CN102488510A - 体表生物电无线采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于体表生物电采集领域。为提供一种体表生物电无线采集装置，解决生物电有线的采集方式束缚被试活动范围的问题。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，体表生物电无线采集装置，结构为：体表生物电电极采集的信号经过第一级前置放大高通滤波、第二级低通滤波放大输出到单刀双掷开关，单刀双掷开关选择经过第三级低通滤波放大或直接输出到电压抬升电路然后送入自带AD转换的单片机中进行模数转换，单片机将转换后的信号用无线收发模块无线传输到计算机中，用LabVIEW软件实现体表生物电信号的显示和存储。本发明主要应用于体表生物电采集场合。

Description

体表生物电无线采集装置

技术领域

本发明属于体表生物电采集领域，涉及一种体表生物电无线采集装置。

背景技术

目前，生物电放大器都是采用有线的采集方式。在一些特殊的场合下如运动员的生理检测，宇航员在训练中的体表生物电采集，病人自由活动时的体表生物电测量必须摆脱电线的束缚，采用无线的采集方式。无线比有线具有系统灵活方便，有效抑制共模干扰，浮地设计保证人体安全等优点。但目前没有此类技术方案的报道。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，摆脱电线的束缚，提供一种体表生物电无线采集装置，解决生物电有线的采集方式束缚被试活动范围的问题。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，体表生物电无线采集装置，结构为：体表生物电电极采集的信号经过第一级前置放大高通滤波、第二级低通滤波放大通过陷波电路输出到单刀双掷开关，单刀双掷开关选择经过第三级低通滤波放大、另一个陷波电路或直接输出到电平抬升电路然后送入自带AD转换的单片机中进行模数转换，单片机将转换后的信号用无线发模块无线传输到无线接收芯片，无线接收芯片再通过另一单片机传输到计算机中，在计算机中用LabVIEW软件实现体表生物电信号的显示和存储，前置放大电路、两个低通滤波电路、两个陷波电路、电平抬升电路、单片机和无线发模块的参考地连到一起；无线接收芯片和另一单片机参考地连到一起。

第二级低通滤波放大电路的构成为一个放大器，前置放大高通滤波的输出连接到该放大器反相输入端，由并接的电阻、电容形成负反馈，放大器的输出接下级电路。

陷波电路由串接的两个放大器组成，两个放大器反相输入端作信号输入，第一个放大器输出端与反相输入端之间由电阻进行反馈，该输出端通过一个电容、一个可调电阻、一个电阻接地。

电平抬升电路由放大器构成，该放大器同相输入端接信号输入，一个经过电阻分压的直流电压也接入同相输入端。

本发明具有如下技术效果：

本发明是在Web服务领域的相关技术基础上，提出的一种新型的面向移动终端的应用商店框架，极大地改善了用户体验。该发明采用用户租赁的运作方式，用户不再需要下载安装/升级应用，只需按所需功能，拖拽应用的快捷方式到桌面即可，实现真正意义上的即买即用。同时，用户还可以对多个应用的快捷方式进行组合搭配，自定制个性化的类Mashup混搭应用。

总之，本发明使得应用程序不再受操作系统平台的限制，管理更加方便，终端上也不再需要不断地升级应用，节省电力，延长终端的使用寿命，给用户带来酷炫体验。并从理论和实际应用方面证明了本发明的优越性。

附图说明

图1为本发明的功能框图。

图2前置放大电路。两个生物电电极作为差分电极可以用来采集脑电、肌电和心电，脑电时参考电极接耳后乳突；肌电接所测肌肉远端骨头凸起处；心电差分电极放置于左右手腕处，参考电极接右腿脚踝。

图3低通滤波放大电路图。

图450Hz工频陷波电路图。

图5电平抬升电路。

图6为无线收发流程图。

图7nRF24L01与msp430f149接口电路。

图8系统采集界面。

图9本发明装置采集的一组静息脑电信号时域与频谱图。

图1020Hz闪烁频率时本发明装置采集脑电信号低通滤波后时域与频谱图。

图1120Hz闪烁频率时中科新拓公司生物电放大器低通滤波后脑电信号时域与频谱图。

图12正常心电信号。图中，Q波：除aVR导联外，正常人Q波时间小于0.04秒，Q波振幅小于同导联中R波的1/4，正常人V₁、V₂导联不应出现Q波，但偶尔可呈现QS波。

图13本装置采集到的心电信号幅频图。

图14本装置采集到的股二头肌由静息状态变为运动状态的肌电信号幅频图。

具体实施方式

体表生物电电极采集的信号经过放大滤波和电压抬升送入自带AD转换的msp430f149单片机中进行模数转换并将信号用无线收发模块nRF24L01无线传输到计算机中，用LabVIEW软件实现体表生物电信号的显示和存储。体表生物电有各自的幅值特点，需要放大的倍数不能固定。心电和肌电的幅值可以达到1mV，放大的倍数选择1000倍就能满足需要；脑电的幅值最高只能达到100μV，需要更大的放大倍数10000倍来实现信号采集功能。本文采用一个单刀双掷开关放在放大电路的两级放大与三级放大之间。需要三级放大时则选择，否则开关直接连接到输出。

6.1EEG采集

本文自制放大器和北京中科新拓有限公司的UB-D8FS型号放大器同时采集同一脑部区域的20Hz闪烁频率的SSVEP脑电信号，与用自制放大器采集的一组静息脑电进行频谱比较，如图9-11。

图9-11自制放大器静息脑电及自制放大器与新拓放大器同时SSVEP实验采集的脑电数据频谱对比。

通过上述各图能够证明本放大器与新拓放大器采集到的脑电信号的频谱特征基本相似。两者能量最大值都在10Hz，能量值都是3000，而且在10Hz附近都有两处高的峰值；在20Hz处都能有明显的能量高峰，大小都是10000的数量级。同时两个放大器的频谱能量分布基本相似。两组放大器对10个不同被试的多组样本进行上述SSVEP实验，在20Hz处都能有明显的能量高峰，同时两个放大器的频谱能量分布基本相似。新拓放大器在临床和科研试验中得到了广泛应用，与新拓放大器的脑电数据采集的比较实验能够证明本文自制放大器能够实现正确的脑电采集功能。

6.2ECG采集

图13是本文自制放大器采集到的心电信号。时域图可以看到心动周期的P、Q、R、S和T波十分明显。采集到的心电信号是正常的心电信号，证明自制放大器能够实现心电信号采集的功能。

6.3EMG采集

由于表面肌电信号源是狭长的肌肉，即使是在相邻部位采集到的肌电信号也会有一定的差别。所以采集肌电信号不能像采集脑电信号那样用两个放大器采集相邻部位的肌电用来比较自制放大器与新拓放大器的信号采集结果。用自制放大器采集的肌电信号如图14可以看出，静息时肌电信号很平滑，肌肉动作时产生80Hz-90HZ高频信号。可以证明放大器对肌电信号发挥了正确的放大作用，能够基本满足对肌电信号的采集功用。

6.4结果分析

通过与新拓放大器脑电采集信号的对比，以及心电特征信号的采集和运动时产生的肌电可以证明本文设计的放大器能够实现脑电、心电和肌电信号的正常采集功能，得到的信号幅频特性能够对信号进行数据分析，满足科研的需要。

如附图所示：体表生物电首先通过生物电专用的电极把生物电信号转换成电压信号，送入前置放大(图2)滤去极化电压，同时前置放大还有电压跟随的作用，从高阻抗的人体拾取有效的生物电信号，这样下一级电路的输入阻抗就接近于0；自前置放大出来的信号还有高频干扰和工频干扰，分别经过截止频率是160Hz的低通滤波(图3)和50Hz陷波电路(图4)滤除，得到尽可能大信噪比的生物电信号；生物电信号相对于参考电压有正有负，而A/D模块只能识别正电压信号，所以需要把生物电信号送入电平抬升电路进行升压；得到的信号再用msp430f149单片机自带AD模块转换成数字信号，转换好的信号经单片机与nRF24L01处理发射出去，由令一组无线接收电路接收后由串口RS232上传到计算机显示与储存。

Claims (4)

1.一种体表生物电无线采集装置，其特征是，结构为：体表生物电电极采集的信号经过第一级前置放大高通滤波、第二级低通滤波放大通过陷波电路输出到单刀双掷开关，单刀双掷开关选择经过第三级低通滤波放大、另一个陷波电路或直接输出到电平抬升电路然后送入自带AD转换的单片机中进行模数转换，单片机将转换后的信号用无线发模块无线传输到无线接收芯片，无线接收芯片再通过另一单片机传输到计算机中，在计算机中用LabVIEW软件实现体表生物电信号的显示和存储，前置放大电路、两个低通滤波电路、两个陷波电路、电平抬升电路、单片机和无线发模块的参考地连到一起；无线接收芯片和另一单片机参考地连到一起。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是，第二级低通滤波放大电路的构成为一个放大器，前置放大高通滤波的输出连接到该放大器反相输入端，由并接的电阻、电容形成负反馈，放大器的输出接下级电路。

3.如权利要求1所述的装置，其特征是，第二级低通滤波放大与单刀双掷开关间设置有陷波电路，陷波电路由串接的两个放大器组成，两个放大器反相输入端作信号输入，第一个放大器输出端与反相输入端之间由电阻进行反馈，该输出端通过一个电容、一个可调电阻、一个电阻接地。

4.如权利要求1所述的装置，其特征是，电压抬升电路由放大器构成，该放大器同相输入端接信号输入，一个经过电阻分压的直流电压也接入同相输入端。

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