CN102743190A - 一种提高经颅多普勒信号信噪比的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高经颅多普勒信号信噪比的方法及系统，其系统包括：按照电信号顺序依次连接的信号采集单元、信号预处理单元、信号处理单元及输出单元；所述信号采集单元用于采集人体经颅信号，并将该经颅信号转换为电信号，同时对该电信号进行滤波处理；所述信号预处理单元将该电信号传输至多个通道，并对每个通道的信号进行放大处理及模数转换处理；所述信号处理单元用于对多个通道的信号进行叠加处理及数字解调处理；所述输出单元将信号输出及显示。本发明提供一种提高经颅多普勒信号信噪比的方法及系统，可以提高前端信号的信噪比，减少白噪声的干扰，解决了经颅多普勒图像质量不高，灵敏度不够的问题。

Description

一种提高经颅多普勒信号信噪比的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种提高信号信噪比的方法及系统，尤其涉及一种提高经颅多普勒信号信噪比的方法及系统。

背景技术

目前，在电子医疗领域中，对信号进行处理并对信号进行放大的电路是很常见的电路，特别是在采集人体微弱信号的医疗电子设备中，基本上都会有对信号进行放大的信号放大电路。在前端的放大电路中，信号信噪比的大小是衡量这个放大电路好坏的关键。信噪比的定义：狭义来讲是指放大器的输出信号的电压幅值与同时输出的噪声电压幅值的比值，常常用分贝数表示，设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声越小，声音回放的音质量越高，否则相反。信噪比一般不应该低于70dB。

目前在医疗设备无创经颅多普勒（下面简称TCD）的前端放大电路中前端信号的信噪比不高，在TCD的前端信号中夹杂着很多噪声，噪声里面有很多是白噪声。这些噪声在前端电路中被放大很多倍，对TCD的图像有很大影响，有时候会导致临床医生对病人的病情做出错误的判断或者检测不出来病人的病情。在目前TCD电路设计中，模拟信号被放大后，通过IC进行模拟的解调，然后通过AD采集解调出来的信号，将AD采集到的信号传给上位机进行处理。下面详细介绍TCD现有的技术的部分电路工作原理。在系统上电后，TCD的探头接收到的回波信号，经过一路放大电路进行一定幅值的放大，对放大后的信号进行模拟的解调，将解调后的信号输入给AD，AD采集信号后，将信号进行数字处理，信号经过数字化处理后，将数据传输给上位机。

现有的技术解决方案是利用心电信号作为触发同步信号，假设人体是一个平稳随机系统，通过不同时间片段的信号叠加，达到增强信号、抵消噪声的目的。现有的技术对TCD前端的接收信号的放大只是使用一个通道的电路对信号进行放大，这样的信号放大电路，特别是对夹杂着白噪声的信号进行放大时，信号的信噪比不高。在解调信号的电路，使用的是模拟解调的方法，信号完整性不好，导致TCD诊断时灵敏度不够，TCD图像质量不高。

发明内容

本发明解决的技术问题是：构建一种提高经颅多普勒信号信噪比的方法及系统，可以提高前端信号的信噪比，减少白噪声的干扰，解决了经颅多普勒图像质量不高，灵敏度不够的问题。

本发明的技术方案是：一种提高经颅多普勒信号信噪比的系统，包括：按照电信号顺序依次连接的信号采集单元、信号预处理单元、信号处理单元及输出单元；所述信号采集单元用于采集人体经颅信号，并将该经颅信号转换为电信号，同时对该电信号进行滤波处理；所述信号预处理单元将该电信号传输至多个通道，并对每个通道的信号进行放大处理及模数转换处理；所述信号处理单元用于对多个通道的信号进行叠加处理及数字解调处理；所述输出单元将信号输出及显示。

本发明的进一步技术方案是：所述信号预处理单元包括多个放大模块及多个模数转换模块，所述电信号分别传输至多个通道，每个通道分别包括一个放大模块和一个模数转换模块，所述放大模块对信号进行放大处理；所述模数转换模块与该放大模块相连，用于对放大处理后的信号进行模数转换处理。

本发明的进一步技术方案是：所述放大模块为运算放大器，所述运算放大器采用的芯片可以为AFE5805、AFE5808或VCA8617与ADS5277的组合。

本发明的进一步技术方案是：所述信号处理单元包括信号叠加模块及数字解调模块；所述信号叠加模块，用于将多个通道的信号叠加为一路信号；所述数字解调模块，用于对叠加后的信号进行数字解调，将一路信号解调为两路信号。

本发明的进一步技术方案是：所述信号叠加模块和数字解调模块通过微处理器进行控制，其中所述微处理器可以为单片机、ARM、FPGA或者DSP。

本发明的进一步技术方案是：还包括供电单元；该供电单元分别与信号采集单元、信号预处理单元、信号处理单元及输出单元相连，用于对系统进行供电。

本发明的技术方案是：构建一种提高经颅多普勒信号信噪比的方法，包括以下步骤：通过信号采集单元采集人体经颅信号，并将采集的经颅信号转换为电信号，同时将该电信号进行滤波处理；将电信号依次传输至多个通道，并对多个通道中的电信号进行放大处理，然后将放大后的每一个通道的信号分别进行模数转换；将多个通道的信号叠加为一路信号，然后将叠加后的信号进行数字解调处理，得到两路信号；将解调得到的两路信号输出并显示。

本发明的进一步技术方案是：所述每一个通道的模数转换是同时进行的，并且对每个通道的电信号进行放大处理的倍数相同。

本发明的进一步技术方案是：对多个通道信号的叠加方法为：当信号的通道数为N，且每个通道的信号幅值均为M,叠加后输出的信号幅值为m，则m=N*M。

本发明的进一步技术方案是：在对解调得到的两路信号进行输出并显示之前，对该两路信号进行滤波处理。

本发明的技术效果是：构建一种提高经颅多普勒信号信噪比的方法及系统，通过在对信号进行模数转换之后，将放大后的每个通道的信号进行叠加，在保证增益相同的同时，将前端信号的信噪比提高，从而减少白噪声的干扰，解决了经颅多普勒图像质量不高，灵敏度不够的问题，通过对信号进行数字解调，提高信号的完整性，减少了有用信号的丢失，增加了图像的真实性。

附图说明

图1为本发明的一种提高经颅多普勒信号信噪比的方法流程图。

图2为本发明的一种提高经颅多普勒信号信噪比的系统示意图。

图3为本发明的一种提高经颅多普勒信号信噪比的具体电路示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。

本发明提供图1为本发明的一种提高经颅多普勒信号信噪比的方法；包括步骤如下：

步骤201：采集人体经颅信号：开机系统初始化，对系统硬件和软件进行初始化设置，通过经颅多普勒探头对人体的经颅信号进行采集，并将采集的经颅信号转换为电信号，同时将该电信号进行滤波处理，来消除噪声的干扰。

步骤202：对信号进行预处理：将滤波处理后的电信号依次传输至多个通道，并在多个通道中对该电信号进行放大处理，然后将放大后的每一个通道的信号分别进行模数转换，即将模拟信号转换为数字信号；其中对每一个通道的信号单独进行模数转换，并且每一个通道的模数转换是同时进行的；对电信号的放大是通过运算放大器进行放大处理，并且每个通道放大处理的倍数相同。

步骤203：对信号进行叠加处理：接收每个通道的信号，并对接收的每个通道的信号进行叠加处理，即将多个通道的信号进行叠加一路信号；其中信号叠加的方法为：当需要对N个通道的信号进行叠加，并且每个通道的信号幅值相同，幅值都为M；而叠加后输出信号为一个通道，其幅值为m，则叠加后的幅值m等于通道数乘以每个通道的幅值，即m=N*M；并且信号的叠加是在内部控制器实现。

步骤204：对叠加后的信号进行解调：通过对叠加后的信号进行数字解调处理，使解调得到两路信号。

步骤205：对解调后的信号进行输出：将解调得到的两路信号进行滤波处理，然后处理后的信号输出，并显示。

如图2所示，是本发明的一种提高经颅多普勒信号信噪比的系统；其中包括：按照电信号顺序依次连接的信号采集单元101、信号预处理单元102、信号处理单元103及输出单元104；所述信号采集单元101，用于采集人体的经颅信号，并将采集的经颅信号转换为电信号，同时对该电信号进行滤波处理；其中信号采集单元101包括经颅多普勒探头，该经颅多谱勒探头采集人体经颅信号；所述信号预处理单元102，用于将滤波处理后的电信号传输至多个通道，并对每个通道的信号进行放大处理及模数转换；所述信号处理单元103，用于对多个通道的信号进行叠加处理和数字解调处理；即将多个通道的信号叠加为一路信号，然后将叠加后的信号解调为两路信号；所述输出单元104，用于将解调处理后的信号输出及显示；

其中，本发明的一种提高经颅多普勒信号信噪比的系统还包括供电单元105；所述供电单元105分别与信号采集单元101、信号预处理单元102、信号处理单元103及输出单元104相连，用于对系统进行供电；所述信号预处理单元102包括多个放大模块及多个模数转换模块；即第一放大模块112，第一模数转换模块122，第N放大模块132及第N模数转换模块142；所述第一放大模块112与第一模数转换模块122相连，用对第一通道的信号进行放大及模数转换处理；所述第N放大模块132与第N模数转换模块142相连，用对第N通道的信号进行放大及模数转换处理；其中N优选为8，即将电信号分别传输至8个通道；所述信号处理单元103包括信号叠加模块113及数字解调模块123；所述信号叠加模块113，用于将多个通道的信号叠加为一路信号；所述数字解调模块123，用于对叠加后的信号进行数字解调，将一路信号解调为两路信号。

其中所述信号预处理单元102中的运算放大器所采用的芯片包括但不限于AFE5805、AFE5808以及VCA8617与ADS5277的组合芯片；其中信号预处理单元采用的通道数为大于2的任意通道数，单元优选为8个通道数；。

使用8个通道数的信号预处理单元，这样能较好的提高信号的信噪比，能够最好的减少信号中夹杂着白噪声的干扰。因为白噪声有一个特点，即在噪声相加之后不会仅仅简单的叠加；例如，三个白噪声信号幅值都为10mV，但是叠加的信号幅值并不是简单的10+10+10=30mV，而是

因为白噪声是一种功率频谱密度为常数的随机信号，也就是说功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。假设输出有用的信号幅值为Vsingle1，输出噪声信号幅值为Vnoise1，其信噪比C1；如果仅仅通过一个通道对信号进行放大，那么信号的信噪比为：

$C1=\frac{V\sin \mathrm{gle}1}{\mathrm{Vnoise}1};$

那如果是使用多通道进行放大，假设为8个通道、总的放大倍数为N倍，则现在每一通道的放大倍数为N/8倍，每个电路输出的有用信号幅值为V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7及V8；每个电路输出的有用信号幅值为v1、v2、v3、v4、v5、v6、v7及v8；然后将信号进行叠加，叠加后的有用的信号幅值为Vsingle2，叠加后噪声的幅值为Vnoise2，信噪比为C2；则

Vsingle2=V1+...+V8

$\mathrm{Vnoise}2=\frac{v1+...+v8}{\sqrt{8}}$

$C2=\frac{V\sin \mathrm{gle}2}{\mathrm{Vnoise}2}=\frac{\sqrt{8}(V1+...+V8)}{(v1+...+v8)}$

$C2=\sqrt{8}C1$

如上所述，本发明的电路与现有的电路相比，信号的信噪比就提高了

倍，如果为n个通道的电放，则信噪比提高

倍。

如图3所示，本发明中对信号预处理单元中的运算放大器选择AFE5805，其中，将信号采集模块101提供的输入信号Vin作用于AFE5805的八个输入端；AFE5805具有八个通道对八路信号进行放大的功能，还包括其他功能：1，在AFE5805内部有八路压控增益放大的电路，通过外界给AFE5805一个模拟的控制信号，可以控制压控增益放大器的放大倍数；2，在对信号进行两级放大后，对信号进行八路信号的低通滤波，通过外界给滤波电路一个控制信号，对滤波电路的截至频率进行控制；3，在AFE5805内部有八路的模数转换电路，将放大和滤波后的信号进行数据采集提供给后端电路。

综上所述，本发明人的一种提高经颅多谱勒信号信噪比的方法，不仅使用多通道电路对信号进行放大，来提高信号的信噪比，还将对信号的解调放在模数转换之后，这样更能保证数据的完整性，减少数据的丢失；现有技术中首先是对信号进行模拟解调，而模拟的解调误差较大，使得模数转换之后的误差更大，从而不利于保持信号的完整性。

如图2所示，所述信号处理模块103对信号预处理单元102的信号进行叠加处理，其中信号叠加模块113和数字解调模块123是通过微处理器来控制完成的；其中微处理器可以采用但不限于单片机、ARM、FPGA或者DSP。

本发明优选FPGA进行处理；如图3所示，信号处理单元103将信号预处理单元102输出的八路信号CHA0、…、CHA7分别对应接到信号处理单元103的输入端口P1.0、…、P1.7；信号处理单元103在接收到信号预处理单元102传输过来的八路信号后，首先将信号求和，叠加为一路信号，从而提高信号的信噪比；然后将求和后的信号进行数字解调，本发明采用的数字的方法对信号进行解调，这样信号的完整性更好。

本发明的一种提高经颅多普勒信号信噪比的方法及系统，通过在对信号进行模数转换之后，将放大后的每个通道的信号进行叠加，在保证增益相同的同时，将前端信号的信噪比提高，从而减少白噪声的干扰，解决了经颅多普勒图像质量不高，灵敏度不够的问题，通过对信号进行数字解调，提高信号的完整性，减少了有用信号的丢失，增加了图像的真实性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种提高经颅多普勒信号信噪比的系统，其特征在于，包括：按照电信号顺序依次连接的信号采集单元、信号预处理单元、信号处理单元及输出单元；所述信号采集单元用于采集人体经颅信号，并将该经颅信号转换为电信号，同时对该电信号进行滤波处理；所述信号预处理单元将该电信号传输至多个通道，并对每个通道的信号进行放大处理及模数转换处理；所述信号处理单元用于对多个通道的信号进行叠加处理及数字解调处理；所述输出单元将信号输出及显示。

2.根据权利要求1所述一种提高经颅多普勒信号信噪比的系统，其特征在于，所述信号预处理单元包括多个放大模块及多个模数转换模块，所述电信号分别传输至多个通道，每个通道分别包括一个放大模块和一个模数转换模块，所述放大模块对信号进行放大处理；所述模数转换模块与该放大模块相连，用于对放大处理后的信号进行模数转换处理。

3.根据权利要求2所述一种提高经颅多普勒信号信噪比的系统，其特征在于，所述放大模块为运算放大器，所述运算放大器采用的芯片可以为AFE5805、AFE5808或VCA8617与ADS5277的组合。

4.根据权利要求2所述一种提高经颅多普勒信号信噪比的系统，其特征在于，所述信号处理单元包括信号叠加模块及数字解调模块；所述信号叠加模块，用于将多个通道的信号叠加为一路信号；所述数字解调模块，用于对叠加后的信号进行数字解调，将一路信号解调为两路信号。

5.根据权利要求4所述一种提高经颅多普勒信号信噪比的系统，其特征在于，所述信号叠加模块和数字解调模块通过微处理器进行控制，其中所述微处理器可以为单片机、ARM、FPGA或者DSP。

6.根据权利要求1所述一种提高经颅多普勒信号信噪比的系统，其特征在于，还包括供电单元；该供电单元分别与信号采集单元、信号预处理单元、信号处理单元及输出单元相连，用于对系统进行供电。

7.一种实现权利要求1至5任一项所述的提高经颅多普勒信号信噪比系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过信号采集单元采集人体经颅信号，并将采集的经颅信号转换为电信号，同时将该电信号进行滤波处理；

将电信号依次传输至多个通道，并对多个通道中的电信号进行放大处理，然后将放大后的每一个通道的信号分别进行模数转换；

将多个通道的信号叠加为一路信号，然后将叠加后的信号进行数字解调处理，得到两路信号；

将解调得到的两路信号输出并显示。

8.根据权利要求7所述一种提高经颅多普勒信号信噪比的方法，其特征在于，所述每一个通道的模数转换是同时进行的，并且对每个通道的电信号进行放大处理的倍数相同。

9.根据权利要求8所述一种提高经颅多普勒信号信噪比的方法，其特征在于，对多个通道信号的叠加方法为：当信号的通道数为N，且每个通道的信号幅值均为M,叠加后输出的信号幅值为m，则m=N*M。

10.根据权利要求7所述一种提高经颅多普勒信号信噪比的方法，其特征在于，在对解调得到的两路信号进行输出并显示之前，对该两路信号进行滤波处理。

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