數字式全隔離肌電信號放大降噪方法及其裝置的製作方法
2023-05-31 20:37:36
專利名稱：數字式全隔離肌電信號放大降噪方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用新型數位訊號處理器(DSP)，在低功耗小體積的便攜條件下實現降低肌電信號噪聲提高信噪比的數字式全隔離肌電信號放大降噪方法及其裝置，屬於醫療儀器製造領域。
背景技術：
近年來人們越來越重視自己的健康，對各種醫療診斷和治療儀器的需求與日俱增。市場上存在種類繁多，數量驚人的各式儀器設備。在肌電信號放大器領域，大多數廠商使用現有的公開的生物電信號放大器。這种放大器需要使用模擬工頻陷波器和高價格的模擬隔離放大器。致使高性能的肌電信號放大器具有體積大，價格高，耗電多的缺點，沒有家庭化和便攜化的可能。
近年來，隨著康復醫學的發展，人們對中風等疾病治療後的康復越來越重視，而肌電信號監測是是中風等疾病造成的肢體殘障人員康復鍛鍊的效果進行評價的主要指標之一。目前尚缺少一種有效的具有較高精度的便攜肌電信號檢測儀器。本發明是在這樣的條件下產生的，由於採用先進的數位技術，使得這种放大器能夠省去傳統的模擬陷波器和模擬隔離放大器，在苛刻的成本和功耗要求下現只有傳統的大型儀器才具有的信噪比。大大降低肌電信號放大器的價格和體積。使得中風患者能夠通過可攜式儀器獲得只有在醫院才具有的肌電信號測試和評估效果。
現有肌電信號放大系統採用模擬隔離放大器，這類放大器一般成本較高，耗電較高且信噪比也不是非常理想。這是造成肌電信號診斷儀器不能進入普通老百姓家的重要原因。
發明內容
本發明提供了一種在較高安全性和信噪比的條件下，能夠實現低功耗、低成本和可攜式的數字式全隔離肌電信號放大降噪方法及其裝置。
本發明採用如下技術方案一種數字式全隔離肌電信號放大降噪方法，包括如下步驟
第一步信號採集、放大微弱的肌電信號通過採集後，經放大器放大，得到放大後的肌電信號；第二步數字處理包括模數轉換和數字濾波處理；將放大後的含有噪聲的肌電信號進行數字處理，先進行模數轉換，再經過低通濾波和自適應陷波處理後得到數位訊號；第三步信號隔離、接收、發送將第二步得到的數位訊號以數字形式傳輸，並對其進行隔離後，得到的隔離後的數位訊號，即為放大降噪後的數位訊號。
一種用於實現上述方法的裝置，包括生物電信號拾取器、數位訊號處理器、數字隔離光耦、數字輸出接口電路，肌電信號被生物電信號拾取器採集並經生物電信號拾取器放大後輸出至數位訊號處理器的AD轉換輸入端，由數位訊號處理器對肌電信號進行模數轉換和數字濾波處理後，將肌電信號轉換為數位訊號，並由數位訊號處理器的串口輸出至數字隔離光耦的數位訊號輸入端，數字隔離光耦對數位訊號進行隔離後輸出至數字輸出接口電路的數字隔離輸入端，得到由數字輸出接口電路的數位訊號輸出端輸出的放大降噪、隔離後的數位訊號。
本發明的工作原理上電後，數位訊號處理器先初始化輸入輸出(IO)和串口波特率，將串口發送緩衝區的大小初始化為16個字節，AD結果緩衝區的先入先出緩衝(FIFO)深度初始化為8個字，AD採樣間隔先設定為為1mS(採樣率為1000Hz)。微弱的肌電信號通過表面電極進入生物信號拾取電路的放大器後被放大，從數位訊號處理器的AD轉換引腳進入數位訊號處理器的模數轉換模塊，將肌電信號轉換為數位訊號，存入AD結果緩衝區，等AD結果緩衝區放滿後，將緩衝區的數據讀出，並分別將8次採樣的結果依次放入低通濾波器和自適應陷波器中進行數字濾波處理；最後將8個字的輸出結果放入16個字節的串口緩衝區中，在串行模塊中，串口緩衝區裡經過濾波的數位訊號被以數字的形式從數位訊號處理器的8號TXD引腳發送出來至數字隔離光耦。
肌電信號放大器中設計隔離措施，一方面可以防止放大器之後使用高壓電源的信號顯示和處理系統漏電造成對人體的電擊、另一方面可以切斷可能包圍大量幹擾磁力線的高阻抗的信號迴路，解決由於高迴路阻抗帶來的容易耦合電磁幹擾的問題；本發明中採用數字光耦可以實現很好的隔離性能；數字隔離光耦將接收到的數位訊號隔離後發送到數字輸出接口電路，由數字接口電路將數位化處理後的數位訊號發送出去。
與現有技術相比，本發明具有如下優點1、本發明將具有A/D採集功能的低功耗、小體積數位訊號處理器放到原有的肌電信號放大器電路的隔離前端，由於將肌電信號轉換為數位訊號，通過隔離電路傳遞的不再是模擬信號而是數位訊號，這樣就可以省去原有電路中價格和功耗最高的模擬隔離放大器，而代之以價格低廉的數字隔離器和光耦，在不降低安全性和信噪比的條件下大大降低了成本和功耗。
2、由於在前端使用了體積小、耗電低、高集成度的數位訊號處理器，可以使用數字濾波器濾除工頻幹擾及其高次協波，而不會有現有技術中可能出現的放大器飽和問題，所以本發明電路可以省去現有技術中的模擬陷波器電路，大大的降低了印製電路板面積和系統的功耗。
3、由於使用了數字濾波器，本電路中的數字濾波器可以不受印製電路板面積和模擬集成電路性能限制，使用具有高於傳統模擬陷波器性能的數字自適應濾波算法，同時濾除50Hz、100Hz、150Hz的噪聲，有效地降低噪聲，提高輸出數位訊號信噪比，在非常小的體積內實現了以往要高檔儀器才具有的高信噪比。
4、由於採用的新型數位訊號處理器具有在肌電信號放大系統帶寬下足夠高的A/D採集能力，使用足夠高的採樣率可以在不產生高頻噪聲混疊的條件下使用數字低通濾波器，因此使用數位訊號處理器的肌電電信號放大電路還可以省去原有的模擬低通濾波器，進一步降低功耗、成本和放大器體積。
5、本發明的設計中省去了模擬隔離放大器，只需要使用一個成本非常低數字光耦就可以實現傳統儀器前所未有的高隔離性能，還可以對需要對信號進行進一步處理的其他儀器或模塊直接提供數位訊號，無需它們再進行昂貴的模數轉換，降低了成本。
6、由於元件耗電量和有源元器件數量的降低，系統平均電流降低到100mA以下，可以在電池供電條件下工作較長時間，大大減小了系統體積，實現了系統的便攜化。
7、採用了可靠的隔離措施，提高了醫療儀器的安全性，使普通人在沒有醫師指導的條件下也能夠安全使用。
8、提供數字輸出，方便和其他醫療儀器或模塊接駁，且可以防止由於遠距離傳輸模擬信號造成的不必要的信噪比的降低。
圖1傳統肌電信號放大儀的功能框圖。
圖2本發明的數字式全隔離肌電信號放大儀功能框圖。
圖3本發明的自適應濾波器的拓撲結構。
圖4本發明的生物電信號拾取器電路圖。
圖5本發明的數位訊號處理器電路圖。
圖6本發明的數字隔離光耦電路圖。
圖7本發明的數字輸出接口電路電路圖。
圖8本發明的數字式全隔離肌電信號放大降噪方法流程圖。
圖9數位訊號處理器的軟體流程圖。
具體實施例方式
實施例1如圖8、9所示，一種數字式全隔離肌電信號放大降噪方法，包括如下步驟第一步信號採集、放大微弱的肌電信號通過採集後，經放大器放大，得到放大後的肌電信號；第二步數字處理包括模數轉換和數字濾波處理；將放大後的含有噪聲的肌電信號進行數字處理，先進行模數轉換，再經過低通濾波和自適應陷波處理後得到數位訊號將得到的數位訊號發送出去進行隔離；數字處理採用數位訊號處理器實現，數字處理包括模數轉換、數字濾波處理和數字處理結果發送，包括以下步驟(參見圖9)a)數位訊號處理器上電後先初始化輸入輸出和串口波特率，將串口緩衝區的大小初始化為16個字節，AD結果緩衝區的先入先出緩衝深度初始化為8個字節，AD採樣間隔設定為1mS；b)放大後的肌電信號通過數位訊號處理器的的AD轉換端輸入，由AD轉換模塊將其轉換為數位訊號，並放入AD結果緩衝區；c)檢測AD結果緩衝區是否放滿，如放滿，則將AD結果緩衝區的數據讀出，並分別將8次採樣的結果依次放入數字濾波器中進行數字濾波處理，得到數字濾波後的數位訊號；d)將8個字節的數字濾波後的數位訊號放入16個字節的串口緩衝區中並發送出去；e)返回第c)步，等待AD結果緩衝區再次放滿狀態。
第三步信號隔離、接收、發送將第二步得到的數位訊號以數字形式傳輸，並對其進行隔離後，得到的隔離後的數位訊號，即為放大降噪後的數位訊號。
實施例2
一種用於實現數字式全隔離肌電信號放大降噪方法的裝置，包括生物電信號拾取器1、數位訊號處理器2、數字隔離光耦3、數字輸出接口電路4，肌電信號被生物電信號拾取器1採集並經生物電信號拾取器1放大後輸出至數位訊號處理器2的AD轉換輸入端，參見圖4，生物電信號拾取器1由低功耗的新型儀表放大器AD623組成差分信號拾取電路，負責拾取差分形式的生物電信號；使用低功耗低、失調電壓、低偏置電流的精密放大器AD8610組成主放大級；數位訊號處理器2包括模數轉換模塊和數位訊號濾波器，由模數轉換模塊對肌電信號進行模數轉換，將肌電信號轉換為數位訊號，再由數位訊號濾波器對數位訊號進行數字濾波處理，參見圖5，模數轉換和數字濾波處理部分由一個高性能低引腳數的數位訊號處理器DSPIC30F3012型號數位訊號處理器來實現，可以在20mA左右的工作電流下實現10K左右的模數轉換和30MIPS的速度；DSPIC30F3012型號數位訊號處理器共具有18個引腳，其中，2號引腳作為數位訊號處理器的AD轉換輸入端，接收由生物電信號拾取器1放大後輸出的肌電信號，13號VSS引腳和17號AVSS引腳接地，14號VDD引腳外接數字電源，18號AVDD引腳為模擬電源輸入腳，1號引腳通過電阻REST接到數字電源作為復位控制引腳，6號、7號引腳為外接晶振XTAL(頻率為7.3728MHz)，電容CX1、CX2為起振電容，8號引腳作為數位訊號處理器2的串口；由數位訊號處理器的串口輸出處理後的數位訊號至數字隔離光耦3的數位訊號輸入端，參見圖6，數字隔離光耦3由高速光耦31、電阻ROP1、電阻ROP3組成，其中，電阻ROP1的一端作為數字隔離光耦3的數位訊號輸入端，連接到數位訊號處理器2的串口，接收數位訊號，另一端連接高速光耦31，將數位訊號輸入高速光耦31，並經高速光耦31隔離，高速光耦31的輸出端作為數字隔離光耦3的數字隔離輸出端，並連接電阻ROP3，電阻ROP3的另一端接地；數字隔離光耦3接收由數位訊號處理器2輸出的數位訊號並進行隔離後輸出至數字輸出接口電路4的數字隔離輸入端，得到由數字輸出接口電路4的數位訊號輸出端輸出的放大降噪後的數位訊號；參見圖7，數字輸出接口電路4由MAX232型號晶片組成，其中，MAX232的1號引腳、3號引腳通過電容CP232-1連接，4號引腳和5號引腳通過電容CP232-2連接，2號V+引腳通過一電容CP232-3和VCC引腳均外接電源，6號V-引腳通過電容CP232-4和15號GND引腳均接地，11號引腳作為數字輸出接口電路4的數字隔離輸入端，14號引腳將11引腳接收的數位訊號輸出。
權利要求
1.一種數字式全隔離肌電信號放大降噪方法，其特徵在於包括如下步驟第一步信號採集、放大微弱的肌電信號通過採集後，經放大器放大，得到放大後的肌電信號；第二步數字處理包括模數轉換和數字濾波處理；將放大後的含有噪聲的肌電信號進行數字處理，先進行模數轉換，再經過低通濾波和自適應陷波處理後得到數位訊號；第三步信號隔離、接收、發送將第二步得到的數位訊號以數字形式傳輸，並對其進行隔離後，得到的隔離後的數位訊號，即為放大降噪後的數位訊號。
2.根據權利要求1所述的數字式全隔離肌電信號放大降噪方法，其特徵在於所述的第二步數字處理採用數位訊號處理器實現，數字處理包括模數轉換、數字濾波處理和數字處理結果發送，包括以下步驟第一步數位訊號處理器上電後先初始化輸入輸出和串口波特率，將串口緩衝區的大小初始化為16個字節，AD結果緩衝區的先入先出緩衝深度初始化為8個字節，AD採樣間隔設定為1mS；第二步放大後的肌電信號通過數位訊號處理器的的AD轉換端輸入，由AD轉換模塊將其轉換為數位訊號，並放入AD結果緩衝區；第三步檢測AD結果緩衝區是否放滿，如放滿，則將AD結果緩衝區的數據讀出，並分別將8次採樣的結果依次放入數字濾波器中進行數字濾波處理，得到數字濾波後的數位訊號；第四步將8個字節的數字濾波後的數位訊號放入16個字節的串口緩衝區中並發送出去；第五步返回第三步，等待AD結果緩衝區再次放滿狀態。
3.一種用於實現權利要求1所述方法的裝置，包括生物電信號拾取器(1)，其特徵在於還包括數位訊號處理器(2)、數字隔離光耦(3)、數字輸出接口電路(4)，肌電信號被生物電信號拾取器(1)採集並經生物電信號拾取器(1)放大後輸出至數位訊號處理器(2)的AD轉換輸入端，由數位訊號處理器(2)對肌電信號進行模數轉換和數字濾波處理後，將肌電信號轉換為數位訊號，並由數位訊號處理器(2)的串口輸出至數字隔離光耦(3)的數位訊號輸入端，數字隔離光耦(3)對數位訊號進行隔離後輸出至數字輸出接口電路(4)的數字隔離輸入端，得到由數字輸出接口電路(4)的數位訊號輸出端輸出的放大降噪、隔離後的數位訊號。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於數位訊號處理器(2)採用DSPIC30F3012型號的數位訊號處理器。
5.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於所述的數字隔離光耦(3)由高速光耦(31)、電阻ROP1、電阻ROP3組成，其中，電阻ROP1的一端作為數字隔離光耦(3)的數位訊號輸入端，連接到數位訊號處理器(2)的數位訊號輸出端，接收數位訊號，另一端連接高速光耦(31)，將數位訊號輸入高速光耦(31)，並經高速光耦(31)隔離，高速光耦(31)的輸出端作為數字隔離光耦(3)的數字隔離輸出端，並連接電阻ROP3，電阻ROP3的另一端接地。
6.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於所述的高速光耦(31)採用6N137型號高速光耦。
全文摘要
本發明公開了一種數字式全隔離肌電信號放大降噪方法，肌電信號通過採集後，經放大器放大、模數轉換、低通濾波和自適應陷波處理、隔離後得到的數位訊號，即為放大降噪後的數位訊號；一種用於實現上述方法的裝置，包括生物電信號拾取器、數位訊號處理器、數字隔離光耦、數字輸出接口電路，肌電信號被採集並經生物電信號拾取器放大後輸出至數位訊號處理器，由數位訊號處理器對肌電信號進行模數轉換和數字濾波處理後輸出至數字隔離光耦，對數位訊號進行隔離後輸出至數字輸出接口電路，得到由數字輸出接口電路的數位訊號輸出端輸出的放大降噪、隔離後的數位訊號，本發明具有在較高安全性和信噪比的條件下，能夠實現低功耗、低成本和可攜式等優點。
文檔編號G06F13/00GK1846608SQ200610039858
公開日2006年10月18日 申請日期2006年4月25日 優先權日2006年4月25日
發明者宋愛國, 何樂生, 徐寶國, 王愛民 申請人:東南大學