生物電與抬高電平三角波調製多路信號的單路採集裝置的製作方法

2023-05-18 01:30:41 2

本發明涉及生物醫學信號採集領域，尤其涉及一種生物電與抬高電平三角波調製多路信號的單路採集裝置。
背景技術：
：電壓信號等載有信息的變化量，在其自然狀態下是以模擬形式表示的，但是，為了便於計算機處理，傳輸和儲存，通常要通過模數轉換器將其轉變為數位訊號，因此在生物醫學信號處理中，模數轉換是必不可少的。現有的多路生物醫學信號採集系統中，通常需採用多片ADC或多路模擬開關搭配單片ADC的方案，前者具有電路複雜，系統功耗高及電路尺寸大的缺點；而後者則會在採集過程中，由於多路開關的切換，引入開關噪聲，以及由於多路開關存在建立時間，會導致相鄰通道信號之間相互幹擾。為了提高信號的採集質量，現有技術中的公告號為CN104799840A，公告日為2015年7月29的專利申請利用三角波作為激勵信號來提高信號採集的質量。發明人在實現本發明的過程中，發現上述現有技術中至少存在以下缺點和不足：由於現有的採集裝置無一例外地均採用模數轉換器，模數轉換器在靠近輸入極限(最大或最小幅值)時存在顯著的非線性，特別是輸入模數轉換器的模擬信號電平越低，得到的數字轉換結果的不確定度越大。因此，採用純淨三角波作為激勵信號時，在三角波的低電平部分得到的數位訊號的信噪比就很低，從而影響了信號的採集精度。技術實現要素：為了改進現有技術中的不足，本發明提供了一種生物電與抬高電平三角波調製多路信號的單路採集裝置，本發明通過將三角波調整為抬高預設電平的三角波，提高了生物醫學信號的採集精度，詳見下文描述：一種生物電與抬高電平三角波調製多路信號的單路採集裝置，所述單路採集裝置包括：微處理器和至少2種發光二極體，所述單路採集裝置還包括：低頻生物電信號檢測電路、加法運算電路以及單路模數轉換器；所述微處理器輸出不同頻率且成2倍比率關係的抬高預設電平的三角波，抬高預設電平的三角波驅動至少2種發光二極體；發光二極體發出的光經被測手指後被光敏器件接收，所述光敏器件轉換成電流信號，電流信號經電流/電壓轉換放大器轉換成預設幅值電壓信號；在光敏器件採集光電信號的過程中，噪聲水平沒有發生變化，但作為驅動的三角波信號由於抬高了預設電平，在三角波信號的低電平部分，三角波信號相較於噪聲改善明顯，從而提高了在三角波信號低電平段，光敏器件獲取到光電信號的信噪比，進而提高了輸入到微處理器中的數位訊號的精度；所述低頻生物電信號檢測電路獲取生物電信號，所述電壓信號與所述預設幅值生物電信號經所述加法運算電路相加後得到混合信號，所述混合信號由所述單路模數轉換器轉換成數位訊號；所述微處理器對數位訊號進行處理，分離出調製三角波信號與低頻生物電信號，並從調製三角波信號中解調出多路PPG信號。其中，作為驅動的三角波信號由於抬高了預設電平，在三角波信號的高電平部分，提高了光敏器件獲取到光電信號的信噪比。其中，預設電平的取值為光敏器件採集的光電信號動態範圍一半以上最佳。進一步地，所述低頻生物電信號具體為：ECG、EEG、EMG、EGG和EOG中的任意一種。其中，所述加法運算電路包括：第一電阻和第二電阻，所述第一電阻的一端接入第一信號源，所述第二電阻的一端接入第二信號源，所述第一電阻的另一端和所述第二電阻的另一端接運算放大器的負極性輸入端；運算放大器的正極性輸入端接第四電阻的一端，所述第四電阻的另一端接地；所述運算放大器的負極性輸入端還同時接入第三電阻的一端，所述第三電阻的另一端接運算放大器的輸出端，輸出信號電壓。另一實施例，所述加法運算電路包括：第一電阻和第二電阻，所述第一電阻的一端接入第一信號源，所述第二電阻的一端接入第二信號源，所述第一電阻的另一端和所述第二電阻的另一端接運算放大器的正極性輸入端；所述運算放大器的負極性輸入端同時接第三電阻和第四電阻的一端；所述第四電阻的另一端接地；所述第三電阻的另一端接運算放大器的輸出端，輸出信號電壓。其中，混合信號由單路模數轉換器轉換成數位訊號送入微處理器；微處理器對數位訊號進行低通濾波處理恢復出低頻生物電信號；微處理器對數位訊號進行分離處理得到PPG信號和生物電信號，且PPG信號中的背景光幹擾被消除；分別計算PPG信號的谷值和峰值；再由PPG信號的谷值和峰值計算各個波長所對應的吸光度差值ΔA，可以得到由吸光度差值ΔA組成的光譜值。其中，所述微處理器對數位訊號進行分離處理得到PPG信號和生物電信號，且PPG信號中的背景光幹擾被消除的步驟具體為：在頻率為1f的抬高預設電平的三角波的一個周期內，分別對不同頻率三角波的每個周期內的正、負半個周期內的採樣信號進行累加，正半周期累加結果與負半周期累加結果進行求差運算，以分離出各路不同頻率的三角波信號。本發明提供的技術方案的有益效果是：本發明採用抬高預設電平的三角波驅動至少2種發光二極體，發光二極體發出的光經被測手指後被光敏器件接收，進而通過電流/電壓轉換放大器轉換成預設幅值電壓信號；微處理器對由預設幅值電壓信號和生物電信號組成的數位訊號進行處理，分離出調製的三角波信號與低頻生物電信號，並從調製的三角波信號中解調出多路PPG信號。相較於
背景技術：
中的公告號為CN104799840A，公告日為2015年7月29的專利申請，本發明顯著地提高了在三角波信號低電平段的光電信號的信噪比，改善了預設幅值電壓信號；進而提高了輸入到微處理器中的數位訊號的精度，微處理器對數位訊號進行解調分離可以得到多路PPG信號。本發明提高了在低電平部分得到的信噪比，從而提高了信號採集的精度；並且當加法運算電路採用本發明設計的電路時，可以方便的獲取到穩定、精度高的混頻信號，容易集成化，且降低了電路成本，擴大了信號的動態範圍，滿足了實際應用中的多種需要。附圖說明圖1為本發明提供的一種裝置的結構示意圖；圖2為本發明提供的加法運算電路的結構示意圖；圖3為本發明提供的加法運算電路的另一結構示意圖；圖4為本發明提供的分離不同波長PPG信號的示意圖；圖5為本發明提供的一種生物電與抬高電平的三角波調製多路信號的單路採集裝置的軟體的流程圖。附圖中，各標號所代表的部件列表如下：1：微處理器；2：發光二極體；3：光敏器件；4：電流/電壓轉換放大器；5：低頻生物電信號檢測電路；6：加法運算電路；7：單路模數轉換器。具體實施方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明實施方式作進一步地詳細描述。實施例1一種生物電與抬高電平的三角波調製多路信號的單路採集裝置，參見圖1，該單路採集裝置包括：微處理器1、至少2種發光二極體2、光敏器件3、電流/電壓轉換放大器4，低頻生物電信號檢測電路5、加法運算電路6以及單路模數轉換器7，微處理器1輸出不同頻率且成2倍比率關係的抬高預設電平的三角波，抬高預設電平的三角波驅動至少2種發光二極體2，發光二極體2發出的光經被測手指後被光敏器件3接收，光敏器件3轉換成電流信號，電流信號經電流/電壓轉換放大器4轉換成預設幅值電壓信號。本發明實施例抬高預設電平後，在光敏器件3採集光電信號的過程中，噪聲水平沒有發生變化，但作為驅動的三角波信號由於抬高了預設電平，在三角波信號的低電平部分，三角波信號相較於噪聲改善明顯，從而提高了在三角波信號低電平段的光電信號的信噪比；相較於
背景技術：
中的公告號為CN104799840A，公告日為2015年7月29以純淨三角波作為激勵信號的專利申請，本發明實施例顯著地提高了在三角波信號低電平段的光電信號的信噪比，進而改善了光敏器件3獲取到光電信號的質量。另外，由於抬高預設電平，噪聲水平沒有變化，在三角波信號的高電平部分，三角波信號相較於噪聲也有一定的改善，提高了在三角波信號高電平段的光電信號的信噪比。進而，由於光敏器件3獲取到的光電信號的信噪比整體增強，進而提高了輸入到微處理器中的數位訊號的精度，微處理器對數位訊號進行解調分離可以得到多路PPG信號。其中，預設電平的取值優選光敏器件3採集的光電信號動態範圍一半以上時，信號大於等於1/2動態範圍，通過光敏器件3採集到的光電信號質量最高。低頻生物電信號檢測電路5獲取預設幅值生物電信號，預設幅值電壓信號與預設幅值生物電信號經加法運算電路6相加後得到混合信號，混合信號由單路模數轉換器7轉換成數位訊號，微處理器1對數位訊號進行處理，分離出調製的三角波信號與低頻生物電信號，並從調製的三角波信號中解調出多路PPG信號。其中，發光二極體2的數量大於等於2。具體實現時，發光二極體2的數量根據實際應用中的需要進行設定；預設幅值電壓信號與預設幅值生物電信號的幅值根據實際應用中的需要進行設定，具體實現時，本發明實施例對此不做限制。其中，低頻生物電信號包括：ECG、EEG、EMG、EGG、EOG等生物電信號中的任意一種。微處理器1可以採用MCU、ARM、DSP或FPGA中的任意一種。加法運算電路6採用市面上常規的加法器件。其中，生物電信號檢測電路5的增益及帶寬由所檢測的生物電信號的幅值和頻率範圍決定。綜上所述，由於本發明實施例相對於
背景技術：
中的申請文件，顯著地提高了在三角波低電平段的光電信號的信噪比，且也提高了在三角波信號高電平段的光電信號的信噪比，進而提高了整個電平段的光電信號信噪比，提高了輸入到微處理器中的數位訊號的精度，微處理器對數位訊號進行解調分離可以得到多路PPG信號。實施例2一種生物電與抬高電平的三角波調製多路信號的單路採集裝置，參見圖1，該單路採集裝置包括：微處理器1、至少2種發光二極體2、光敏器件3、電流/電壓轉換放大器4，低頻生物電信號檢測電路5、加法運算電路6以及單路模數轉換器7。該實施例與實施例1不同的是，該加法運算電路6採用本發明實施例設計的加法運算電路6來實現，參見圖2，該加法運算電路6包括：第一電阻R1和第二電阻R2，第一電阻R1的一端接入第一信號源V1，第二電阻R2的一端接入第二信號源V2，第一電阻R1的另一端和第二電阻R2的另一端接運算放大器A的負極性輸入端；運算放大器A的正極性輸入端接第四電阻R4的一端，第四電阻R4的另一端接地；運算放大器A的負極性輸入端還同時接入第三電阻R3的一端，第三電阻R3的另一端接運算放大器A的輸出端，輸出信號電壓Vo。第一信號源V1、第二信號源V2分別為預設幅值電壓信號與預設幅值生物電信號；或，第一信號源V1、第二信號源V2分別為預設幅值生物電信號與預設幅值電壓信號；信號電壓Vo為混合信號。綜上所述，由於本發明實施例相對於
背景技術：
中的申請文件，顯著地提高了在三角波低電平段的光電信號的信噪比，且也提高了在三角波信號高電平段的光電信號的信噪比，進而提高了整個電平段的光電信號信噪比，提高了輸入到微處理器中的數位訊號的精度，微處理器對數位訊號進行解調分離可以得到多路PPG信號。實施例3一種生物電與抬高電平的三角波調製多路信號的單路採集裝置，參見圖1，該單路採集裝置包括：微處理器1、至少2種發光二極體2、光敏器件3、電流/電壓轉換放大器4，低頻生物電信號檢測電路5、加法運算電路6以及單路模數轉換器7。該實施例與實施例1不同的是，該加法運算電路6可以採用本發明實施例設計的加法運算電路6來實現，參見圖3，該加法運算電路6包括：第一電阻R1和第二電阻R2，第一電阻R1的一端接入第一信號源V1，第二電阻R2的一端接入第二信號源V2，第一電阻R1的另一端和第二電阻R2的另一端接運算放大器A的正極性輸入端；運算放大器A的負極性輸入端同時接第三電阻R3和第四電阻R4的一端；第四電阻R4的另一端接地；第三電阻R3的另一端接運算放大器A的輸出端，輸出信號電壓Vo。第一信號源V1、第二信號源V2分別為預設幅值電壓信號與預設幅值生物電信號；或，第一信號源V1、第二信號源V2分別為預設幅值生物電信號與預設幅值電壓信號；信號電壓Vo為混合信號。綜上所述，由於本發明實施例相對於
背景技術：
中的申請文件，顯著地提高了在三角波低電平段的光電信號的信噪比，且也提高了在三角波信號高電平段的光電信號的信噪比，進而提高了整個電平段的光電信號信噪比，提高了輸入到微處理器中的數位訊號的精度，微處理器對數位訊號進行解調分離可以得到多路PPG信號。實施例4一種生物電與抬高電平的三角波調製多路信號的單路採集裝置的軟體流程，參見圖4和圖5，該方法包括以下步驟：101：混合信號由單路模數轉換器7轉換成數位訊號送入微處理器1；102：微處理器1對數位訊號進行低通濾波處理恢復出低頻生物電信號；微處理器1對數位訊號進行分離處理得到PPG信號和生物電信號，且PPG信號中的背景光等幹擾被消除。其中，該步驟具體為：在頻率為1f的抬高預設電平的三角波的一個周期內，分別對不同頻率抬高預設電平的三角波的每個周期內的正、負半個周期內的採樣信號進行累加，正半周期累加結果與負半周期累加結果進行求差運算，以分離出各路不同頻率的抬高預設電平的三角波信號。為簡便說明起見以4種波長的發光二極體2為例進行說明，假定λ1、λ2、λ3和λ4波長的發光二極體的驅動抬高預設電平的三角波頻率分別為8f、4f、2f和f。假定單路模擬轉換器7的採樣頻率為fS，且fS＝4Mf，假設以驅動信號的最高頻率fmax(在上述情況下fmax＝2f)的4M倍速度對光電信號進行採樣，fs＝8Mf，獲取採樣信號x(m)，其中M為大於等於1的正整數；x(m)=Σi=0M-1x(4lm+i),l=0,1,2,......]]>假定採樣頻率fS遠高於調製的三角波信號和低頻信號的變化頻率，在最低驅動信號頻率的一個周期可以近似認為各路三角波信號的幅值和低頻信號的幅值不變。以最前32M個採樣數據x(i)為例：Σi=02M-1x(i)-Σi=2M4M-1x(i)+Σi=4M6M-1x(i)-Σi=6M8M-1x(i)+Σi=8M10M-1x(i)-Σi=10M12M-1x(i)+Σi=12M14M-1x(i)-Σi=14M16M-1x(i)+Σi=16M18M-1x(i)-Σi=18M20M-1x(i)+Σi=20M22M-1x(i)-Σi=22M24M-1x(i)+Σi=24M26M-1x(i)-Σi=26M28M-1x(i)+Σi=28M30M-1x(i)-Σi=30M32M-1x(i)-Σi=032M-1x(i)/2]]>即得到2M倍的波長λ1的光信號而且完全消除了低頻信號的影響。Σi=04M-1x(i)-Σi=4M8M-1x(i)+Σi=8M12M-1x(i)-Σi=12M16M-1x(i)+Σi=16M20M-1x(i)-Σi=20M24M-1x(i)+Σi=24M28M-1x(i)-Σi=28M32M-1x(i)-Σi=032M-1x(i)/2]]>即得到2M倍的波長λ2的光信號而且完全消除了低頻信號的影響。Σi=08M-1x(i)-Σi=8M16M-1x(i)+Σi=16M24M-1x(i)-Σi=24M32M-1x(i)-Σi=032M-1x(i)/2]]>即得到2M倍的波長λ3的光信號而且完全消除了低頻信號的影響。Σi=016M-1x(i)-Σj=16M32M-1x(j)-Σi=032M-1x(i)/2]]>即得到2M倍的波長λ4的光信號而且完全消除了低頻信號的影響。其中，和分別為波長λ1、λ2、λ3和λ4的光信號和背景信號的幅值。103：分別計算PPG信號的谷值和峰值；再由PPG信號的谷值和峰值計算各個波長所對應的吸光度差值ΔA，可以得到由ΔAλ1、ΔAλ2……ΔAλn組成的光譜值。由於動脈的脈動現象，使血管中血流量呈周期性變化，而血液是高度不透明液體，因此脈搏搏動的變化必然引起吸光度的變化。考慮動脈血管充盈度最低狀態，來自光源的入射光沒有被脈動動脈血液吸收，此時的出射光強Imax最強，可視為脈動動脈血液的入射光I；而動脈血管充盈度最高狀態對應光電脈搏波的谷點，即脈動動脈血液作用最大的時刻，此時的出射光強Imin最弱，為脈動動脈血液的最小出射光強I。所以，通過記錄動脈充盈至最大與動脈收縮至最小時的吸光度值，就可以消除皮膚組織、皮下組織等一切具有恆定吸收特點的人體成分對於吸光度的影響。設入射光強為I0，動脈充盈時檢測光強和動脈收縮時檢測光強分別為Imin和Imax，則動脈充盈時的吸光度和動脈收縮時的吸光度差值為：ΔA=A1-A2=lg(I0Imin)-lg(I0Imax)=lg(ImaxImin)]]>測量各個光電容積脈搏波的谷值Imin和峰值Imax即可得到光電容積脈搏波所對應的吸光度差值ΔA，可以得到由ΔAλ1、ΔAλ2……ΔAλn組成的光譜值。即，分別計算波長λ1、λ2、λ3和λ4的PPG信號的谷值和峰值：Iminλ1、Imaxλ1、Iminλ2、Imaxλ2、Iminλ3、Imaxλ3、Iminλ4和Imaxλ4。綜上所述，由於本發明實施例相對於
背景技術：
中的申請文件，顯著地提高了在三角波低電平段的光電信號的信噪比，且也提高了在三角波信號高電平段的光電信號的信噪比，進而提高了整個電平段的光電信號信噪比，提高了輸入到微處理器中的數位訊號的精度，微處理器對數位訊號進行解調分離可以得到多路PPG信號。本發明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實施例的示意圖，上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp