由于有头发存在，因此测量电极可选取毛刷式，而前额等部位的测量电极则可使用压感式。另外，由于耳部测量电极57直接附接于耳机模组5的壳体51上，考虑到耳道、耳廓形状的特殊性，采用导电橡胶作为耳部测量电极的主体，并辅以导电银胶实现数据的可靠传输。
25.其中，所述数据处理模块53具体包括整流校正部531、增益部533、放大单元534、限流校正部532、滤波单元535、模数转换器以及输入反馈单元536；所述数据处理模块53可进一步包括阻抗匹配单元537，所述阻抗匹配单元537包括热噪等效电阻re、线路电阻rs、电极相差阻抗zp、接地输入阻抗zin以及等效噪声功率谱密度si，所述阻抗匹配单元537的输入端in与头部测量电极4相连，输出端out与所述滤波单元535的输出端sout相连。阻抗匹配单
元537的具体电路结构参见图4，在此不再赘述。数据处理模块53可根据需要选择是否增加阻抗匹配单元537，且通过上述阻抗匹配单元537的连接方式及电路结构的具体设置可以很好地适配不同位置、不同类型头部测量电极4所获取的脑电数据，从而提高采集数据的稳定性、可靠性。
26.整流校正部531的电压跟随器的输出端连接至放大单元534的运放a1的反相输入端，限流校正部532的电压跟随器的输出端连接至放大单元534的运放a1的输出端，增益部533的两端分别连接至放大单元534的运放a1的反相输入端及输出端，放大单元534的运放a1的输出端连接至滤波单元535的输入端。具体电路结构参见图2，在此不再赘述。
27.更进一步的，可将输入反馈单元536的输入端in（运放a3的同相输入端）连接至放大单元534的运放a1的反相输入端，将输入反馈单元536的输出端out连接至人体。输入反馈单元536的具体电路结构参见图3，在此不再赘述。数据处理模块53可根据需要选择是否增加输入反馈单元536，且通过上述输入反馈单元536的连接方式及电路结构的具体设置可以很好地降低干扰，从而提高信噪比。
28.其中，所述系统进一步包括可拆卸式显示摄像模组6，所述可拆卸式显示摄像模组6包括显示屏及摄像头。
29.如图5所示，本发明还提供了一种应用于脑电数据自动记录和分析系统的方法，包括如下步骤：s1：根据耳机模组5中语音模块54的指示执行相关动作，触发系统进入校验模式，并记录分析任意两个头部测量电极4或耳部测量电极57之间的相关性；s2：根据耳机模组5中语音模块54的指示执行相关动作，触发系统进入正常工作模式；s3：将连接于同一条数据总线的多个头部测量电极4划分为一组，使用相同的采样频率持续采集脑电数据；s4：开启显示摄像模组6，记录头部影像数据及时间戳；s5：分析头部影像数据，计算不同时间戳下头部影像的像素差以及边缘差；s6：判断头部运动的幅度或持续时间是否超过设定阈值，若超过则直接抹去对应时间戳下通过头部测量电极4采集的脑电数据，若不超过则不进行校正处理；将直接抹去的脑电数据以特定波形代替，一方面减少了数据校正所带来的系统负担，另一方面特定波形作为标识也便于后续对脑电数据的拼接、聚类与处理。
30.s7：同一条数据总线采集的脑电数据通过串行通信传输至耳机模组5的数据处理模块53；s8：为不同类型、不同位置的头部测量电极4设置不同的匹配阻抗以及信号增益；s9：将耳部测量电极57采集的脑电数据同步并行传输至耳机模组5的数据处理模块53；s10：使用时间窗在采集的脑电数据上滑动，其中时间窗具有固定时长及振幅阈值；s11：如果某个时间点对应的脑电数据超过时间窗的振幅阈值，则生成从对应时间点起至过去n-1个时间窗的n组脑电数据的n维向量，构成n*n向量矩阵；s12：提取n*n向量矩阵的对角线的值，并取均值，作为脑电数据的噪声并进行去
除。
31.在正常工作模式下，可进一步通过便携移动终端设定自检计划，例如，脑电数据正常采集过程中，在规定时间间隔通过语音模块提示使用者眨眼，通过摄像头记录使用者眨眼的时间戳，分析该时间戳对应的脑电数据的变化情况，对于脑电数据的信号多次未出现预期变化的通道所对应的测量电极，及时进行调整。
32.其中，上述步骤s1具体包括：a1：根据耳机模组中语音模块的指示执行眨眼动作，通过连续眨眼三次触发系统进入校验模式；眨眼会引起脑电数据固定波段的变化，通过摄像头记录使用者眨眼的时间戳，分析该时间戳对应的脑电数据的变化情况，通过“时间-次数”两个维度的匹配情况判断系统是否进入校验模式。
33.a2：开启显示摄像模组6，通过显示模块展示相应画面，并提示画面中的目标对象，以引导眼球运动；a3：通过相差分析法计算在多个时段内任意两个头部测量电极4或耳部测量电极57之间的同步相关性；a 4：基于计算得到的同步相关性提取相关性最高的电极对；a5：重复步骤a2至a4，基于相关性最高的电极对出现的频次，选取脑电数据分析的参考基准。
34.其中，在上述步骤a 3中，同步相关性的值的计算公式为：n为总测试次数，δφ(t,n)是任意两个测量电极之间的相差，t是测量周期的时长。
35.其中，在上述步骤s12之后，进一步包括如下步骤：s13：对去噪后的脑电数据依次进行增益、放大、滤波、负反馈以及模数转换；s14：对分别经由头部测量电极4以及耳部测量电极57获取的脑电数据进行交叉验证。
36.其中，上述步骤s14具体包括：b1：通过便携移动终端3设定外源刺激计划，包括动作、想法及对应的触发时刻；b2：在第一时刻，通过显示摄像模组6显示提示信息以使使用者执行相应动作，并拍摄动作执行情况；b3：根据拍摄到的动作执行期间的时间戳定位头部测量电极4以及耳部测量电极57获取的脑电数据段，通过上位机进行提取；b4：在上位机提取的脑电数据段中，如果步骤a5中作为脑电数据分析的参考基准的多个相关性最高的头部测量电极对以及耳部测量电极对所测得的脑电数据具有相似的变化趋势，则将多个相关性最高的头部测量电极对以及耳部测量电极对所测得的脑电数据发送至共享数据库1；b5：在第二时刻，通过耳机模组5中语音模块54的提示信息以使使用者产生相应想
法；b6：根据耳机模组5中语音模块54的提示信息自生成至结束的时间戳定位头部测量电极4以及耳部测量电极57获取的脑电数据段，通过上位机进行提取；b7：重复步骤b4；b8：对不同使用者执行相同的外源刺激计划，共享数据库1接收不同使用者来自步骤b4、b7的脑电数据，对特征点进行提取、归类，从而基于相同的动作及想法将相应的脑电数据进行存储，作为标准参考模型。
37.在整个脑电测量过程中，可通过显示摄像模组6以及耳机模组5记录、识别使用者所处环境，更可通过耳机模组5监测使用者心率等生理参数，并将环境识别结果、使用者生理参数等信息作为附加标签关联至对应的脑电数据段，以方便后续对脑电数据的归类与分析。
38.虽然上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明专利范围为限制，对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。