人脑皮层神经电信号高灵敏度无创性探测及分析处理系统

摘要

本发明涉及一种人脑皮层神经电信号高灵敏度无创性探测及分析处理系统，其主要技术特点是：包括全电磁屏蔽总线传输电极帽、数据总线接口信号放大器、模数转换器和计算机；全电磁屏蔽总线传输电极帽上安装有多个全电磁屏蔽短矩阵自导引自展开头皮微电极阵列模块，全电磁屏蔽短矩阵自导引自展开头皮微电极阵列模块由多个全电磁屏蔽自导引自展开头皮微电极按一定矩阵排列构成；计算机通过内部的信号数据实时分析处理系统进行分析处理。本发明设计合理，为无创性人脑计算机接口的建立提供了一种简便、可行、精确、可靠的解决方案，具有设计合理、操作简便、抗干扰能力强、无创、精确、实时等特点。

说明书

技术领域

本发明属于人脑皮层神经电信号检测技术领域，尤其是一种人脑皮层神经电信号高灵敏度无创性探测及分析处理系统。

背景技术

目前，临床上对某些疾病的诊断仍然依赖脑电图检查，但脑电图检查精度及灵敏度受如电极材料制约造成的信号衰减、电信号传递过程中的衰减，外界环境电磁干扰、信息分析手段等多种因素制约，造成获取的脑电信号细节缺失、精度及实时性降低；而且脑电图检查中头皮电极的安放及接线也极为繁琐，头皮电极容易受到头发、头皮油脂、污垢等影响而影响精度。目前较为先进的脑磁图检查，可以探测颅脑的极微弱的脑磁波，但是，因为检查环境要求苛刻及检查费用昂贵仍然不能普及。在科研方面，人脑计算机接口已经成为世界范围广泛研究的课题，而人脑计算机接口技术的关键是如何获得高精度、高灵敏度及实时的脑电信号，目前常规的方法均未取得较好的效果，有突破性进展获取人脑皮层电信号的方法多为脑中植入电极或微型芯片，但这些方法均为有创性的，由于人脑手术存在极大风险，所有这些方法目前还处于动物实验阶段，要想推广到临床还需要较长的时间。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种设计合理、操作简便、抗干扰能力强、无创、精确、实时的人脑皮层神经电信号高灵敏度无创性探测及分析处理系统。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种人脑皮层神经电信号高灵敏度无创性探测及分析处理系统，包括全电磁屏蔽总线传输电极帽、数据总线接口信号放大器、模数转换器和计算机；所述全电磁屏蔽总线传输电极帽上安装有多个全电磁屏蔽短矩阵自导引自展开头皮微电极阵列模块，所述全电磁屏蔽短矩阵自导引自展开头皮微电极阵列模块由多个全电磁屏蔽自导引自展开头皮微电极按一定矩阵排列构成；所述全电磁屏蔽短矩阵自导引自展开头皮微电极阵列模块在头皮表面探测采集人脑皮层电活动在头皮表面相映射的电信号，通过全电磁屏蔽总线传输电极帽传输至数据总线接口信号放大器，由数据总线接口信号放大器放大及模数转换后传输给计算机，计算机通过内部的信号数据实时分析处理系统进行分析处理。

所述全电磁屏蔽总线传输电极帽包括电极帽模块化接口插槽、电极帽主体和电极帽总线电缆，多个电极帽模块化接口插槽设置在电极帽主体表面上，在电极帽模块化接口插槽内安装全电磁屏蔽短矩阵自导引自展开头皮微电极阵列模块，所述电极帽总线电缆的一端与分别与每个电极帽模块化接口插槽相连接，该电极帽总线电缆的另一端与数据总线接口信号放大器相连接。

所述电极帽主体下端还安装有两个耳部镂空窗体、两组电极帽系带，两个耳部镂空窗体安装在电极帽主体下端的左右两侧用于在耳部夹标准电极，两组电极帽系带的上端安装电极帽主体下端，电极帽系带的下端与电极帽系带系紧锁扣连接在一起。

所述全电磁屏蔽短矩阵自导引自展开头皮微电极阵列模块包括微电极阵列模块基体部、电极线汇总插头、全电磁屏蔽自导引自展开头皮微电极和微电极阵列模块基体部内部连线；全电磁屏蔽自导引自展开头皮微电极嵌装在微电极阵列模块基体部内呈阵列排列的多个圆柱形孔槽内并通过微电极阵列模块基体部内部连线与电极线汇总插头相连接，所述电极线汇总插头安装在微电极阵列模块基体部的侧端，在电极线汇总插头上设有导电端子，该电极线汇总插头用于与全电磁屏蔽总线传输电极帽的电极帽模块化接口插槽相连接。

所述电极线汇总插头及微电极阵列模块基体部内部连线均采用电磁屏蔽结构。

所述电极帽模块化接口插槽中设有电极帽模块化接口插槽中的插座，微电极阵列模块基体部嵌装在电极帽模块化接口插槽中，微电极阵列模块上的电极线汇总插头与电极帽模块化接口插槽中的插座安装在一起，每个电极帽模块化接口插槽中的插座引出电极帽内部连线汇总组成电极帽总线电缆。

所述电极帽模块化接口插槽中的插座、电极帽内部连线、电极帽总线电缆均采用电磁屏蔽结构。

所述全电磁屏蔽自导引自展开头皮微电极包括电极柱、柔性可展开绝缘橡胶柱、圆柱形螺旋弹簧、电极柱外套管、电极线、绝缘橡胶管、可展开石墨烯柔性导电膜和电磁屏蔽橡胶；所述电极柱表面涂覆有石墨烯涂层并套装在电极柱外套管和柔性可展开绝缘橡胶柱内，柔性可展开绝缘橡胶柱的上端与电极柱外套管的下端连接固定，该绝缘橡胶柱的下端与电极柱头部连接固定；所述电极线的底部与电极柱的上端相连接，在电极线外包裹有绝缘层和电磁屏蔽层，电极线通过安装在电极柱外套管上端的绝缘橡胶管进行固定；所述可展开石墨烯柔性导电膜覆盖在柔性可展开绝缘橡胶柱的下端表面，并与电极柱头部相连并相互导电；述电磁屏蔽橡胶的上部包裹电极柱外套管，下部包裹柔性可展开绝缘橡胶柱上部。

所述电极柱采用导电性能良好的金属银作为主体材质，该电极柱头部为钝圆半球状，该电极柱主体为圆柱体，在电极柱主体上设有阻挡固定环用于限制电极柱相对于电极柱外套管的运动范围并阻挡圆柱形螺旋弹簧。

所述电极柱外套管为圆桶形硬绝缘塑料管，在电极柱外套管内设有上圆环、中圆环和下圆环，该上圆环用于固定绝缘橡胶管并引出电极线，该中圆环用于支撑电极柱滑动并限制弹簧，该下圆环用于支撑电极柱滑动并限制其向下运动范围。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明将全电磁屏蔽短矩阵自导引自展开头皮微电极阵列模块、模块化接口全电磁屏蔽总线传输电极帽、数据总线接口信号放大器、模数转换器、计算机结合起来，实时探测采集人脑皮层电活动在头皮表面相映射区域的微电磁信号并加以放大并数字转换、通过计算机对收集的数据实时分析及处理，系统中的头皮微电极可避开头发自行引导至头皮表面，电极头部可自行延头皮表面展开从而增大电极与头皮的有效接触面积，电极采用导电性能非常优异石墨烯材料并通过模数转换器之前的系统采用全电磁屏蔽设计，从而保证收集的信号的强度及精度。

2、本发明的全电磁屏蔽自导引自扩展石墨烯头皮微电极组通过密集排列组成短矩阵阵列模块，可以更加精细地捕捉对应脑皮层电活动的范围及变化。模块化接口全电磁屏蔽总线传输电极帽与全电磁屏蔽短矩阵自导引自扩展石墨烯头皮微电极阵列模块采用模块化接口设计进行插接并采用总线设计与后台设备连接，检查者可为被检查者快速的安装头皮微电极并连接后台设备。

3、本发明采用模块化接口设计，可以根据检查或实验的需要增加头皮微电极阵列模块或更换损坏的模块，从而降低设备维护及维修成本。计算机对收集的数据进行实时的分析及处理，并将结果存储、输出到指定的设备或端口以供研究分析及应用。所收集的数据通过整合也可被一部分现有的脑电信号分析软件利用。

4、本发明为研究人脑皮层电生理活动、一些神经科系统疾病的早期及精确诊断、以及无创性人脑计算机接口的建立提供了一种简便、可行、精确、可靠的解决方案，具有设计合理、操作简便、抗干扰能力强、无创、精确、实时等特点。

附图说明

图1是本发明的系统连接示意图；

图2是全电磁屏蔽自导引自展开头皮微电极的结构示意图；

图3是全电磁屏蔽自导引自展开头皮微电极的展开后结构示意图；

图4是全电磁屏蔽自导引自展开头皮微电极的三维示意图；

图5是全电磁屏蔽短矩阵自导引自展开头皮微电极阵列模块的三维透视示意图；

图6是全电磁屏蔽短矩阵自导引自展开头皮微电极阵列模块的内部连线示意图；

图7是全电磁屏蔽短矩阵自导引自展开头皮微电极阵列模块的三维示意图；

图8是模块化接口全电磁屏蔽总线传输电极帽的结构示意图；

图9是电极帽模块化接口的结构示意图(未插入头皮微电极阵列模块)；

图10是电极帽模块化接口的结构示意图(已插入头皮微电极阵列模块)；

图11是本发明的系统电路方框图；

图12是微电极阵列三维模式图与二维平面对照图；

图13是微电极阵列瞬时电位三维柱状图；

图14是微电极阵列瞬时电位二维图；

图15是计算机的软件处理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种人脑皮层神经电信号高灵敏度无创性探测及分析处理系统，如图1所示，包括模块化接口全电磁屏蔽总线传输电极帽、数据总线接口信号放大器、模数转换器和计算机。所述模块化接口全电磁屏蔽总线传输电极帽上安装有多个全电磁屏蔽短矩阵自导引自展开头皮微电极阵列模块，所述全电磁屏蔽短矩阵自导引自展开头皮微电极阵列模块由全电磁屏蔽自导引自展开头皮微电极按一定矩阵排列构成。所述全电磁屏蔽短矩阵自导引自展开头皮微电极阵列模块在头皮表面探测采集人脑皮层电活动在头皮表面相映射的电信号，通过全电磁屏蔽总线传输电极帽的数据总线接口传输至数据总线接口信号放大器，由信号放大器放大及模数转换后传输给计算机。计算机内安装有安装有信号数据实时分析处理系统，计算机对所收集的数据通过实时自动分析、处理，并将结果存储、输出到指定的设备或端口以供研究、分析及应用。下面对系统中的各部分分别进行说明：

如图2至图4所示，所述全电磁屏蔽自导引自展开头皮微电极包括电极柱1-1、电极柱表面石墨烯涂层1-2、柔性可展开绝缘橡胶柱1-3、圆柱形螺旋弹簧1-4、电极柱外套管1-5、电极线1-6、电极线线芯外部包裹的绝缘层和电磁屏蔽层1-7、绝缘橡胶管1-8、可展开石墨烯柔性导电膜1-9和电磁屏蔽橡胶1-10。下面对头皮微电极的各个部分分别进行说明：

电极柱1-1：采用导电性能良好的金属银作为主体材质，该电极柱头部1-a为钝圆半球状，电极柱主体1-b为圆柱体，在电极柱主体1-b上设有阻挡固定环1-c，该阻挡固定环1-c用于限制电极柱相对于电极柱外套管的运动范围并阻挡圆柱形螺旋弹簧1-4；在电极柱主体的下端与电极柱头部之间为柔性可展开绝缘橡胶柱展开引导部1-d。

电极柱表面石墨烯涂层1-2：涂覆在电极柱表面上，该电极柱表面石墨烯涂层具有良好的导电性能。

柔性可展开绝缘橡胶柱1-3：由上到下逐渐变薄，该绝缘橡胶柱的上端与电极柱外套管的下端连接固定，该绝缘橡胶柱的下端与电极柱头部连接固定。

圆柱形螺旋弹簧1-4：安装在电极柱外套管内，其下端被阻挡固定环定，其上端被电极柱外套管限定。

电极柱外套管1-5：为圆桶形硬绝缘塑料管，用于支撑电极柱沿电极柱外套管纵轴方向滑动，电极柱外套管的下部与柔性可展开绝缘橡胶柱1-3紧密连接。该电极柱外套管设有上圆环1-e、中圆环1-f、下圆环1-g，其中，上圆环用于固定绝缘橡胶管1-8并引出电极线，中圆环用于支撑电极柱滑动并限制弹簧，下圆环用于支撑电极柱滑动并限制其向下运动范围，在电极柱外套管内形成一个电极线缓冲仓1-h和一个弹簧压缩仓1-i。

电极线1-6：使用导电性优良的银等金属材料设置在电极柱外套管1-5内，其底部与电极柱的上端相连接；

绝缘层和电磁屏蔽层1-7：包裹在电极线线芯外部。

绝缘橡胶管1-8：用于固定并从电极柱外套管1-5的上圆环引出电极线。

可展开石墨烯柔性导电膜1-9：覆盖在柔性可展开绝缘橡胶柱1-3的下端表面，并与电极柱头部相连并相互导电，展开后呈圆盘状电极与头皮紧密接触，增加头皮微电极与头皮接触面积。

电磁屏蔽橡胶1-10：橡胶内部含有银等金属颗粒，具有良好的电磁屏蔽作用，阻挡外部的电磁屏蔽干扰及微电极之间的电磁干扰。电磁屏蔽橡胶1-10的上部包裹电极柱外套管，下部包裹柔性可展开绝缘橡胶柱1-3上部，当柔性可展开绝缘橡胶柱1-3变形展开折叠后，可屏蔽外部电磁干扰对可展开石墨烯柔性导电膜电极影响。

整个全电磁屏蔽自导引自展开头皮微电极排列呈尖端向下的流线型，使得头皮微电极下降到头皮表面过程中顺利避开毛发，电极柱头部呈钝圆，在上方一定的压力下可以深入头皮皮肤表面一部分但又不会刺破头皮皮肤，这样可以排开头皮表面油渍或污垢，与头皮表面紧密接触，石墨烯因为具有优秀的导电性能同时对人体组织有着良好的亲和性，所以有具有石墨烯涂层的电极柱可以极大增强所收集电信号的强度并减少传输过程中的损耗。当电极柱头部抵达并深入头皮皮肤后电极柱停止下降，此时电极柱外套管继续下降时与电极柱发生相对运动并压缩弹簧，此时柔性可展开绝缘橡胶柱受到电极柱外套管的向下的压力而发生变形，因为柔性可展开绝缘橡胶柱管壁从上至下由厚逐渐变薄，所以从最下端最薄处(柔性可展开绝缘橡胶柱向外变形展开开始部)1-12开始变形，并沿着柔性可展开绝缘橡胶柱展开引导部1-d的引导方向向外贴着头皮表面逐渐延展变形，从柔性可展开绝缘橡胶柱折叠部1-11处折叠形成双层圆盘状，圆盘上层有电磁屏蔽涂层，圆盘下层有柔性导电膜与头皮1-13紧密接触并与电极柱头部导电连接，如图3所示，头皮1-13由外向内依次为皮肤层、皮下组织层、帽状腱膜层。

如图5至图7所示，全电磁屏蔽短矩阵自导引自展开头皮微电极阵列模块，包括微电极阵列模块基体部2-1、电极线汇总插头2-2、电极线汇总插头中的导电端子2-3、头皮微电极2-4和微电极阵列模块基体部内部连线2-5。

微电极阵列模块基体部2-1：呈扁平立方形，由绝缘硬塑料构成，一侧面有呈阵列排列的多个圆柱形孔槽，头皮微电极可以插入其中，使头皮微电极组成短矩阵阵列。本实施例给出的微电极阵列模块基体部为扁平立方形，实际上，微电极阵列模块基体部形状也可以为其它形状，如圆形、椭圆形、或特定形状(如某一大脑皮层功能区头皮映射形状)，相应的电极帽模块化接口插槽对应相应的形状。

电极线汇总插头2-2：通过微电极阵列模块基体部内部连线连接相对应的头皮微电极的电极线，当头皮微电极阵列模块插入电极帽模块化接口插槽后，与电极帽模块化接口插槽中的插座相插接。

电极线汇总插头中的导电端子2-3：安装在电极线汇总插头上。

头皮微电极2-4为图2至图4所示的全电磁屏蔽自导引自展开头皮微电极。

微电极阵列模块基体部内部连线2-5：每根连线一端连接头皮微电极引出的电极线，另一端连接电极线汇总插头上的导电端子，如图6所示。

上述电极线汇总插头2-2及微电极阵列模块基体部内部连线2-5均采用电磁屏蔽设计。模块中微电极数量和阵列排列方式可根据具体要求调整，汇总插头导电中端子数量也可根据具体要求调整。

如图8所示，模块化接口全电磁屏蔽总线传输电极帽包括电极帽模块化接口插槽3-1、电极帽主体3-2、耳部镂空窗体3-3、电极帽系带3-4、电极帽系带系紧锁扣3-5、电极帽总线电缆3-6。多个电极帽模块化接口插槽设置在电极帽主体表面上，耳部镂空窗体安装在电极帽主体下端的左右两侧以便于在耳部夹标准电极，两组电极帽系带的上端安装电极帽主体下端，电极帽系带的下端与电极帽系带系紧锁扣连接在一起，电极帽总线电缆安装在电极帽主体后侧下端。

电极帽模块化接口插槽用于插装全电磁屏蔽短矩阵自导引自展开头皮微电极阵列模块，其具体安装关系如图9及图10所示。电极帽模块化接口插槽3-1中设有电极帽模块化接口插槽中的插座3-7，微电极阵列模块基体部嵌装在电极帽模块化接口插槽中，微电极阵列模块上的电极线汇总插头与电极帽模块化接口插槽中的插座3-7安装在一起，电极帽模块化接口插槽中的插座引出电极帽内部连线3-8并与电极帽总线电缆连接在一起。如图9所示，当将微电极模块按箭头方向压入电极帽模块化接口插槽中，电极线汇总插头与电极帽模块化接口插槽中的插座相插接，如图10，并通过电极帽内部连线汇总到电极帽总线电缆中。

电极帽模块化接口插槽中的插座、电极帽内部连线、电极帽总线电缆均采用电磁屏蔽设计。

数据总线接口信号放大器：与电极帽总线电缆相连接，用于接收电极帽总线电缆的信号并放大，并将放大后的信号传送至模数转换器。

模数转换器：与数据总线接口信号放大器相连接，用于接收信号放大器传来的模拟信号并将模拟信号转换成数字信号传入计算机。

整个人脑皮层神经电信号高灵敏度无创性探测及分析处理系统的连接，如图11所示。

计算机内安装有信号数据实时分析处理系统，对计算机对所收集的数据通过实时自动分析、处理。由于头皮微电极排列非常紧密，通过多种方法获得强度更好、干扰及损耗更少的电信号，从而可以对大脑皮层电活动在头皮表面的映射进行精细电位分析，可以对某些神经系统疾病对大脑的影响进行更加精细的分析，做到早期诊断、精确诊断，甚至对某些神经系统疾病有着新的认识。计算机内设有原始数据存储单元、实时分析处理单元

(1)原始数据存储单元:按时间轴记录每一个头皮微电极收集头皮电位数据。

(2)实时分析处理单元实现定位分析、定性分析数据库、动作意图数据库以及传统分析，其中：

定位分析：如图12a和图12b所示，某一头皮微电极模块中头皮微电极所对应头皮坐标，通过分析模块中每个头皮微电极在某一时间电位数据，如图13、14所示，坐标B2微电极电位明显高于其他电极(黑色表示)，坐标A2、B1、B3、C2微电极电位略低于B2(灰色表示)，其他坐标微电极电位很低(白色表示)，我们可以直观的看到坐标B2为局灶放电起源，随着时间的推移，它向周边扩散，形成一个电场，电场逐渐减弱。系统可以按时间轴分析所有头皮微电极模块中每个头皮微电极的电位变化，从而分析部分或者整个大脑电位变化。

定性分析数据库:已知一些神经系统疾病的特征数据存入定性分析数据库中，系统将获得的原始数据与数据库中数据自动比对，从而自动分析出原始数据与某些神经系统疾病特征数据的匹配程度，从而协助医务人员推导出可能的诊断。

动作意图数据库：存储正常人群单一动作及复合动作的脑电信号特征数据，如抬左前臂、闭右眼等单一动作，行走等复合动作。系统将即时获得的原始数据信号与动作意图数据库做比对，即时推导出人此时的意图，并将此意图的启动信号通过端口输出至外周设备，如机械臂、机械下肢等机械辅助装置、康复设备等，使人脑计算机接口成为可能。

传统分析：将原始数据转换输出为传统多导脑电图波形供研究或使用者分析使用。

(3)输出单元：可将分析结果输出至显示设备、打印设备、并可通过端口输出至康复设备、机械辅助装置等，甚至可以操控电脑，如图15所示。

计算机内安装有信号数据实时分析处理系统的扩展功能：本系内所有软件均可以升级，所有特征数据库均可不断升级及共享，可加入更多神经系统疾病特征数据，对数据的解析软件多样化，满足临床、及科研的不同要求，增加了系统的可用性、扩展性并降低维护成本。本系统数据通过数据调整兼容目前已知的一些脑电信号分析软件，最大程度的符合使用者或研究者的使用习惯。本系统也可通过单片机或计算机微型化，整个系统体积可以很小甚至随身携带，为人脑计算机接口民用化创造可能。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。