本發(fā)明涉及生物電信號(hào)采集的數(shù)字電極技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于有源降噪用于腦電、心電和肌電的數(shù)字電極采集系統(tǒng)及其采集方法。

背景技術(shù)：

生物電信號(hào)采集設(shè)備接觸人的皮膚，在皮膚表面的測量電信號(hào)通常用于檢測各種生理體征，用于健康管理等?？梢詸z測出毫伏甚至微伏量級(jí)的生物電，比如可以來測量腦電信號(hào)(EEG)、心電信號(hào)(ECG)和肌電信號(hào)(EMG)。

由跳動(dòng)的心臟產(chǎn)生的電信號(hào)稱為心電，是用來評(píng)估心臟狀態(tài)，通過其評(píng)估結(jié)果可以檢測出一些種類的心臟病。由肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)稱為肌電，是用來檢測神經(jīng)肌肉活動(dòng)，通過其評(píng)估結(jié)果可以檢測肌肉萎縮癥、周圍神經(jīng)損傷或其他疾病。由大腦思維活動(dòng)，神經(jīng)元活動(dòng)而引起的，透過顱骨在頭皮區(qū)域產(chǎn)生的電信號(hào)是頭皮腦電信號(hào)。一般腦電電極被放置在頭皮區(qū)域，用于檢測神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如多動(dòng)癥、癡呆、癲癇、抑郁、精神分裂癥、聽覺神經(jīng)病變等。

通常情況下，由于腦電信號(hào)(EEG)的信號(hào)幅度小于心電信號(hào)或者肌電信號(hào)幾十倍到上百倍，所以在硬件角度，腦電信號(hào)(EEG)相比其他生物電信號(hào)是最難采集的。最常見的腦電采集方法是用有許多Ag/AgCl濕電極的帽子放在頭皮上。當(dāng)阻抗小于10k時(shí)，每個(gè)電極分別采集各個(gè)區(qū)域腦電。為了降低阻抗，技術(shù)人員通常會(huì)去除頭皮角質(zhì)層或使用導(dǎo)電凝膠用于采集。典型的腦電帽是用1米左右導(dǎo)線來連接帽子和采集系統(tǒng)的。僅僅環(huán)境電磁場噪聲信號(hào)就已經(jīng)是腦電信號(hào)的20倍左右。而且，工程師需要在一定的頻率范圍內(nèi)從信噪比很差的信號(hào)中提取很小的信號(hào)(一般在0.05到40Hz)。然后工程師必須在高增益(5000-20000倍)以及高階濾波器濾波,以確保腦電的信號(hào)記錄下來進(jìn)行分析。

通常，這些電信號(hào)是通過多個(gè)電極測量。其中一個(gè)電極是參考電極,另一個(gè)測量電極測量的是相對(duì)參考電極的電勢差。相對(duì)的電極之間電壓差信號(hào)非常小，在微伏量級(jí)。為了克服背景噪聲，檢測出微弱的生理信號(hào)，需要進(jìn)行放大和濾波。通常采用長長的導(dǎo)線連接到放大器來完成放大、濾波和采集，然而這又引入了大量噪聲。信號(hào)調(diào)理設(shè)置通常取決于被測生物電生理信號(hào)，這個(gè)功能通常是由采集系統(tǒng)提供。為了在嵌入式系統(tǒng)中存儲(chǔ)信號(hào)，并執(zhí)行數(shù)字信號(hào)處理算法，如快速傅里葉變換進(jìn)行頻譜分析等,采集的生理模擬信號(hào)通常經(jīng)過放大器后會(huì)轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。

綜上所述，對(duì)于生物電傳感測量的應(yīng)用,原始信號(hào)從電極到采集系統(tǒng)之間的傳輸長導(dǎo)線無論是在噪聲引入、硬件濾波和系統(tǒng)軟件程序中，測量獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性均存在很多問題。首先,導(dǎo)線可類比天線接收器接收環(huán)境無線信號(hào)，接收了龐大雜散的背景噪音。信號(hào)通過采集系統(tǒng)的濾波器來限制背景噪音,但是這過程中,濾波器同樣的掩蓋或改變一定的腦電信號(hào)；其次，由于在阻抗線路上有一定的信號(hào)損失,長的傳導(dǎo)線導(dǎo)致被檢測信號(hào)準(zhǔn)確性非常差。

因微弱的電信號(hào)的測量受到的干擾極大，目前這些問題嚴(yán)重影響了生物傳感的發(fā)展。因此,亟待出現(xiàn)一種適合臨床使用的降噪電極,達(dá)到改善信噪比并獲得準(zhǔn)確性高的檢測信號(hào)的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明提供了一種有源降噪的數(shù)字電極采集系統(tǒng)及其采集方法，通過有源降噪電極在接近采集點(diǎn)將信號(hào)進(jìn)行放大、過濾和模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終輸出較小噪聲的數(shù)字信號(hào)。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

一種有源降噪的數(shù)字電極采集系統(tǒng)，其特征在于，包括控制器和至少一個(gè)有源降噪數(shù)字電極：

所述控制器連接所述至少一個(gè)有源降噪數(shù)字電極并分時(shí)選擇接通一個(gè)有源降噪數(shù)字電極或者兩個(gè)以上有源降噪數(shù)字電極；

所述有源降噪數(shù)字電極用于采集身體的電信號(hào)，并將所述電信號(hào)處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再將所述數(shù)字信號(hào)輸出至所述控制器。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源降噪的數(shù)字電極采集系統(tǒng)，其特征在于，所述電信號(hào)包括腦電信號(hào)、心電信號(hào)、肌電信號(hào)中的一種或多種。

優(yōu)選地，控制器連接電極數(shù)據(jù)選擇器，所述電極數(shù)據(jù)選擇器連接所述至少一個(gè)有源降噪數(shù)字電極，控制器通過控制電極數(shù)據(jù)選擇器選擇接通不同的有源降噪數(shù)字電極。

優(yōu)選地，有源降噪數(shù)字電極包括工作電極、信號(hào)提取單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和電源單元，其中：

所述工作電極包括用于采集身體的測量電信號(hào)的采集電極以及提供標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)的參考電極；

所述信號(hào)提取單元連接所述工作電極提取所述測量電信號(hào)并進(jìn)行放大和濾波，所述信號(hào)提取單元連接所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將所述信號(hào)提取單元的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；

所述電源單元用于為所述信號(hào)提取單元和模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供電壓。

優(yōu)選地，信號(hào)提取單元包括依次連接的儀用放大器、有源低通濾波器、有源高通濾波器和可變?cè)鲆娣糯笃?；所述工作電極的輸出端連接所述儀用放大器，所述可變?cè)鲆娣糯笃鬟B接數(shù)字電位器，所述數(shù)字電位器為所述可變?cè)鲆娣糯笃魈峁┛勺冊(cè)鲆妗Ｋ鲭娫磫卧樗鲂盘?hào)提取單元提供穩(wěn)定電壓的模擬電壓基準(zhǔn)源和為所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供穩(wěn)定電壓的數(shù)字電壓基準(zhǔn)源。

優(yōu)選地，模擬電壓基準(zhǔn)源的一輸出端連接基準(zhǔn)參考源，所述基準(zhǔn)參考源的一輸出端連接所述采集電極的輸出端，所述基準(zhǔn)參考源的另一輸出端連接所述參考電極的輸出端，所述采集電極和參考電極的輸出端連接儀用放大器的輸入端；

所述基準(zhǔn)參考源用于為所述儀用放大器提供參考電壓，包括一運(yùn)算放大器和緩沖器。

優(yōu)選地，工作電極包括導(dǎo)電材料制成的纖維導(dǎo)電布或電鍍層，所述導(dǎo)電材料為銀、氯化銀和/或金、導(dǎo)電聚合物。

優(yōu)選地，至少一個(gè)有源降噪數(shù)字電極的輸出端通過一根數(shù)字信號(hào)輸出導(dǎo)線連接控制器，所述控制器包括無線射頻模塊，所述無線射頻模塊用于與外部設(shè)備進(jìn)行無線通信。

優(yōu)選地，控制器包括時(shí)鐘控制模塊，所述時(shí)鐘控制模塊連接所述電極數(shù)據(jù)選擇器和全部有源降噪數(shù)字電極，所述時(shí)鐘控制模塊用于高速同步控制數(shù)據(jù)。

本發(fā)明還提供了一種有源降噪的數(shù)字電極采集方法，具體包括以下步驟：

S1：通過控制器控制分時(shí)接通至少一個(gè)有源降噪數(shù)字電極；

S2：有源降噪數(shù)字電極采集身體的電信號(hào)；有源降噪數(shù)字電極通過工作電極采集身體的測量電信號(hào)的采集電極，通過參考電極獲得身體的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)；

有源降噪數(shù)字電極通過連接工作電極的信號(hào)提取單元提取所述測量電信號(hào)并進(jìn)行放大和濾波；

最后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將信號(hào)提取單元的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。；

S3：有源降噪數(shù)字電極將所述電信號(hào)處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再將所述數(shù)字信號(hào)輸出至所述控制器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的有源降噪的數(shù)字電極采集系統(tǒng)及其采集方法，具有以下有益效果：

本發(fā)明提供的有源降噪的數(shù)字電極采集系統(tǒng)及其采集方法，通過將信號(hào)放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能集合在接近采集接觸點(diǎn)的每一個(gè)有源降噪數(shù)字電極上，在最接近采集點(diǎn)的地方采集并用數(shù)字化方法轉(zhuǎn)變采集的生理電波信號(hào)，從而降低了噪音，改善了信噪比并獲得準(zhǔn)確性較高的檢測信號(hào)，提高了測量信號(hào)準(zhǔn)確度，保證了最終的處理及分析結(jié)果的正確可靠性。在生理電波記錄中，增強(qiáng)了信噪比。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖所作的對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的有源降噪的數(shù)字電極采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例有源降噪的數(shù)字電極采集系統(tǒng)的有源降噪數(shù)字電極的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實(shí)施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計(jì)。因此，以下對(duì)在附圖中提供的本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

在本實(shí)用新型的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“設(shè)置”、“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本實(shí)用新型中的具體含義。

另外，本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例之間的技術(shù)方案可以相互結(jié)合，但是必須是以本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)為基礎(chǔ)，當(dāng)技術(shù)方案的結(jié)合出現(xiàn)相互矛盾或無法實(shí)現(xiàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)認(rèn)為這種技術(shù)方案的結(jié)合不存在，也不在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。

下面結(jié)合附圖和示例性實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地描述，其中如果已知技術(shù)的詳細(xì)描述對(duì)于示出本實(shí)用新型的特征是不必要的，則將其省略。

為了解決目前生物電傳感測量過程中出現(xiàn)的龐大雜散的背景噪音及信號(hào)損失，本發(fā)明實(shí)施例通過改進(jìn)現(xiàn)有的信號(hào)采集系統(tǒng)獲得信號(hào)放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并且使這一過程盡可能的靠近采集接觸點(diǎn)。將信號(hào)放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能集合在接近采集接觸點(diǎn)的每一個(gè)有源降噪數(shù)字電極上，

在最接近采集點(diǎn)的地方采集并用數(shù)字化方法轉(zhuǎn)變采集的生理電波信號(hào)，從而降低了噪音，改善了信噪比并獲得準(zhǔn)確性較高的檢測信號(hào)，提高了測量信號(hào)準(zhǔn)確度，保證了最終的處理及分析結(jié)果的正確可靠性。在生理電波記錄中，增強(qiáng)了信噪比。

具體的，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種有源降噪的數(shù)字電極采集系統(tǒng)包括控制器20和至少一個(gè)有源降噪數(shù)字電極10。其中：

控制器20連接至少一個(gè)有源降噪數(shù)字電極10并分時(shí)選擇接通一個(gè)有源降噪數(shù)字電極10或者兩個(gè)以上有源降噪數(shù)字電極10；

有源降噪數(shù)字電極10用于采集身體的電信號(hào)，并將電信號(hào)處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后將數(shù)字信號(hào)輸出至控制器20。每一個(gè)有源降噪數(shù)字電極10均采集一位置區(qū)域。

所述身體的電信號(hào)包括腦電信號(hào)、心電信號(hào)和/或肌電信號(hào)。

另一種優(yōu)選的實(shí)施例，圖1是本發(fā)明實(shí)施例的有源降噪的數(shù)字電極采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，控制器20連接電極數(shù)據(jù)選擇器30，電極數(shù)據(jù)選擇器30連接至少一個(gè)有源降噪數(shù)字電極10，控制器20通過控制電極數(shù)據(jù)選擇器30接通有源降噪數(shù)字電極10。

通過電極數(shù)據(jù)選擇器30選擇有源降噪數(shù)字電極10，將其數(shù)字化的信號(hào)輸入到控制器20中，在最接近采集點(diǎn)的地方采集并用數(shù)字化方法轉(zhuǎn)變采集的生理電波信號(hào)，從而降低了噪音，改善了信噪比。在生理電波記錄中，增強(qiáng)了信噪比。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例有源降噪的數(shù)字電極采集系統(tǒng)的有源降噪數(shù)字電極的結(jié)構(gòu)示意圖。有源降噪數(shù)字電極10是一個(gè)包含高分辨率模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的電極，每一個(gè)有源降噪數(shù)字電極10均包含一個(gè)獨(dú)立的高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器19。如圖2所示，有源降噪數(shù)字電極10包括工作電極、信號(hào)提取單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器19和電源單元。其中：

工作電極包括用于采集身體的測量電信號(hào)的采集電極11以及提供標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)的參考電極12；

信號(hào)提取單元連接工作電極提取測量電信號(hào)并進(jìn)行放大和濾波，信號(hào)提取單元連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器19；

模數(shù)轉(zhuǎn)換器19用于將信號(hào)提取單元的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；

電源單元用于為信號(hào)提取單元和模數(shù)轉(zhuǎn)換器19提供電壓。

如圖2所示，信號(hào)提取單元包括依次連接的極高輸入阻抗儀用放大器13、有源低通濾波器15、有源高通濾波器16和可變?cè)鲆娣糯笃?7；工作電極的輸出端連接所述輸入阻抗儀用放大器13。

電源單元包括為信號(hào)提取單元提供穩(wěn)定電壓的模擬電壓基準(zhǔn)源20和為模數(shù)轉(zhuǎn)換器19提供穩(wěn)定電壓的數(shù)字電壓基準(zhǔn)源21。具體的，如圖2所示，模擬電壓基準(zhǔn)源20為基準(zhǔn)參考源14、有源低通濾波器15、有源高通濾波器16、可變電壓增益放大器17提供低噪聲電源保障；數(shù)字電壓基準(zhǔn)源21為模數(shù)轉(zhuǎn)換器19和數(shù)字電位器18提供電源保障。

其中，模擬電壓基準(zhǔn)源20的一輸出端連接基準(zhǔn)參考源14，基準(zhǔn)參考源14的一輸出端連接采集電極11的輸出端，基準(zhǔn)參考源14的另一輸出端連接參考電極12的輸出端，采集電極11和參考電極12的輸出端連接輸入阻抗儀用放大器13的輸入端；

輸入阻抗儀用放大器13用于將測量電信號(hào)進(jìn)行差分放大，采集電極11和參考電極12的差分電位利用極高輸入阻抗儀用放大器13被放大，輸入阻抗儀用放大器13采用固定增益輸出，基準(zhǔn)參考源14提供作為參考電壓?；鶞?zhǔn)參考源14由一個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成，同時(shí)采用一個(gè)緩沖器來提供低阻抗基準(zhǔn)。

有源低通濾波器15用于測量電信號(hào)的濾波和選頻；有源高通濾波器16用于消除電極補(bǔ)償電位及電極電位漂移；

可變?cè)鲆娣糯笃饔糜趯⒂性锤咄V波器16處理的信號(hào)進(jìn)行放大，可變?cè)鲆娣糯笃?7連接數(shù)字電位器18，實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字電位器18為可變?cè)鲆娣糯笃?7提供可變?cè)鲆妗?/p>

較佳的，有源降噪數(shù)字電極10的工作電極包括導(dǎo)電材料制成的纖維導(dǎo)電布或電鍍層，導(dǎo)電材料為銀、氯化銀和/或金、或聚合物導(dǎo)電材料。

工作電極的采集電極11測量的是相對(duì)參考電極12的電勢差，在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用濕電極傳導(dǎo)，如表面使用應(yīng)用鹽水或?qū)щ娔z進(jìn)行傳導(dǎo)；不過特殊的，在我們應(yīng)用系統(tǒng)中，更優(yōu)先采用新材料電極，系統(tǒng)可兼容多材料干濕電極。

參見圖2，每一個(gè)有源降噪數(shù)字電極10在控制器20的串行控制總線22上使能工作，利用串行控制總線22輸出控制信號(hào)控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器23選擇電極進(jìn)行使能。

控制器20還包括時(shí)鐘控制模塊，時(shí)鐘控制模塊連接電極數(shù)據(jù)選擇器30和全部有源降噪數(shù)字電極10輸出時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘控制模塊通過控制器20的時(shí)鐘信號(hào)傳輸線25連接電極數(shù)據(jù)選擇器30和全部有源降噪數(shù)字電極10，用于高速同步控制所有數(shù)據(jù)。

有源降噪數(shù)字電極10的輸出端均通過一根數(shù)字信號(hào)輸出導(dǎo)線24連接控制器20的數(shù)字信號(hào)輸出接口，進(jìn)而將數(shù)字信號(hào)傳輸至控制器20。所有的有源降噪數(shù)字電極10使用同一數(shù)字信號(hào)輸出導(dǎo)線24，通過分時(shí)選擇電極輸出減少了導(dǎo)線數(shù)量，減少了干擾。

在通信線路的外側(cè)包裹有導(dǎo)管27，導(dǎo)管27中的通信線路可以是雙向通信的電信號(hào)或者是光纖信號(hào)。

另一種實(shí)施例，在以上技術(shù)方案基礎(chǔ)上，控制器20還包括無線射頻模塊，無線射頻模塊用于與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線通信，方便了采集結(jié)果的顯示及用戶的使用。

本發(fā)明還提供了一種有源降噪的數(shù)字電極采集方法，具體包括以下步驟：

S1：通過控制器控制分時(shí)接通至少一個(gè)有源降噪數(shù)字電極；

S2：有源降噪數(shù)字電極采集身體的電信號(hào)；

S3：有源降噪數(shù)字電極將所述電信號(hào)處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再將所述數(shù)字信號(hào)輸出至所述控制器。

其中，所述步驟S2中還包括：有源降噪數(shù)字電極通過工作電極采集身體的測量電信號(hào)的采集電極，通過參考電極獲得身體的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)；

有源降噪數(shù)字電極通過連接工作電極的信號(hào)提取單元提取所述測量電信號(hào)并進(jìn)行放大和濾波；

最后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將信號(hào)提取單元的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

以上僅為本發(fā)明較佳實(shí)施例，并不用于局限本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所做的修改、等同替換和改進(jìn)等，均需要包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。