體表生物電無線採集裝置的製作方法
2023-09-24 00:37:55
專利名稱：體表生物電無線採集裝置的製作方法
體表生物電無線採集裝置技術領域
本發明屬於體表生物電採集領域，涉及一種體表生物電無線採集裝置。
技術背景
目前，生物電放大器都是採用有線的採集方式。在一些特殊的場合下如運動員的生理檢測，太空人在訓練中的體表生物電採集，病人自由活動時的體表生物電測量必須擺脫電線的束縛，採用無線的採集方式。無線比有線具有系統靈活方便，有效抑制共模幹擾， 浮地設計保證人體安全等優點。但目前沒有此類技術方案的報導。發明內容
本發明旨在克服現有技術的不足，擺脫電線的束縛，提供一種體表生物電無線採集裝置，解決生物電有線的採集方式束縛被試活動範圍的問題。為達到上述目的，本發明採取的技術方案是，體表生物電無線採集裝置，結構為體表生物電電極採集的信號經過第一級前置放大高通濾波、第二級低通濾波放大通過陷波電路輸出到單刀雙擲開關，單刀雙擲開關選擇經過第三級低通濾波放大、另一個陷波電路或直接輸出到電平抬升電路然後送入自帶AD轉換的單片機中進行模數轉換，單片機將轉換後的信號用無線發模塊無線傳輸到無線接收晶片，無線接收晶片再通過另一單片機傳輸到計算機中，在計算機中用LabVIEW 軟體實現體表生物電信號的顯示和存儲，前置放大電路、兩個低通濾波電路、兩個陷波電路、電平抬升電路、單片機和無線發模塊的參考地連到一起；無線接收晶片和另一單片機參考地連到一起。
第二級低通濾波放大電路的構成為一個放大器，前置放大高通濾波的輸出連接到該放大器反相輸入端，由並接的電阻、電容形成負反饋，放大器的輸出接下級電路。
陷波電路由串接的兩個放大器組成，兩個放大器反相輸入端作信號輸入，第一個放大器輸出端與反相輸入端之間由電阻進行反饋，該輸出端通過一個電容、一個可調電阻、 一個電阻接地。
電平抬升電路由放大器構成，該放大器同相輸入端接信號輸入，一個經過電阻分壓的直流電壓也接入同相輸入端。
本發明具有如下技術效果
本發明是在Web服務領域的相關技術基礎上，提出的一種新型的面向移動終端的應用商店框架，極大地改善了用戶體驗。該發明採用用戶租賃的運作方式，用戶不再需要下載安裝/升級應用，只需按所需功能，拖拽應用的快捷方式到桌面即可，實現真正意義上的即買即用。同時，用戶還可以對多個應用的快捷方式進行組合搭配，自定製個性化的類 Mashup混搭應用。
總之，本發明使得應用程式不再受作業系統平臺的限制，管理更加方便，終端上也不再需要不斷地升級應用，節省電力，延長終端的使用壽命，給用戶帶來酷炫體驗。並從理論和實際應用方面證明了本發明的優越性。
圖1為本發明的功能框圖。
圖2前置放大電路。兩個生物電電極作為差分電極可以用來採集腦電、肌電和心電，腦電時參考電極接耳後乳突；肌電接所測肌肉遠端骨頭凸起處；心電差分電極放置於左右手腕處，參考電極接右腿腳踝。
圖3低通濾波放大電路圖。
圖450Hz工頻陷波電路圖。
圖5電平抬升電路。
圖6為無線收發流程圖。
圖 7nRFML01 與 msp430f 149 接口電路。
圖8系統採集界面。
圖9本發明裝置採集的一組靜息腦電信號時域與頻譜圖。
圖1020Hz閃爍頻率時本發明裝置採集腦電信號低通濾波後時域與頻譜圖。
圖1120Hz閃爍頻率時中科新拓公司生物電放大器低通濾波後腦電信號時域與頻譜圖。
圖12正常心電信號。圖中，Q波除aVR導聯夕卜，正常人Q波時間小於0.04秒，Q 波振幅小於同導聯中R波的1/4，正常人Vp V2導聯不應出現Q波，但偶爾可呈現QS波。
圖13本裝置採集到的心電信號幅頻圖。
圖14本裝置採集到的股二頭肌由靜息狀態變為運動狀態的肌電信號幅頻圖。
具體實施方式
體表生物電電極採集的信號經過放大濾波和電壓抬升送入自帶AD轉換的 msp430fl49單片機中進行模數轉換並將信號用無線收發模塊nRFMLOl無線傳輸到計算機中，用LabVIEW軟體實現體表生物電信號的顯示和存儲。體表生物電有各自的幅值特點，需要放大的倍數不能固定。心電和肌電的幅值可以達到lmV，放大的倍數選擇1000倍就能滿足需要；腦電的幅值最高只能達到100 μ V，需要更大的放大倍數10000倍來實現信號採集功能。本文採用一個單刀雙擲開關放在放大電路的兩級放大與三級放大之間。需要三級放大時則選擇，否則開關直接連接到輸出。
6. IEEG 採集
本文自製放大器和北京中科新拓有限公司的UB-D8FS型號放大器同時採集同一腦部區域的20Hz閃爍頻率的SSVEP腦電信號，與用自製放大器採集的一組靜息腦電進行頻譜比較，如圖9-11。
圖9-11自製放大器靜息腦電及自製放大器與新拓放大器同時SSVEP實驗採集的腦電數據頻譜對比。
通過上述各圖能夠證明本放大器與新拓放大器採集到的腦電信號的頻譜特徵基本相似。兩者能量最大值都在10Hz，能量值都是3000，而且在IOHz附近都有兩處高的峰值； 在20Hz處都能有明顯的能量高峰，大小都是10000的數量級。同時兩個放大器的頻譜能量分布基本相似。兩組放大器對10個不同被試的多組樣本進行上述SSVEP實驗，在20Hz處都能有明顯的能量高峰，同時兩個放大器的頻譜能量分布基本相似。新拓放大器在臨床和科研試驗中得到了廣泛應用，與新拓放大器的腦電數據採集的比較實驗能夠證明本文自製放大器能夠實現正確的腦電採集功能。
6. 2ECG 採集
圖13是本文自製放大器採集到的心電信號。時域圖可以看到心動周期的P、Q、R、 S和T波十分明顯。採集到的心電信號是正常的心電信號，證明自製放大器能夠實現心電信號採集的功能。
6.3EMG 採集
由於表面肌電信號源是狹長的肌肉，即使是在相鄰部位採集到的肌電信號也會有一定的差別。所以採集肌電信號不能像採集腦電信號那樣用兩個放大器採集相鄰部位的肌電用來比較自製放大器與新拓放大器的信號採集結果。用自製放大器採集的肌電信號如圖 14可以看出，靜息時肌電信號很平滑，肌肉動作時產生80Hz-90HZ高頻信號。可以證明放大器對肌電信號發揮了正確的放大作用，能夠基本滿足對肌電信號的採集功用。
6. 4結果分析
通過與新拓放大器腦電採集信號的對比，以及心電特徵信號的採集和運動時產生的肌電可以證明本文設計的放大器能夠實現腦電、心電和肌電信號的正常採集功能，得到的信號幅頻特性能夠對信號進行數據分析，滿足科研的需要。
如附圖所示體表生物電首先通過生物電專用的電極把生物電信號轉換成電壓信號，送入前置放大(圖2)濾去極化電壓，同時前置放大還有電壓跟隨的作用，從高阻抗的人體拾取有效的生物電信號，這樣下一級電路的輸入阻抗就接近於0;自前置放大出來的信號還有高頻幹擾和工頻幹擾，分別經過截止頻率是160Hz的低通濾波(圖幻和50Hz陷波電路(圖4)濾除，得到儘可能大信噪比的生物電信號；生物電信號相對於參考電壓有正有負，而A/D模塊只能識別正電壓信號，所以需要把生物電信號送入電平抬升電路進行升壓； 得到的信號再用msp430fl49單片機自帶AD模塊轉換成數位訊號，轉換好的信號經單片機與nRFMLOl處理髮射出去，由令一組無線接收電路接收後由串口 RS232上傳到計算機顯示與儲存。
權利要求
1.一種體表生物電無線採集裝置，其特徵是，結構為體表生物電電極採集的信號經過第一級前置放大高通濾波、第二級低通濾波放大通過陷波電路輸出到單刀雙擲開關，單刀雙擲開關選擇經過第三級低通濾波放大、另一個陷波電路或直接輸出到電平抬升電路然後送入自帶AD轉換的單片機中進行模數轉換，單片機將轉換後的信號用無線發模塊無線傳輸到無線接收晶片，無線接收晶片再通過另一單片機傳輸到計算機中，在計算機中用 LabVIEW軟體實現體表生物電信號的顯示和存儲，前置放大電路、兩個低通濾波電路、兩個陷波電路、電平抬升電路、單片機和無線發模塊的參考地連到一起；無線接收晶片和另一單片機參考地連到一起。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵是，第二級低通濾波放大電路的構成為一個放大器，前置放大高通濾波的輸出連接到該放大器反相輸入端，由並接的電阻、電容形成負反饋，放大器的輸出接下級電路。
3.如權利要求1所述的裝置，其特徵是，第二級低通濾波放大與單刀雙擲開關間設置有陷波電路，陷波電路由串接的兩個放大器組成，兩個放大器反相輸入端作信號輸入，第一個放大器輸出端與反相輸入端之間由電阻進行反饋，該輸出端通過一個電容、一個可調電阻、一個電阻接地。
4.如權利要求1所述的裝置，其特徵是，電壓抬升電路由放大器構成，該放大器同相輸入端接信號輸入，一個經過電阻分壓的直流電壓也接入同相輸入端。
全文摘要
本發明屬於體表生物電採集領域。為提供一種體表生物電無線採集裝置，解決生物電有線的採集方式束縛被試活動範圍的問題。為達到上述目的，本發明採取的技術方案是，體表生物電無線採集裝置，結構為體表生物電電極採集的信號經過第一級前置放大高通濾波、第二級低通濾波放大輸出到單刀雙擲開關，單刀雙擲開關選擇經過第三級低通濾波放大或直接輸出到電壓抬升電路然後送入自帶AD轉換的單片機中進行模數轉換，單片機將轉換後的信號用無線收發模塊無線傳輸到計算機中，用LabVIEW軟體實現體表生物電信號的顯示和存儲。本發明主要應用於體表生物電採集場合。
文檔編號A61B5/04GK102488510SQ201110409319
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月11日 優先權日2011年12月11日
發明者萬柏坤, 明東, 李文, 綦宏志, 許敏鵬, 高旋 申請人:天津大學