[發明專利]基于FPGA的腦電信號采集系統和方法

有效

• 申請號: 201410265174.0
• 申請日: 2014-06-13
• 公開（公告）號: CN104068851A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發明（設計）人: 潘文明;麥穗冬;夏效禹;王騰飛;王小航
• 申請（專利權）人: 廣州中國科學院先進技術研究所
• 主分類號: A61B5/0476
• 分類號: A61B5/0476
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 譚英強

技術領域

本發明涉及信號分析領域，尤其是基于FPGA的腦電信號采集系統和方法。

背景技術

研究大腦皮層活動狀況，從而了解大腦的工作原理、醫治腦疾病等，具有重要的科學意義及廣闊的應用前景。但是當大腦皮層生物電信號通道數多、信息量大時，如何保證對大規模信號的實時采集和提取，成為了一個亟需迫切解決的問題。

傳統的大規模腦電信號采集和提取可分為軟件與硬件方法兩大類：軟件方法優點是成本較低，操作較為簡單。缺點是由于運算速度的限制，無法滿足對大規模腦電信號的在線處理要求；硬件方法多采用高性能計算機作為主要處理單元，優點是能滿足信號的在線處理要求，缺點是其移植性非常差且配置復雜，價格昂貴，功耗過高，使其僅限于實驗研究，難以作為產業化實現。傳統的腦電采集和提取方法，最多僅能處理1000個通道，相對于大腦皮層數以億計的活動細胞，完全不能滿足需求。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明的目的是：提供一種基于FPGA的以較少硬件資源實現的應對干擾環境的多通道腦電信號采集系統。

為了解決上述技術問題，本發明的另一目的是：提供一種基于FPGA的以較少硬件資源實現的應對干擾環境的多通道腦電信號采集方法。

本發明所采用的技術方案是：基于FPGA的腦電信號采集系統，包括有多通道信號接收模塊、并行處理模塊、信號濾波模塊、峰值檢測模塊和信號提取模塊，所述多通道信號接收模塊的輸出端依次通過并行處理模塊、信號濾波模塊和峰值檢測模塊連接至信號提取模塊的輸入端。

進一步，所述多通道信號接收模塊包括有第一計數器和用于接收腦電信號并將腦電信號送到相應通道進行并行輸出的腦電信號選擇器，所述第一計數器的輸出端連接至腦電信號選擇器的輸入端。

進一步，所述并行處理模塊包括有與腦電信號選擇器中通道數相應的多通道處理模塊，所述多通道處理模塊為根據TGAM模塊編碼標準實現的解碼模塊。

進一步，所述信號濾波模塊包括有移位寄存器和均值濾波器，所述移位寄存器用于保存腦電信號數據，所述移位寄存器的輸出端連接至均值濾波器的輸入端。

進一步，所述峰值檢測模塊包括有數據寄存器、波峰檢測子模塊和峰值判斷子模塊，所述數據寄存器用于接收均值濾波器的輸出信號，所述數據寄存器的輸出端通過波峰檢測子模塊連接至峰值判斷子模塊的輸出端。

進一步，所述信號提取模塊包括有存儲器、腦電信號計數器和數據發送子模塊，所述存儲器用于接收峰值檢測模塊發送的信號，所述存儲器的輸出端連接至數據發送子模塊的輸入端，所述腦電信號計數器與存儲器連接。

本發明所采用的另一技術方案是：基于FPGA的腦電信號采集方法，包括以下步驟：

A、多通道信號接收模塊將腦電信號按照時分復用方式分別送到相應的通道中并行輸出；

B、并行處理模塊接收上述并行輸出信號，并根據編碼標準對每個通道的信號解碼從而得到原始腦電信號；

C、利用移位寄存器對上述原始腦電信號進行均值濾波；

D、利用上述均值濾波的結果對信號進行波峰檢測，然后進行峰值判斷；

E、將峰值判斷的結果發送至信號提取模塊并輸出。

進一步，所述移位寄存器中保存4個腦電信號，所述均值濾波的濾波表達式為：

p’=p+n₁/4+n₄/4，

其中p為當前的均值，p’為下一時刻的均值，n₁為當前的腦電信號幅度值，n₄為前面第四個時刻的腦電信號幅度值。

進一步，所述步驟D具體包括以下子步驟：

D1、將最近的6個均值濾波結果數據存入數據寄存器；

D2、讀取數據寄存器中的數據，若前三個數據逐漸變大，后三個數據逐漸變小，則記錄峰值；

D3、利用上述得到的峰值和3個設定好的峰值判斷值分離出3種不同細胞的腦電信號。

進一步，所述步驟E具體包括以下子步驟：

E1、步驟D3中的腦電信號存儲到信號提取模塊中的存儲隊列中；?

E2、信號提取模塊中，對應3種不同細胞的腦電信號的3個計數器分別對3種不同細胞的腦電信號進行計數。