CN102512169A - 一种皮肤电信号测试顶偏自适应控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物医学信息处理技术领域，提供一种皮肤电信号测试顶偏自适应控制方法，包括设置参考电压B，测试电极作用于人体；在参考电压B作用下，通过测量电极拾取人体皮肤电信号A；将皮肤电信号A经过第一级放大电路放大，得到放大后的皮肤电反应信号A1；将放大后的皮肤电反应信号A1减去参考电压B得到电压差值C，对电压差值C经过第二级放大电路得到放大后的电压差值C’；对放大后的电压差值C’进行模数转换；若|C’|＞电路的门限值V’，则逐级调整参考电压B，使得|A1-B|＜V’，否则，输出或存储参考电压B和C’；还提供一种皮肤电信号测试顶偏自适应控制装置。

Description

一种皮肤电信号测试顶偏自适应控制方法和装置

技术领域

本发明涉及生物医学信息处理技术领域，特别涉及一种皮肤电信号测试顶偏自适应控制方法和装置。

背景技术

皮肤电信号包括皮肤电阻及皮肤电反应信号，被广泛用来作为探查人类生理心理活动过程的指标，同时也作为评价人的意向活动、唤醒水平和情绪反应等的一种指标，尤其对影响人的心理活动和健康有重要关系的情绪反应，在目前还没有更好的指标可以测定情绪反应的强度、持续时间和频率的情况下，皮肤电阻仍是研究人类情绪的一种重要指标。汗腺活动是产生和影响皮肤电阻的重要因素已被实验所证明，由于汗腺的活动受体内外温度和人的生理心理活动两种主要因素的影响，尤其是人的生理心理反应性泌汗是受交感神经作用引起的，因此，皮肤电阻可作为交感神经活动的间接指标，也可以用作评价情绪唤起水平和某些心理活动的指标。一般皮肤电流运动具有一定的电阻参数，但在外部新鲜刺激或情绪性刺激作用下，皮肤导电电流增加，电阻下降。皮肤电阻值一般在300KΩ至5MΩ之间。如专利号CN201020231182.0所提出的一种皮肤电阻的实时监测及反馈装置。其是由微处理器控制电位器，电位器输出经放大器放大由变压器作用于皮肤并采集皮肤电阻；如专利号CN200920246263.5所提出的使用无线通讯方式的心理测试仪等，都提到如何测量皮肤电阻。皮肤电阻随皮肤汗腺机能变化而改变叫皮肤电反应。人体由于交感神经兴奋，导致汗腺活动加强，分泌汗液较多，由于汗内盐成分较多使皮肤导电能力增高，形成较大的皮肤电反应。

因而由于皮肤电信号会因受季节、环境或个体情绪波动等影响而突然大幅度变化，产生过大的电压超过电路处理信号的上限或者或产生过小的电压超过电路的下限，从而使电路不能正常工作，产生皮肤电信号测试顶偏现象。当电路发生顶偏时，而且没有做出相应的处理时。电路只能输出电路所能处理的最大值或者最小值，而不能测得更真实的皮肤电信号，进而不能准确判断被测人的情绪变化。

发明内容

为解决以上问题，本发明提出一种皮肤电信号测试顶偏自适应控制方法和装置。本发明将根据所测的皮肤电信号幅度的大小，判断测量值是否超出电路处理的限度，然后根据所作出的判断自动调整电路参考电压，进而消除顶偏，最终自动测得更加准确的皮肤电信号。

一种皮肤电信号测试顶偏自适应控制方法，包括：

步骤1：设置参考电压B，测试电极作用于人体；

步骤2：在参考电压B作用下，通过测量电极拾取人体皮肤电信号A；

步骤3：将皮肤电信号A经过第一级放大电路放大，得到放大后的皮肤电反应信号A1；

步骤4：将放大后的皮肤电反应信号A1减去参考电压B得到电压差值C，对电压差值C经过第二级放大电路得到放大后的电压差值C’；

步骤5：对放大后的电压差值C’进行模数转换；

步骤6：判断是否|C’|＞V’，若是进入步骤7，否则，转至步骤8；所述V’为电路的门限值；

步骤7：逐级调整参考电压B，使得|A1-B|＜V’，转至步骤2；

步骤8：输出或存储参考电压B和C’。

作为一种优选实施方式，在所述步骤3之前，还包括步骤2’，对所提取的皮肤电信号经无源滤波电路滤波，使得信号采集电路在处理皮肤电信号时对皮肤电信号的影响最小。

作为另一种优选实施方式，在所述步骤8之后，进一步包括步骤9，根据B、C’和第一级放大倍数U1及第二级放大倍数U2，计算真实的皮肤电信号值AA＝A0/U1，其中，A0＝C0+B；C0＝C’/U2。

优选地，所述第一级放大电路的放大倍数U1取值范围为8到20。

优选地，所述第二级放大电路的倍数U2取值范围为12到25。

优选地，所述模数转换的采样频率为5Hz。

一种皮肤电信号测试顶偏自适应控制装置，包括：

参考电压调整单元10，用于设置初始参考电压，调整参考电压；

皮肤电信号测试单元20，与拾取皮肤电信号的测试电极相连接，用于测试皮肤电信号；

第一级放大电路30，用于对测试到的皮肤电信号进行放大处理；

主控单元100，用于将放大后的皮肤电反应信号A1减去参考电压B得到电压差值C，判断是否|C’|＞V’，控制参考电压调整单元调整参考电压值，输出或存储参考电压B和C’；

第二级放大电路40，用于对电压差值C进行放大处理得到放大后的电压差值C’

A/D转换单元50，用于对放大后的电压差值C’进行模数转换；

所述参考电压调整单元10分别与皮肤电信号测试单元20和主控单元100连接。

作为一种优选实施方式，还包括滤波单元25，分别与皮肤电信号测试单元20和第一级放大电路30相连接，用于对提取的皮肤电信号进行滤波处理，使得信号采集电路在处理皮肤电信号时对皮肤电信号的影响最小。

作为另一种优选实施方式，还包括皮肤电信号恢复计算单元60，与主控单元100相连接，用于根据B、C’和第一级放大倍数U1及第二级放大倍数U2，计算真实的皮肤电信号值AA＝A0/U1，其中，A0＝C0+B；C0＝C’/U2。

优选地，所述第一级放大电路30的放大倍数U1范围为8到20；所述第二级放大电路40的倍数U2取值范围为12到25；所述A/D转换单元50的采样频率为5Hz。

与现有技术相比，本发明由于皮肤电信号的变化范围比较大，可能在10个数量级以上范围变化。在测量时可能因为皮肤电信号的变化范围太大超过电路处理极限，而不能测得真实的皮肤电信号，即产生顶偏现象，在设计时考虑到这种可能，而提出顶偏自适应控制方法，进而使测得的皮肤电信号更加真实，进一步说明了本发明比现有技术的进步性。

附图说明

图1为本发明一种皮肤电信号测试顶偏自适应控制方法优选实施例流程图。

图2为本发明一种皮肤电信号测试顶偏自适应控制装置优选实施例结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图、实施例或实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种皮肤电信号测试顶偏自适应控制方法，优选实施例流程示意如图1所示，其步骤为：

步骤1：设置参考电压B，测试电极作用于人体；

所述设置参考电压B是为了测量皮肤电信号作准备，该步骤所设置的参考电压为参考电压初始值，后续步骤中参考电压可能会发生变化；所述测试电极是医学专用电极，该电极的阻抗极小，其对皮肤电反应的影响可以忽略不计。

步骤2：在参考电压B作用下，通过测量电极拾取人体皮肤电信号A，经提取电路提取该信号并作简单处理。

该步骤中只对皮肤电信号原始数据提取，即读取皮肤电信号。

优选的，进一步对所提取的皮肤电信号经无源滤波电路滤波，得到滤波后的皮肤电信号，送至下级电路处理。这样做的好处是保证了原始皮肤电信号的有效性，使得信号采集电路在处理皮肤电信号时对皮肤电信号的影响最小。

步骤3：将皮肤电信号A经过第一级放大电路放大，得到放大后的皮肤电反应信号A1；

因为个体的差异和受季节的影响，被测人的皮肤电信号强度变化范围很大，有时超过10个数量级，如果仅采用一级放大，若测得的皮肤电信号强度太微弱时，直接和参考电压相减然后放大，此时测得的皮肤电信号可能被参考电压或者噪声所淹没，另外当测得的皮肤电信号太微弱时，也不利于大滤波电路提取有用信号。因此本发明采用了两级放大而没有只采用一级放大，使得避免了测得的皮肤电信号强度很微弱被被参考电压或者噪声所淹没的问题，同时也更有利于滤波电路提取出有用信号。

优选的，所述第一级放大电路的放大倍数U1取值范围为8到20。

步骤4：将放大后的皮肤电反应信号A1减去参考电压B得到电压差值C，对电压差值C经过第二级放大电路得到放大后的电压差值C’；

通常，当人的情绪反应太大时，采集到的皮肤电信号在放大的时候可能超出了电路的处理限度，只能得到电路的门限值V’而不能准确的测得皮肤电信号。因此本发明提出了皮肤电信号与可变的参考电压作减法，在一定范围内降低测得的皮肤电信号，进而使测得的皮肤电信号在放大的时候不超出电路的处理范围，最终测得更真实的皮肤电信号。

优选的，所述第二级放大电路的倍数U2取值范围为12到25。

步骤5：对放大后的电压差值C’进行模数转换；

该步骤只是完成模拟信号到数字信号的转变，为MCU作出相应判断和决定作准备，优选的，所述模数转换的采样频率为5Hz；

步骤6：判断是否|C’|＞V’，所述V’为电路的门限值，也即是电路处理信号的峰值。若是进入步骤7，否则，转至步骤8；

步骤7：逐级调整参考电压B，使得|A1-B|＜V’，转至步骤2；

步骤6和步骤7是本发明的方法中作出判断和决定的过程，现有技术中，该步骤基本上都是人为做出判断调整，而本发明是自动完成的，不需要人为干预。

当被测人体的情绪变化较大时，测得的皮肤电反应正向幅值较大并有可能超出电路的门限值，使电路不能正常工作，即不能测得更真实的皮肤电信号。将逐级增大参考电压B，直到选到能够测得更真实的皮肤电信号的参考电压B。当测人体的情绪从大幅变化到逐渐稳定时，皮肤电信号会逐渐回落到正常水平，但此刻的参考电压可能较高，将根据情况逐级减小参考电压，直到选到能够测得更真实的皮肤电信号的参考电压B。

步骤8：输出参考电压B和C’。

到此，实际上已经可以测得接近真实的皮肤电信号值，接收端可以根据接收到的B、C’和第一级放大倍数U1及第二级放大倍数U2，计算出真实的皮肤电信号值AA＝A0/U1，A0＝C0+B，C0＝C’/U2；并进而根据需要绘制出皮肤电信号的波形图等。

一种皮肤电信号测试顶偏自适应控制装置，优选实施例结构示意如图2所示，包括：

参考电压调整单元10，用于设置初始参考电压，调整参考电压；设置参考电压B是为了测量皮肤电信号作准备，该步骤所设置的参考电压为参考电压初始值，后续步骤中参考电压可能会发生变化；在需要调整时，逐级调整参考电压B，使得|A1-B|＜V’，现有技术中，基本上都是人为做出判断调整，而本发明自动完成，不需要人为干预。

皮肤电信号测试单元20，与拾取皮肤电信号的测试电极相连接，用于测试皮肤电信号；测试电极是医学专用电极，该电极的阻抗极小，其对皮肤电反应的影响可以忽略不计。

第一级放大电路30，用于对测试到的皮肤电信号进行放大；

因为个体的差异和受季节的影响，被测人的皮肤电信号强度变化范围很大，有时超过10个数量级，如果仅采用一级放大，若测得的皮肤电信号强度太微弱时，直接和参考电压相减然后放大，此时测得的皮肤电信号可能被参考电压或者噪声所淹没，另外当测得的皮肤电信号太微弱时，也不利于大滤波电路提取有用信号。因此本发明采用了两级放大而没有只采用一级放大，使得避免了测得的皮肤电信号强度很微弱被被参考电压或者噪声所淹没的问题，同时也更有利于滤波电路提取出有用信号。

优选的，所述第一级放大电路的放大倍数U1范围为8到20。

主控单元100，用于将放大后的皮肤电反应信号A1减去参考电压B得到电压差值C，判断是否|C’|＞V’，控制参考电压调整单元调整参考电压值，输出或存储参考电压B和C’；

通常，当人的情绪反应太大时，采集到的皮肤电信号在放大的时候可能超出了电路的处理顶限，只能得到电路的门限值V’而不能准确的测得皮肤电信号。因此本发明提出了皮肤电信号与可变的参考电压作减法，在一定范围内降低测得的皮肤电信号，进而使测得的皮肤电信号在放大的时候不超出电路的处理范围，最终测得更真实的皮肤电信号。

第二级放大电路40，用于对电压差值C经过第二级放大电路得到放大后的电压差值C’；

优选的，所述第二级放大电路的倍数U2取值范围为12到25。

A/D转换单元50，用于对放大后的电压差值C’进行模数转换；完成模拟信号到数字信号的转变，为MCU作出相应判断和决定作准备，优选的，所述模数转换的采样频率为5Hz；

所述参考电压调整单元10分别与皮肤电信号测试单元20和主控单元100连接。

优选的，在皮肤电信号测试单元20与第一级放大电路30之间，还包括滤波单元25，用于对提取的皮肤电信号进行滤波处理，保证了原始皮肤电信号的有效性，使得信号采集电路在处理皮肤电信号时对皮肤电信号的影响最小。

进一步地，还包括皮肤电信号恢复计算单元60，与主控单元100相连接，用于根据B、C’和第一级放大倍数U1及第二级放大倍数U2，计算真实的皮肤电信号值AA＝A0/U1，其中，A0＝C0+B，C0＝C’/U2。

本发明采用了两级放大，使得避免了测得的皮肤电信号强度很微弱被被参考电压或者噪声所淹没的问题；皮肤电信号与可变的参考电压作减法，在一定范围内降低测得的皮肤电信号，进而使测得的皮肤电信号在放大的时候不超出电路的处理范围，并且逐级增大或减小参考电压B，直到选到能够测得更真实的皮肤电信号的参考电压B，进而测得更真实的皮肤电信号；并且本发明测试是自动完成的，在测试过程中不需要测试人员的干预，就能测得真实的皮肤电信号，从而使皮肤电信号的测量更加智能化，这也是现有技术中所不及之处。由于皮肤电信号的变化范围比较大，可能在10个数量级以上范围变化。在测量时可能因为皮肤电信号的变化范围太大超过电路处理极限，而不能测得真实的皮肤电信号，即产生顶偏现象，在设计时考虑到这种可能，而提出测试时顶偏自适应控制方法，进而使测得的皮肤电信号更加真实，进一步说明了本发明比现有技术的进步性。

本发明所举实施方式或者实施例对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所举实施方式或者实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种皮肤电信号测试顶偏自适应控制方法，其特征在于，包括：

步骤1：设置参考电压B，测试电极作用于人体；

步骤2：在参考电压B作用下，通过测量电极拾取人体皮肤电信号A；

步骤3：将皮肤电信号A经过第一级放大电路放大，得到放大后的皮肤电反应信号A1；

步骤4：将放大后的皮肤电反应信号A1减去参考电压B得到电压差值C，对电压差值C经过第二级放大电路得到放大后的电压差值C’；

步骤5：对放大后的电压差值C’进行模数转换；

步骤6：判断是否|C’|＞V’，若是进入步骤7，否则，转至步骤8；所述V’为电路的门限值；

步骤7：逐级调整参考电压B，使得|A1-B|＜V’，转至步骤2；

步骤8：输出或存储参考电压B和C’。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，在所述步骤3之前，还包括步骤2’，对所提取的皮肤电信号经无源滤波电路滤波，使得信号采集电路在处理皮肤电信号时对皮肤电信号的影响最小。

3.如权利要求1或2所述方法，其特征在于，在所述步骤8之后，进一步包括步骤9，根据B、C’和第一级放大倍数U1及第二级放大倍数U2，计算真实的皮肤电信号值AA＝A0/U1，其中，A0＝C0+B；C0＝C’/U2。

4.如权利要求1-3任一所述方法，其特征在于，所述第一级放大电路的放大倍数U1取值范围为8到20。

5.如权利要求1-3任一所述方法，其特征在于，所述第二级放大电路的倍数U2取值范围为12到25。

6.如权利要求1-3任一所述方法，其特征在于，所述模数转换的采样频率为5Hz。

7.一种皮肤电信号测试顶偏自适应控制装置，其特征在于，包括：

参考电压调整单元(10)，用于设置初始参考电压，调整参考电压；

皮肤电信号测试单元(20)，与拾取皮肤电信号的测试电极相连接，用于测试皮肤电信号；

第一级放大电路(30)，用于对测试到的皮肤电信号进行放大处理；

主控单元(100)，用于将放大后的皮肤电反应信号A1减去参考电压B得到电压差值C，判断是否|C’|＞V’，控制参考电压调整单元调整参考电压值，输出或存储参考电压B和C’；

第二级放大电路(40)，用于对电压差值C进行放大处理得到放大后的电压差值C’

A/D转换单元(50)，用于对放大后的电压差值C’进行模数转换；

所述参考电压调整单元(10)分别与皮肤电信号测试单元(20)和主控单元(100)连接。

8.如权利要求7所述装置，其特征在于，还包括滤波单元(25)，分别与皮肤电信号测试单元(20)和第一级放大电路(30)相连接，用于对提取的皮肤电信号进行滤波处理，使得信号采集电路在处理皮肤电信号时对皮肤电信号的影响最小。

9.如权利要求7-8任一所述装置，其特征在于，还包括皮肤电信号恢复计算单元(60)，与主控单元(100)相连接，用于根据B、C’和第一级放大倍数U1及第二级放大倍数U2，计算真实的皮肤电信号值AA＝A0/U1，其中，A0＝C0+B；C0＝C’/U2。

10.如权利要求7-9任一所述装置，其特征在于，所述第一级放大电路(30)的放大倍数U1范围为8到20；所述第二级放大电路(40)的倍数U2取值范围为12到25；所述A/D转换单元(50)的采样频率为5Hz。

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