生物體表電信號(hào)探測(cè)電極陣列的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種生物體表電信號(hào)探測(cè)電極陣列，包括柔性印刷電路板的電極載體，所述電極載體采用雙面印刷電路布線，在電極載體上設(shè)有陣列狀排列的電極點(diǎn)，所述電極載體的電極點(diǎn)陣列左右平均分割為2個(gè)區(qū)域，并分別采用2?3mm的印刷電路布線作為地線進(jìn)行全封閉包圍，所述電極點(diǎn)上還設(shè)置有微型加熱電阻，每個(gè)微型加熱電阻有兩個(gè)引腳，其中一個(gè)引腳通過(guò)與焊盤(pán)另一側(cè)的PCB布線，連接至公共接口端，另一個(gè)引腳通過(guò)與焊盤(pán)另一側(cè)的PCB布線，連接至5V電源，所述微型加熱電阻與焊盤(pán)、焊錫之間均呈絕緣連接，且微型加熱電阻本體埋于焊錫之中。本實(shí)用新型可使得每個(gè)電極點(diǎn)的溫度可控，減小溫度誤差。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
生物體表電信號(hào)探測(cè)電極陣列
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種適用于生物體表面微弱電信號(hào)的探測(cè)電極陣列的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]生物體表面的電信號(hào)探測(cè)一直是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的難題之一。生物體表的電信號(hào)探測(cè)有以下問(wèn)題:
[0003]1、信號(hào)幅度非常微弱，如神經(jīng)電位、肌電信號(hào)等，用常規(guī)的探測(cè)方法和設(shè)備無(wú)法直接獲取，若引入放大器，則會(huì)帶來(lái)很大干擾并使得原有信號(hào)特征被噪聲信號(hào)淹沒(méi)。
[0004]2、現(xiàn)有生物電信號(hào)的獲取大部分采用微電極，并且為了獲取神經(jīng)電信號(hào)、生物觸發(fā)信號(hào)等微弱信號(hào)，為了避免噪聲，采用侵入式探測(cè)方法(如針狀電極等)，不僅對(duì)被測(cè)生物體帶來(lái)了額外的傷害，而且會(huì)引入新的噪聲。
[0005]3、生物信號(hào)是非平穩(wěn)信號(hào)，隨機(jī)性強(qiáng)，根據(jù)不同的測(cè)試條件和需求，電極的狀態(tài)和探測(cè)方法需要及時(shí)改變。
[0006]4、因?yàn)樯矬w和生物信號(hào)本身的特性，現(xiàn)有的探測(cè)電極無(wú)法保證測(cè)試條件的一致性。
[0007]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種針對(duì)生物體表微弱電信號(hào)探測(cè)的電極陣列探測(cè)系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是為生物體體表微弱電信號(hào)提供一種高效、可靠的電極探測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的穩(wěn)定、高效探測(cè)。
[0009 ]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0010]—種生物體表微弱電信號(hào)探測(cè)電極系統(tǒng)，包括采用柔性印刷電路板的電極載體，所述電極載體采用雙面印刷電路布線，在電極載體上設(shè)有陣列狀排列的電極點(diǎn)，所述電極載體的電極點(diǎn)陣列左右平均分割為2個(gè)區(qū)域，并分別采用2-3_的印刷電路布線作為地線進(jìn)行全封閉包圍，并且所述的電極點(diǎn)上設(shè)置焊盤(pán)，并通過(guò)焊錫填充焊盤(pán)的方式實(shí)現(xiàn)焊錫與焊盤(pán)的電連接，焊錫表面鍍銀或氯化銀，在采用雙面電路布線的電極載體的其中一面印刷電路上將各電極點(diǎn)焊盤(pán)通過(guò)印刷布線電連接至公共接口端，公共接口端通過(guò)屏蔽電纜連接至激勵(lì)源和信號(hào)采集器，公共接口端可根據(jù)需要對(duì)探測(cè)點(diǎn)電極的探測(cè)/激勵(lì)以及電平狀態(tài)進(jìn)行控制，所述電極點(diǎn)上還設(shè)置有微型加熱電阻，微型加熱電阻通過(guò)與焊盤(pán)另一側(cè)的PCB布線，連接至公共接口端，所述微型加熱電阻與焊盤(pán)呈絕緣連接，且微型加熱電阻本體埋于焊錫之中。所述的生物體表微弱電信號(hào)探測(cè)電極系統(tǒng)，其特征在于:所述電極點(diǎn)上的焊錫填充高度統(tǒng)一控制在5mm，形狀為半球形。
[0011]該探測(cè)電極配套使用的探測(cè)系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下:采用低頻屏蔽電纜制作連接線組件，避免微弱電信號(hào)的互相干擾和引入噪聲。其接線包括每個(gè)電極點(diǎn)的數(shù)據(jù)連接線、接地信號(hào)傳輸專(zhuān)用線路。數(shù)據(jù)連接線與接地信號(hào)線交錯(cuò)排列以最大限度的降低信號(hào)線之間的串?dāng)_。輸出端口與控制電路板連接，且控制電路板的電路地與電極探測(cè)地相連，保證接地電位的統(tǒng)一。
[0012]優(yōu)選的，微型加熱電阻表面可涂覆復(fù)合樹(shù)脂絕緣材料。
[0013]控制系統(tǒng)包括信號(hào)前端輸入光電耦合放大模塊、低通濾波模塊、單片機(jī)控制模塊、輸出放大模塊、存儲(chǔ)模塊、輸入鍵盤(pán)。光電耦合放大模塊采用OPA系列光電耦合一體化放大芯片即可;低通濾波模塊采用二階巴特沃夫?yàn)V波器，截止頻率設(shè)計(jì)為15kHz。單片機(jī)控制模塊對(duì)輸入、輸出信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，并且通過(guò)串行口連接E2R0M芯片或USB芯片，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的片上存儲(chǔ)或USB外部存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。
[0014]該控制系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)采用多組屏蔽的設(shè)計(jì)方法，其地線采用2-3mm的超寬布線，且走線形狀為閉環(huán)包圍形式，以使得地線包圍范圍內(nèi)的電極實(shí)現(xiàn)較高的隔離效果。
[0015]單片機(jī)控制流程如下:
[0016]1、在空載狀態(tài)下先對(duì)電極陣列的邊角四個(gè)位置的電極點(diǎn)和中心位置的四個(gè)電極點(diǎn)進(jìn)行掃描，判斷其電平的誤差，如果在5%以上，則通過(guò)改變電極單元的溫度進(jìn)行校準(zhǔn)。通過(guò)單片機(jī)控制不同區(qū)域的加熱電阻輸出功率，直至系統(tǒng)誤差符合要求。
[0017]2、通過(guò)用戶(hù)鍵盤(pán)對(duì)電極點(diǎn)的輸入和輸出狀態(tài)進(jìn)行逐一設(shè)定。
[0018]3、對(duì)預(yù)置的輸入信號(hào)進(jìn)行選擇。典型的輸入信號(hào)可選擇:方波、三角波、正弦波、高電平、低電平。同時(shí)設(shè)定輸入信號(hào)的峰峰值(mV)、周期(ms)。
[0019]4、按照設(shè)定對(duì)電極進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)掃描探測(cè)電極點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中。
[0020]本發(fā)明的生物體體表電信號(hào)探測(cè)電極，采用柔性、絕緣的材料作為電極陣列排布的載體，電極底部呈現(xiàn)半球狀表面與體表接觸，所有電極可根據(jù)生物信號(hào)探測(cè)需要實(shí)現(xiàn)編程，可以連接信號(hào)發(fā)生器作為激勵(lì)電極，也可以連接示波器或信號(hào)采集裝置作為探測(cè)電極，亦可以接地作為屏蔽電極。如果需要探測(cè)恒定電平在生物體內(nèi)的傳輸特性，還可以將探測(cè)或激勵(lì)電極直接設(shè)定為高/低電平位置，可實(shí)現(xiàn)生物體表信號(hào)的高速、靈活化的測(cè)量。
[0021]該探測(cè)系統(tǒng)的控制端包括以下幾部分組成:電路基板、單片機(jī)芯片及其外圍電路、開(kāi)關(guān)陣列及其地址線和數(shù)據(jù)線、信號(hào)采集電路模塊、存儲(chǔ)模塊、信號(hào)激勵(lì)模塊、上位機(jī)通信豐旲塊、輸入鍵盤(pán)t旲塊及顯不t旲塊。
[0022]該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，對(duì)開(kāi)關(guān)陣列進(jìn)行控制，開(kāi)關(guān)狀態(tài)為導(dǎo)通，則所對(duì)應(yīng)端口為待測(cè)或激勵(lì)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)斷開(kāi)則所對(duì)應(yīng)端口為接地狀態(tài)，呈現(xiàn)低電平。開(kāi)關(guān)陣列通過(guò)地址線及數(shù)據(jù)線與單片機(jī)通信，并接受單片機(jī)控制。
[0023]信號(hào)采集電路包括前級(jí)放大器、光電耦合電路、電源隔離模塊及低通濾波器。所述前級(jí)放大器選用三組普通運(yùn)放器件組成差動(dòng)放大器以抑制共模噪聲;光電耦合電路選擇內(nèi)部帶有光電隔離的一體式儀器放大器，電源隔離模塊選擇DC/DC隔離芯片。低通濾波器采用巴特沃斯二階濾波器，截止頻率為8kHz_l 5kHz。
[0024]上述模塊采用一點(diǎn)接地方式接地，并且控制模塊表面采用金屬屏蔽罩以杜絕電磁干擾。
[0025]與現(xiàn)有的電生理探測(cè)技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果:
[0026]I)可以非平面多點(diǎn)同時(shí)探測(cè)或激勵(lì)，并實(shí)現(xiàn)高速、高通量的測(cè)試以及存儲(chǔ)。
[0027]2)在實(shí)際探測(cè)應(yīng)用時(shí)，該探測(cè)電極系統(tǒng)只需固定一次，后續(xù)的各電極狀態(tài)可根據(jù)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，以最大限度保證試驗(yàn)條件的一致性。
[0028]3)電極陣列采用柔性PCB板作為基底，可根據(jù)生物體表形狀進(jìn)行貼合，同時(shí)在電極表面鍍氯化銀作為非極化電極，最大限度的減小接觸環(huán)節(jié)噪聲的引入。
[0029]4)通過(guò)設(shè)定電極陣列上的幾個(gè)、一排或多排電極的接地，可以有效的實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)、探測(cè)信號(hào)在電學(xué)上的隔離，以防止偽跡的出現(xiàn)。
[0030]5)針對(duì)該電極陣列設(shè)計(jì)的探測(cè)系統(tǒng)采用了單片機(jī)智能控制、多種連接方式、低噪聲設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)體表電生理信號(hào)的高效探測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0031 ]圖1是生物體表電信號(hào)探測(cè)電極陣列俯視示意圖。
[0032]圖2是生物體表電信號(hào)探測(cè)電極陣列中電極單元的側(cè)視示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖，作詳細(xì)說(shuō)明，如圖1、圖2所示，采用柔性印刷電路板的電極載體3，所述電極載體3采用雙面印刷電路布線，在電極載體3上設(shè)有陣列狀排列的電極點(diǎn)2，所述電極載體3的電極點(diǎn)陣列左右平均分割為2個(gè)區(qū)域，并分別采用2-3_的印刷電路布線作為地線I進(jìn)行全封閉包圍，并且所述的電極點(diǎn)2上設(shè)置焊盤(pán)6，并通過(guò)焊錫7填充焊盤(pán)的方式實(shí)現(xiàn)焊錫7與焊盤(pán)6的電連接，焊錫表面鍍銀或氯化銀8，在采用雙面電路布線的電極載體3的其中一面印刷電路上將各電極點(diǎn)2焊盤(pán)6通過(guò)印刷布線4電連接至公共接口端5，公共接口端5通過(guò)屏蔽電纜連接至激勵(lì)源和信號(hào)采集器，公共接口端5可根據(jù)需要對(duì)探測(cè)點(diǎn)電極的探測(cè)/激勵(lì)以及電平狀態(tài)進(jìn)行控制，所述電極點(diǎn)2上還設(shè)置有微型加熱電阻9，每個(gè)微型加熱電阻9有兩個(gè)引腳，其中一個(gè)引腳通過(guò)與焊盤(pán)6另一側(cè)的PCB布線，連接至公共接口端5，另一個(gè)引腳通過(guò)與焊盤(pán)6另一側(cè)的PCB布線，連接至5V電源，所述微型加熱電阻與焊盤(pán)6、焊錫7之間均呈絕緣連接，且微型加熱電阻9本體埋于焊錫之中。所述電極點(diǎn)2上的焊錫7填充高度統(tǒng)一控制在5mm，形狀為半球形。并且在電路板上將各電極點(diǎn)位焊盤(pán)通過(guò)印刷布線的方式電連接至公共接口端，公共接口端可根據(jù)需要對(duì)探測(cè)點(diǎn)電極的探測(cè)/激勵(lì)以及電平進(jìn)行控制。在電極點(diǎn)位上，通過(guò)焊錫填充焊盤(pán)的方式實(shí)現(xiàn)焊錫與焊盤(pán)的電連接。焊錫表面鍍氯化銀，以適應(yīng)多次測(cè)量的環(huán)境而避免被氧化。
[0034]電極點(diǎn)2上的微型加熱電阻9其中一個(gè)引腳連接至公共接口端后，連接鎖存器后再連接至控制系統(tǒng)。
[0035]采用低頻屏蔽電纜，優(yōu)選同軸電纜制作連接線組件，避免微弱電信號(hào)的互相干擾和引入噪聲。其接線包括每個(gè)電極點(diǎn)的數(shù)據(jù)連接線、接地信號(hào)傳輸專(zhuān)用線路。數(shù)據(jù)連接線與接地信號(hào)線交錯(cuò)排列以最大限度的降低信號(hào)線之間的串?dāng)_。輸出端口 5與控制電路板連接，且控制電路板的電路地與電極探測(cè)地相連，保證接地電位的統(tǒng)一。
[0036]信號(hào)控制端包括:信號(hào)前端輸入光電耦合放大模塊、低通濾波模塊、單片機(jī)控制模塊、輸出放大模塊、外接存儲(chǔ)模塊、輸入鍵盤(pán)，所述單片機(jī)控制模塊通過(guò)串行口與存儲(chǔ)模塊連接，所述外接存儲(chǔ)模塊采用E2R0M芯片或FLASH閃存芯片。通過(guò)單片機(jī)編程控制通道選擇器的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電極陣列的電極選擇，并確定工作模式是輸入或輸出，如果是輸入模式，則信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合、放大電路、低通濾波電路、單片機(jī)輸入接口后輸入單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)于外接存儲(chǔ)模塊，實(shí)現(xiàn)電極信號(hào)的采集;如果是輸出模式，則根據(jù)單片機(jī)程序產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)放大模塊、通道選擇器后加到指定電極上實(shí)現(xiàn)電極信號(hào)的激勵(lì)，特別的，在此模式下輸出的信號(hào)為O，則電極電位為O，工作狀態(tài)為接地(屏蔽)；通過(guò)單片機(jī)對(duì)通道選擇器每個(gè)通道的循環(huán)選擇，實(shí)現(xiàn)電極陣列上所有電極狀態(tài)的控制。使用單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)地址線、數(shù)據(jù)線分別設(shè)定各電極的工作狀態(tài)，為接地電極(屏蔽電極)、探測(cè)電極、激勵(lì)電極中的一種。同時(shí)，由單片機(jī)可以選通指定的電極點(diǎn)內(nèi)的微型加熱電阻進(jìn)行激勵(lì)，使其產(chǎn)生熱量，電極點(diǎn)內(nèi)微型加熱電阻的選取方法與電極點(diǎn)的選取方法相同，也通過(guò)單片機(jī)控制通道選擇器進(jìn)行加熱。單片機(jī)選通某電極點(diǎn)內(nèi)微型加熱電阻的方法是:通過(guò)通道選擇器定位到某一個(gè)微型加熱電阻，如果需要加熱，輸出為低電平(O電平)，經(jīng)鎖存器鎖存，則微型加熱電阻產(chǎn)生5V壓降，進(jìn)行加熱;如果不需要加熱，輸出為高電平(5V)，經(jīng)鎖存器鎖存，則微型加熱電阻兩端無(wú)壓降，則不進(jìn)行加熱。
[0037]所述光電親合放大模塊米用OPA系列光電親合一體化放大芯片，所述低通濾波模塊采用二階巴特沃夫?yàn)V波器，截止頻率設(shè)計(jì)為llkHz-15kHz，所述的通道選擇器可采用1-3片CD4067芯片。
[0038]整個(gè)電極基板平均分為左右兩個(gè)區(qū)域。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，使用單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)地址線、數(shù)據(jù)線分別設(shè)定各電極的工作狀態(tài)，為接地電極、探測(cè)電極、激勵(lì)電極中的一種。實(shí)現(xiàn)激勵(lì)、探測(cè)信號(hào)在電學(xué)上的隔離，在電極上形成一個(gè)信號(hào)傳輸通道。
[0039]電極基板進(jìn)入待測(cè)狀態(tài)后，單片機(jī)對(duì)基板上不同位置的電極信號(hào)進(jìn)行掃描式探測(cè)，并將探測(cè)結(jié)果臨時(shí)存儲(chǔ)于E2R0M或外置存儲(chǔ)器中，對(duì)所有電極點(diǎn)的靜態(tài)電位(直流電平)進(jìn)行測(cè)定。全部掃描完成后取最大值Vm，并再次對(duì)電極點(diǎn)進(jìn)行逐一校準(zhǔn)，校準(zhǔn)方式為:對(duì)每個(gè)電極點(diǎn)進(jìn)行加熱，加熱后期探測(cè)值Vi (i = l,2,3……)將會(huì)升高，直至其升高到Vm值的5 %誤差限之內(nèi)為止，如此循環(huán)一遍，直至每個(gè)電極點(diǎn)的探測(cè)目標(biāo)值差距均達(dá)到5%以?xún)?nèi)，即可開(kāi)始進(jìn)行實(shí)際探測(cè)。這樣的方式可通過(guò)溫度漂移的誤差抵消接觸電阻、濕度變化、外界干擾等其他引入誤差，實(shí)現(xiàn)探測(cè)的誤差最小化。
[0040]對(duì)預(yù)置的輸入信號(hào)進(jìn)行選擇。典型的輸入信號(hào)可選擇:方波、三角波、正弦波、高電平、低電平。同時(shí)設(shè)定輸出激勵(lì)信號(hào)的峰峰值(mV)、周期(ms)，以及探測(cè)電極的采集周期，優(yōu)選為0.05ms。按照設(shè)定對(duì)電極進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)并行或串行方式掃描探測(cè)電極點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將其以離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種生物體表電信號(hào)探測(cè)電極陣列，其特征在于:采用柔性印刷電路板的電極載體(3)，所述電極載體(3)采用雙面印刷電路布線，在電極載體(3)上設(shè)有陣列狀排列的電極點(diǎn)(2)，所述電極載體(3)的電極點(diǎn)陣列左右平均分割為2個(gè)區(qū)域，并分別采用2-3mm的印刷電路布線作為地線(I)進(jìn)行全封閉包圍，并且所述的電極點(diǎn)(2)上設(shè)置焊盤(pán)(6)，并通過(guò)焊錫(7)填充焊盤(pán)的方式實(shí)現(xiàn)焊錫(7)與焊盤(pán)(6)的電連接，焊錫表面鍍銀或氯化銀(8)，在采用雙面電路布線的電極載體(3)的其中一面印刷電路上將各電極點(diǎn)(2)焊盤(pán)(6)通過(guò)印刷布線(4)電連接至公共接口端(5)，公共接口端(5)通過(guò)屏蔽電纜連接至激勵(lì)源和信號(hào)采集器，公共接口端(5)可根據(jù)需要對(duì)探測(cè)點(diǎn)電極的探測(cè)/激勵(lì)以及電平狀態(tài)進(jìn)行控制，所述電極點(diǎn)(2)上還設(shè)置有微型加熱電阻(9)，每個(gè)微型加熱電阻(9)有兩個(gè)引腳，其中一個(gè)引腳通過(guò)與焊盤(pán)(6)另一側(cè)的PCB布線，連接至公共接口端(5)，另一個(gè)引腳通過(guò)與焊盤(pán)(6)另一側(cè)的PCB布線，連接至5V電源，所述微型加熱電阻與焊盤(pán)(6)、焊錫(7)之間均呈絕緣連接，且微型加熱電阻(9)本體埋于焊錫之中。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物體表電信號(hào)探測(cè)電極陣列，其特征在于:所述電極點(diǎn)(2)上的焊錫(7)填充高度統(tǒng)一控制在5mm，形狀為半球形。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物體表電信號(hào)探測(cè)電極陣列，其特征在于:所述電極點(diǎn)(2)上的微型加熱電阻(9)其中一個(gè)引腳連接至公共接口端后，連接鎖存器后再連接至控制系統(tǒng)。4.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的生物體表電信號(hào)探測(cè)電極陣列，其特征在于:所述微型加熱電阻表面涂覆復(fù)合樹(shù)脂絕緣材料。
【文檔編號(hào)】A61B5/04GK205672022SQ201620205630
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年3月17日 公開(kāi)號(hào)201620205630.7, CN 201620205630, CN 205672022 U, CN 205672022U, CN-U-205672022, CN201620205630, CN201620205630.7, CN205672022 U, CN205672022U
【發(fā)明人】王宇航, 黃岑宇
【申請(qǐng)人】鎮(zhèn)江市高等專(zhuān)科學(xué)校