[发明专利]基于FPGA的脑电信号采集系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及信号分析领域，尤其是基于FPGA的脑电信号采集系统和方法。

背景技术

研究大脑皮层活动状况，从而了解大脑的工作原理、医治脑疾病等，具有重要的科学意义及广阔的应用前景。但是当大脑皮层生物电信号通道数多、信息量大时，如何保证对大规模信号的实时采集和提取，成为了一个亟需迫切解决的问题。

传统的大规模脑电信号采集和提取可分为软件与硬件方法两大类：软件方法优点是成本较低，操作较为简单。缺点是由于运算速度的限制，无法满足对大规模脑电信号的在线处理要求；硬件方法多采用高性能计算机作为主要处理单元，优点是能满足信号的在线处理要求，缺点是其移植性非常差且配置复杂，价格昂贵，功耗过高，使其仅限于实验研究，难以作为产业化实现。传统的脑电采集和提取方法，最多仅能处理1000个通道，相对于大脑皮层数以亿计的活动细胞，完全不能满足需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种基于FPGA的以较少硬件资源实现的应对干扰环境的多通道脑电信号采集系统。

为了解决上述技术问题，本发明的另一目的是：提供一种基于FPGA的以较少硬件资源实现的应对干扰环境的多通道脑电信号采集方法。

本发明所采用的技术方案是：基于FPGA的脑电信号采集系统，包括有多通道信号接收模块、并行处理模块、信号滤波模块、峰值检测模块和信号提取模块，所述多通道信号接收模块的输出端依次通过并行处理模块、信号滤波模块和峰值检测模块连接至信号提取模块的输入端。

进一步，所述多通道信号接收模块包括有第一计数器和用于接收脑电信号并将脑电信号送到相应通道进行并行输出的脑电信号选择器，所述第一计数器的输出端连接至脑电信号选择器的输入端。

进一步，所述并行处理模块包括有与脑电信号选择器中通道数相应的多通道处理模块，所述多通道处理模块为根据TGAM模块编码标准实现的解码模块。

进一步，所述信号滤波模块包括有移位寄存器和均值滤波器，所述移位寄存器用于保存脑电信号数据，所述移位寄存器的输出端连接至均值滤波器的输入端。

进一步，所述峰值检测模块包括有数据寄存器、波峰检测子模块和峰值判断子模块，所述数据寄存器用于接收均值滤波器的输出信号，所述数据寄存器的输出端通过波峰检测子模块连接至峰值判断子模块的输出端。

进一步，所述信号提取模块包括有存储器、脑电信号计数器和数据发送子模块，所述存储器用于接收峰值检测模块发送的信号，所述存储器的输出端连接至数据发送子模块的输入端，所述脑电信号计数器与存储器连接。

本发明所采用的另一技术方案是：基于FPGA的脑电信号采集方法，包括以下步骤：

A、多通道信号接收模块将脑电信号按照时分复用方式分别送到相应的通道中并行输出；

B、并行处理模块接收上述并行输出信号，并根据编码标准对每个通道的信号解码从而得到原始脑电信号；

C、利用移位寄存器对上述原始脑电信号进行均值滤波；

D、利用上述均值滤波的结果对信号进行波峰检测，然后进行峰值判断；

E、将峰值判断的结果发送至信号提取模块并输出。

进一步，所述移位寄存器中保存4个脑电信号，所述均值滤波的滤波表达式为：

p’=p+n₁/4+n₄/4，

其中p为当前的均值，p’为下一时刻的均值，n₁为当前的脑电信号幅度值，n₄为前面第四个时刻的脑电信号幅度值。

进一步，所述步骤D具体包括以下子步骤：

D1、将最近的6个均值滤波结果数据存入数据寄存器；

D2、读取数据寄存器中的数据，若前三个数据逐渐变大，后三个数据逐渐变小，则记录峰值；

D3、利用上述得到的峰值和3个设定好的峰值判断值分离出3种不同细胞的脑电信号。

进一步，所述步骤E具体包括以下子步骤：

E1、步骤D3中的脑电信号存储到信号提取模块中的存储队列中； 

E2、信号提取模块中，对应3种不同细胞的脑电信号的3个计数器分别对3种不同细胞的脑电信号进行计数。