生物電檢測電路及其檢測方法
2023-11-05 03:50:22 1
專利名稱：生物電檢測電路及其檢測方法
技術領域：
本發明涉及生物電檢測領域，尤其是應用在醫療儀器上的生物電測量技術。
背景技術：
生物電的檢測在醫學研究和臨床診斷上具有重要的應用價值，已有許多生物電檢測儀器在臨床上得到廣泛的應用，如心電圖機、腦電圖機等等。但由於生物電信號微弱，又常常存在許許多多的嚴重幹擾信號，許多人仍然在進行生物電信號的檢測方法和電路的研究。劉松等人提出了一種監護儀用心電放大器(醫療衛生裝備.1995年第2期，3～6)，A.C.Metting Van Riji等(High-quality recording of bio-electric events.Med. Bio.Eng. Comput.，1990，28389-397、D.W.McRobbie等(Rapid recovery physiological preamplifier withoutAC coupling capacitor.Med. Bio.Eng. Comput.，1990，28198-200等(I.A.Dotsinsky，et al.，Multi-channel DC amplifier for a microprocessor electrocardiograph.Med. Bio.Eng. Comput.，1991，29324-329)也提出了多種生物電信號檢測放大器或電路的設計。李剛等提出了多種生物電放大器(一種低噪聲前置放大器的設計，中國醫療器械雜誌，第13卷第1期，198918-19；12導D/AC反饋型心電信號放大器的研究，儀器儀表學報，第21卷第5期，pp124-126，2000年10月；高性能多通道生物電放大器，天津大學學報，第33卷第5期，2000年9月；高共模抑制比前置放大器，中國專利，申請號02129065.2)。
上述各種形式的生物電放大器在不同程度上存在結構複雜、工藝性差和性能尚不夠理想等問題。許多新型∑-Δ型模數轉換器具有高達24位的轉換解析度和108Ω的輸入阻抗以及差動輸入模式，可以用於微弱低頻信號的直接採集，但∑-Δ型模數轉換器存在速度慢、頻響差的不足，直接採用∑-Δ型模數轉換器檢測生物電信號時往往存在著較嚴重的失真。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，克服上述現有技術的不足，提供一種直接轉換生物電信號並且失真小的生物電檢測電路，實現電路簡單、動態範圍大、輸入阻抗高、不需調試、工藝性好、性能優異的無放大器生物電信號檢測電路；本發明所要解決的另一技術問題是，提供直接轉換生物電信並且失真小的生物電檢測方法。
為了解決上述技術問題是，本發明的生物電檢測電路，它包括通過導線依次連接的用於採集生物電信號的電極、具有過壓保護和簡單濾波功能的輸入保護電路、∑-Δ型模數轉換器和存有數字頻譜補償程序的智能控制裝置，智能控制裝置用於對∑-Δ型模數轉換器輸出的數位訊號進行頻率補償。
作為上述技術方案的一種改進，所述智能控制裝置運行數字頻譜補償程序時，執行如下步驟a、採集∑-Δ型模數轉換器輸出的數位訊號，並判斷是否已採集N個數據，若判斷結果為否，則繼續進行該步驟；b、若a步驟的判斷結果為是，則對數據進行一次補償計算，即對採集的N個數據數據進行付立葉變換，得到N個數據的頻譜；c、把頻譜與補償函數相乘；d、對c步驟得到的乘積進行反付立葉變換，得到補償後的數位訊號並輸出。
作為上述技術方案的另一種改進，所述智能控制裝置運行數字頻譜補償程序時，執行如下步驟a、採集∑-Δ型模數轉換器輸出的數位訊號，並判斷是否已採集1個新數據，若判斷結果為否，則繼續進行該步驟；b、若a步驟的判斷結果為是，則對數據進行補償計算，即計算h(i)·x(n-1)；c、求和計算得到得到補償後的數位訊號y(n)；d、判斷是否計算完N個數據，若判斷結果為否，則返回b步驟；e、若d步驟的判斷結果為是，退出。
所述的N為1024。
所述存有數字頻譜補償程序的智能控制裝置是CPU微處理器。
所述存有數字頻譜補償程序的智能控制裝置是微控制器。
所述存有數字頻譜補償程序的智能控制裝置是微型計算機。
本發明的第一種生物電檢測方法，包括採集生物電信號和對採集的生物電信號進行濾波步驟，其特徵在於，它還包括以下步驟a、採集∑-Δ型模數轉換器輸出的數位訊號，並判斷是否已採集N個數據，若判斷結果為否，則繼續進行該步驟；b、若a步驟的判斷結果為是，則對數據進行一次補償計算，即對採集的N個數據數據進行付立葉變換，得到N個數據的頻譜；c、把頻譜與補償函數相乘；d、對c步驟得到的乘積進行反付立葉變換，得到補償後的數位訊號並輸出。
本發明的第二種生物電檢測方法，包括採集生物電信號和對採集的生物電信號進行濾波步驟，其特徵在於，它還包括以下步驟
a、採集∑-Δ型模數轉換器輸出的數位訊號，並判斷是否已採集1個新數據，若判斷結果為否，則繼續進行該步驟；b、若a步驟的判斷結果為是，則對數據進行補償計算，即計算h(i)·x(n-1)；c、求和計算得到得到補償後的數位訊號y(n)；d、判斷是否計算完N個數據，若判斷結果為否，則返回b步驟；e、若d步驟的判斷結果為是，退出。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果1、本發明的生物電檢測電路通過數字頻譜補償程序對數位訊號進行頻率補償，可避免∑-Δ型模數轉換器頻響差影響，輸出的數位訊號失真小；2、利用∑-Δ型模數轉換器的高解析度、高輸入阻抗檢測生物電，直接轉換生物電信號，實現無信號調理放大的生物電數據採集，從而實現了一種結構極為簡單、不需調試、性能優異和工藝性極好的生物電檢測方法和電路。
圖1為本發明生物電檢測電路的系統構成方框圖；圖2為本發明的第一種生物電檢測方法的數字頻譜補償程序方框圖；圖3為本發明的第二種生物電檢測方法的數字頻譜補償程序方框圖；圖4為補償前、後的頻譜特性同曲線圖。
附圖標記1為電極，2為導聯線，3為輸入保護電路，4為∑-Δ型模數轉換器，5為CPU微處理器。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作詳細說明。
本發明生物電檢測電路的實施例一如圖1所示，生物電檢測電路包括電極1、導聯線2、輸入保護電路3、∑-Δ型模數轉換器4和智能控制裝置，上述組成部件通過導線依次。其中電極1的用於採集生物電信號，輸入保護電路3具有過壓保護和簡單濾波功能，∑-Δ型模數轉換器用於把模擬的生物電信號轉換成高解析度的數位訊號，智能控制裝置存有數字頻譜補償程序，用於對∑-Δ型模數轉換器輸出的數位訊號進行頻率補償。本實施例中的智能控制裝置為CPU微處理器5。運行數字頻譜補償程序時，CPU微處理器5執行如下步驟a、採集∑-Δ型模數轉換器輸出的數位訊號，並判斷是否已採集1024個數據，若判斷結果為否，則繼續進行該步驟；b、若a步驟的判斷結果為是，則對數據進行一次補償計算，即對採集的N個數據數據進行付立葉變換，得到N個數據的頻譜；
c、把頻譜與補償函數相乘；d、對c步驟得到的乘積進行反付立葉變換，得到實償後的數位訊號並輸出。
本發明生物電檢測電路的實施例二與本發明生物電檢測電路的實施例一相比，區別僅在於用微控制器代替CPU微處理器5作為智能控制裝置。
本發明生物電檢測電路的實施例三與本發明生物電檢測電路的實施例一相比，區別僅在於用微型計算機代替CPU微處理器5作為智能控制裝置。
生物電信號由電極和導聯輸入，經過輸入保護電路再輸入到∑-Δ型模數轉換器，由∑-Δ型模數轉換器把模擬的生物電信號轉換成高解析度的數位訊號，通過數位訊號濾波器即數字頻譜補償程序，對生物電信號進行頻率補償，最後得到一定帶寬的、通帶響應平坦的生物電信號。
本發明的工作原理如下，信號的採集是通過一組生物電極完成的，它採集的是生物電信號，信號通過導聯線傳輸到為輸入保護電路，輸入保護電路的作用是防止出現過高的電壓損壞電路和進行簡單的濾波，而後信號由∑-Δ型模數轉換器轉換成高解析度的數位訊號，該數位訊號通過智能控制裝置，如CPU微處理器、微控制器或微型計算機內存儲的數字頻譜補償程序，進行數位訊號濾波處理，依據∑-Δ型模數轉換器的頻響特性和所要求信號響應特性對生物電信號進行頻率補償，最後得到一定帶寬的、通帶響應平坦的生物電信號，見圖4。
本發明結合和充分發揮∑-Δ型模數轉換器和數字濾波器的特點，實現了一種直接轉換生物電信號並且失真小的生物電檢測電路及其方法，實現電路簡單、動態範圍大、輸入阻抗高、不需調試、工藝性好、性能優異的無放大器生物電信號檢測電路。可實現生物電信號檢測系統的集成化、數位化和自適應化。
本發明第一種生物電檢測方法的實施例圖2所示本發明的一種生物電檢測方法的數字頻譜補償程序方框圖，根據SINC3濾波器的幅頻特性，使用FFT方法直接在頻域進行補償，然後計算其反傅立葉變換，得到補償後的數據。將每1024個心電數據分成一段，設為x(n)，對它做1024點的FFT，結果為X(k)。用∑-ΔADC的傳遞函數(即SINC3濾波器的幅頻特性)構造頻域補償函數H(k)(即SINC3濾波器的幅頻特性與補償函數H(k)的乘積在通帶內是平坦的)，則補償後的信號y(n)為y(n)＝IFFT(X(k)×H(k))＝IFFT(FFT(x(n))×H(k))
式中IFFT是反快速傅立葉變換(FFT)，x(n)是∑-ΔADC得到的信號，X(k)是x(n)的頻譜，H(k)是∑-ΔADC的傳遞函數(即SINC3濾波器的幅頻特性)。實現上式的計算機流機程圖見圖2。
微處理器在每採集到1024個數據後進行一次補償計算先計算新採集到的1024個數據的頻譜(計算FFT)，再把頻譜與補償函數相乘，最後對乘積作IFFT，得到補償後的1024個數據。也可以是每採集到512、2048或4096個數據後進行一次補償計算。圖4為補償前、後的頻譜特性同曲線圖。
本實施例中，生物電檢測方法包括採集生物電信號和對採集的生物電信號進行濾波步驟，還包括以下步驟a、採集∑-Δ型模數轉換器輸出的數位訊號，並判斷是否已採集1024個數據，若判斷結果為否，則繼續進行該步驟；b、若a步驟的判斷結果為是，則對數據進行一次補償計算，即對採集的1024個數據數據進行付立葉變換，得到N個數據的頻譜；c、把頻譜與補償函數相乘；d、對c步驟得到的乘積進行反付立葉變換，得到補償後的數位訊號並輸出。
其中，採集生物電信號的步驟由上述檢測電路的電極實現；對採集的生物電信號進行濾波步驟的由上述檢測電路的輸入保護電路實現；a至d步驟由上述檢測電路的存有數字頻譜補償程序的CPU微處理器5實現。
如生物電檢測電路中，智能控制裝置為微控制器或微型計算機，則上述a至d步驟由存有數字頻譜補償程序的微控制器或微型計算機實現。
本發明第二種生物電檢測方法的實施例圖3所示本發明另一種生物電檢測方法的數字頻譜補償程序方框圖，該方法是通過FIR濾波器，用該濾波器與原始數據進行卷積運算。若要有好的補償效果，一般FIR濾波器的係數會越多，計算量就越大。設濾波器參數為h(k)，個數為N，則FIR濾波輸出為y(n)＝h(0)·x(n)+h(1)·x(n-1)+...+h(N-1)·x(n-(N-1))對於每一個y(n)都要計算N次乘法和N次加法。對頻域補償函數補以線性相位後做IFFT即可得出補償函數的時域衝擊響應h(k)。若由圖3-13所示補償函數求出h(k)，由於陷波帶寬很窄，h(k)將會很長；若去掉陷波，只進行SINC3補償，雖然取較少數目的h(k)即可進行很好的補償，但同時未濾除乾淨的50Hz幹擾也會進一步增大。因此我們首先對原始心電信號進行四點平均濾波，此時50Hz基本濾除乾淨，但四點平均也造成了信號頻帶帶寬的下降，這時也要同時對其進行補償，設計FIR濾波器如圖3-15所示。該FIR濾波器為255個整係數濾波器，且濾波器放大了256倍(與原始信號卷積後要除以256，直接捨棄最低字節即可)，其頻譜特性如圖3-16。可見，該FIR濾波器不僅能對SINC3進行補償，同時能夠補償由於四點平均造成的幅值下降。
另外，該濾波器為整係數濾波器，在運算時僅進行整數乘法和加法運算。並且該FIR濾波器左右對稱，由此可將卷積公式進行簡化，即y(n)={i=0(N-1)/2-1[x(n+i)+x(n+(N-1)-i)]h(i)]}]]>+x(n+(N-1)/2)h((N-1)/2),N=255,n=0,1,2,3...]]>在h(k)中，有很多為1位元組數，其中有些是1，2，-1，-2等簡單數據，因此，根據這些數可簡單的進行運算，不使用統一的乘法運算，這樣可大大加快運算速度。使用該濾波器對心電信號進行濾波後結果如圖3-17。
本實施例中，生物電檢測方法包括採集生物電信號和對採集的生物電信號進行濾波步驟，其特徵在於，它包括以下步驟a、採集∑-Δ型模數轉換器輸出的數位訊號，並判斷是否已採集1個新數據，若判斷結果為否，則繼續進行該步驟；b、若a步驟的判斷結果為是，則對數據進行補償計算，即計算h(i)·x(n-1)；c、求和計算得到得到補償後的數位訊號y(n)；d、判斷是否計算完N個數據，若判斷結果為否，則返回b步驟；e、若d步驟的判斷結果為是，退出；其中，採集生物電信號的步驟由上述檢測電路的電極實現；對採集的生物電信號進行濾波步驟的由上述檢測電路的輸入保護電路實現；a至d步驟由上述檢測電路的存有數字頻譜補償程序的CPU微處理器實現。
如生物電檢測電路中，智能控制裝置為微控制器或微型計算機，則上述a至d步驟由存有數字頻譜補償程序的微控制器或微型計算機實現。
權利要求
1.一種生物電檢測電路，其特徵在於，它包括通過導線依次連接的用於採集生物電信號的電極、具有過壓保護和簡單濾波功能的輸入保護電路、∑-Δ型模數轉換器和存有數字頻譜補償程序的智能控制裝置，智能控制裝置用於對∑-Δ型模數轉換器輸出的數位訊號進行頻率補償。
2.根據權利要求1所述的一種生物電檢測電路，其特徵在於，所述智能控制裝置運行數字頻譜補償程序時，執行如下步驟a、採集∑-Δ型模數轉換器輸出的數位訊號，並判斷是否已採集N個數據，若判斷結果為否，則繼續進行該步驟；b、若a步驟的判斷結果為是，則對數據進行一次補償計算，即對採集的N個數據數據進行付立葉變換，得到N個數據的頻譜；c、把頻譜與補償函數相乘；d、對c步驟得到的乘積進行反付立葉變換，得到補償後的數位訊號並輸出。
3.根據權利要求1所述的一種生物電檢測電路，其特徵在於，所述智能控制裝置運行數字頻譜補償程序時，執行如下步驟a、採集∑-Δ型模數轉換器輸出的數位訊號，並判斷是否已採集1個新數據，若判斷結果為否，則繼續進行該步驟；b、若a步驟的判斷結果為是，則對數據進行補償計算，即計算h(i)·x(n-1)；c、求和計算得到得到補償後的數位訊號y(n)；d、判斷是否計算完N個數據，若判斷結果為否，則返回b步驟；e、若d步驟的判斷結果為是，退出。
4根據權利要求1所述的一種生物電檢測電路，其特徵在於，所述的N為1024。
5.根據權利要求1所述的一種生物電檢測電路，其特徵在於，所述存有數字頻譜補償程序的智能控制裝置是CPU微處理器。
6.根據權利要求1所述的一種生物電檢測電路，其特徵在於，所述存有數字頻譜補償程序的智能控制裝置是微控制器。
7.根據權利要求1所述的一種生物電檢測電路，其特徵在於，所述存有數字頻譜補償程序的智能控制裝置是微型計算機。
8.一種生物電檢測方法，包括採集生物電信號和對採集的生物電信號進行濾波步驟，其特徵在於，它還包括以下步驟a、採集∑-Δ型模數轉換器輸出的數位訊號，並判斷是否已採集N個數據，若判斷結果為否，則繼續進行該步驟；b、若a步驟的判斷結果為是，則對數據進行一次補償計算，即對採集的N個數據數據進行付立葉變換，得到N個數據的頻譜；c、把頻譜與補償函數相乘；d、對c步驟得到的乘積進行反付立葉變換，得到補償後的數位訊號並輸出。
9.一種生物電檢測方法，包括採集生物電信號和對採集的生物電信號進行濾波步驟，其特徵在於，它還包括以下步驟a、採集∑-Δ型模數轉換器輸出的數位訊號，並判斷是否已採集1個新數據，若判斷結果為否，則繼續進行該步驟；b、若a步驟的判斷結果為是，則對數據進行補償計算，即計算h(i)·x(n-1)；c、求和計算得到得到補償後的數位訊號y(n)；d、判斷是否計算完N個數據，若判斷結果為否，則返回b步驟；e、若d步驟的判斷結果為是，退出。
全文摘要
本發明公開了一種生物電檢測電路及其檢測方法，屬於物電檢測領域，尤其是應用在醫療儀器上的生物電測量技術。生物電檢測電路包括通過導線依次連接的用於採集生物電信號的電極、具有過壓保護和簡單濾波功能的輸入保護電路、∑－Δ型模數轉換器和存有數字頻譜補償程序的智能控制裝置，智能控制裝置用於對∑－Δ型模數轉換器輸出的數位訊號進行頻率補償。生物電檢測方法，包括採集生物電信號和對採集的生物電信號進行濾波數字濾波等步驟。本發明的生物電檢測電路通過數字頻譜補償程序對數位訊號進行頻率補償，可避免∑－Δ型模數轉換器頻響差的影響，同時利用∑－Δ型模數轉換器的高解析度、高輸入阻抗檢測生物電，結構極為簡單、不需調試、性能優異。
文檔編號A61F17/00GK1568891SQ20041001908
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月26日 優先權日2004年4月26日
發明者林凌, 李剛 申請人:天津大學