CN102949188A - 测量生物电信号的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量生物电信号的设备和方法。生物电信号测量设备包括：至少一个第一接口，所述至少一个第一接口在与受试者的皮肤接触时通过与皮肤进行电连接来检测受试者的生物电信号；至少一个第二接口，所述至少一个第二接口在与受试者的皮肤接触时通过与皮肤进行具有与第一接口的状态不同的状态的电连接来检测与生物电信号不同的信号；信号处理器，信号处理器从检测的生物电信号去除第一接口和皮肤之间的运动伪像。

Description

测量生物电信号的设备和方法
本申请要求于2011年8月25日在韩国知识产权局提交的第10-2011-0085148号韩国专利申请的权益，其公开通过引用全部包含于此。
技术领域
本公开涉及测量受试者的生物电信号的方法和设备，更具体地讲，涉及通过从受试者的生物电信号去除运动伪像(motion artifact)来更准确地测量受试者的生物电信号的方法和设备。
背景技术
已经使用或开发出了用于诊断患者的健康状态的各种医学器械。此外，考虑到健康诊断过程期间患者的便利性和做出健康诊断结果的速度，用于测量患者的生物电信号的医学器械的重要性正在不断地提升。
生物电信号是以从受试者的肌肉细胞或神经细胞产生的电势或电流的形式的、并通过收集并分析由附着到受试者的身体的电极检测到的电信号中的改变而得到的信号。当测量生物电信号时，因受试者的运动而产生了运动伪像。运动伪像因使测量结果的波形失真(distort)而干扰生物电信号的准确测量。
发明内容
提供了一种通过从生物电信号去除因受试者在测量生物电信号期间的运动而产生的运动伪像来准确地测量受试者的生物电信号的方法和设备。
提供了一种记录有用于执行上述方法的程序的计算机可读记录介质。
另外的方面将在下面的描述中进行一定程度地阐述，并且通过这样的描述而在一定程度上变得明显，或者可以通过实施所提供的实施例而获知。
根据本发明的一方面，一种生物电信号测量设备包括：至少一个第一接口，所述至少一个第一接口在与受试者的皮肤接触时通过与皮肤进行电连接来检测受试者的生物电信号；至少一个第二接口，所述至少一个第二接口在与受试者的皮肤接触时通过与皮肤进行具有与第一接口的状态不同的状态的电连接来检测与生物电信号不同的信号；信号处理器，信号处理器从检测的生物电信号去除第一接口和皮肤之间的运动伪像。
根据本发明的另一方面，一种测量生物电信号的方法包括下述步骤：接收经接触受试者的皮肤的1w接口和2w接口检测的生物电信号；接收经接触受试者的皮肤的1d接口和2d接口检测的电势信号；利用接收的电势信号来得到与运动伪像成比例的信号；利用得到的与运动伪像成比例的信号来执行从接收的生物电信号去除运动伪像的操作；其中，通过1w接口和2w接口与皮肤的电连接来检测生物电信号，通过1d接口和2d接口与皮肤的电连接来检测电势信号，与皮肤电连接的1d接口和2d接口的电学条件不同于与皮肤电连接的1w接口和2w接口的电学条件。
根据本发明的另一方面，一种计算机可读记录介质在其上记录有用于执行上述方法的程序。
附图说明
通过下面结合附图对实施例的描述，这些和/或其他的方面将变得明显并更容易理解，在附图中：
图1示意性示出根据本发明的实施例的生物电信号测量设备的结构；
图2是图1的生物电信号测量设备接触受试者的皮肤的接触表面的剖视图；
图3是示出图1的生物电信号测量设备的运动伪像和根据形成接口的电极的类型的接触阻抗的变化之间的相关性曲线图；
图4示意性示出根据本发明的实施例的图1的生物电信号测量设备的布置有形成接口的电极的底表面；
图5示意性示出根据本发明的另一实施例的图1的生物电信号测量设备的布置有形成接口的电极的底表面；
图6是示出形成图5的接口E1w、E2w、E3w的电极的突起的形状以及具有突起的形状的电极穿入到皮肤的角质层并与角质层下的表皮形成电接触点的状态的剖视图。
图7A示意性示出根据本发明的另一实施例的图1的生物电信号测量设备的布置有形成接口的电极的底表面；
图7B示出附于图7A的生物电信号测量设备的粘附片；
图8示出根据本发明的实施例的形成图1的生物电信号测量设备的电路的示例；
图9示出根据本发明的实施例的采用了自适应滤波器的图1的生物电信号测量设备的处理器的操作；
图10示出根据现有技术的生物电信号测量设备的电路；
图11A是沿线A-A’截取的图7A的生物电信号测量设备的剖视图；
图11B是沿线B-A’截取的图7B的粘附片的剖视图；
图12是用于说明根据本发明的实施例的测量生物电信号的方法的流程图。
具体实施方式
现在，将对实施例进行详细地说明，在附图中示出了实施例的示例，其中，相同的标号时钟指示相同的元件。就此，当前的实施例可以具有许多不同的形式，且不应将当前的实施例视为限于这里阐述的描述。因此，仅通过参照附图在下面对实施例进行描述，以说明当前的描述的多个方面。如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意和所有组合。当表述“......中的至少一个”位于一系列元件之后时，其修饰整个系列的元件，且不修饰该系列中的单独的元件。
图1示意性示出根据本发明的实施例的生物电信号测量设备100的结构。参照图1，生物电信号测量设备100包括接口120-150、运动伪像提取单元160和生物电信号提取单元170。运动伪像提取单元160和生物电信号提取单元170构成图1的信号处理器180。图1的生物电信号测量设备100仅是本发明的一个示例，本发明所属领域的技术人员可以理解基于在图1中示出的构成元件所进行的各种可能的变形。
图1的生物电信号测量设备100用于测量受试者110的生物电信号。生物电信号是从人体的肌肉细胞或神经细胞产生的以电势或电流的形式的信号，并可以被称为生物电势或生物电流。为了便于说明，假设使用生物电信号测量设备100检测的生物电信号为电势的形式。
参照图1，生物电信号测量设备100利用附于受试者110的身体的接口120-150来检测生物电信号。接口120-150电连接到受试者110的皮肤(或与受试者110的皮肤电连接)，以检测受试者110的生物电信号。即，接口120-150是电接触活体以在活体和用于测量生物电信号的电路之间交换电信号的电极。一个接口可以由至少一个电极形成。形成一个接口的一个或多个电极位于具有相同电势的同一节点上。形成一个接口的一个或多个电极以准确检测生物电信号并与受试者110的皮肤接触的各种方式进行布置。形成一个接口的电极的布置将在下面参照图4-图5以及图7来描述。
通常，使用从位于彼此分开预定距离的位置处的电势不同的两个接口E1w和E2w(120和140)检测的电势值(即，电压)之间的差异来测量生物电信号。具体地讲，通过差分放大从位于受试者110的皮肤上的彼此分开预定距离的位置处的两个接口E1w和E2w(120和140)获得的电势值来测量生物电信号，以得到与生物电信号对应的电压值的波形。获得的生物电信号的电压值的波形包括噪声。
与神经细胞或肌肉细胞中产生的电势或电流对应的生物电信号是具有非常小的幅值的电信号，并因此受噪声影响非常大。具体地讲，生物电信号测量设备100测量使用附于人体的两个接口E1w和E2w(120和140)的电极来生物电信号，因此，在测量生物电信号期间，因身体的运动的影响而通过附着的电极测量到包括噪声的生物电信号。由身体的运动导致的噪声被称为运动伪像，其使测量的生物电信号的准确性劣化，从而使识别受试者110的准确状态以及诊断和治疗疾病变得困难。
具体地讲，因皮肤和电极之间的电极-皮肤接触阻抗(下文中，称为接触阻抗)的幅值由于身体的运动而改变，导致了运动伪像。这样的接触阻抗的变化影响测量的生物电信号，并成为噪声。运动伪像使生物电信号的波形失真(distort)，以致为了准确测量生物电信号而去除因身体的运动导致的运动伪像。
运动伪像不是以恒定的方式产生的，并经常根据运动而变化。此外，因为运动伪像是频率范围与将被测量的生物电信号的频率范围相似的信号，所以通过简单的滤波去除不了运动伪像。因此，生物电信号测量设备100测量指示与生物电信号分开的运动伪像的信号，并从包括运动伪像的生物电信号去除该信号，因而得到去除了运动伪像的生物电信号。
运动伪像的产生是因为因运动而产生的受试者110的接触阻抗的变化和从电极以及电极附近产生的电势的变化成为噪声。通过使用与运动伪像高度相关的接触阻抗的变化来测量运动伪像。即，可通过测量指示由运动导致的接触阻抗的变化的信号来测量影响生物电信号的运动伪像。可以通过在受试者110的身体中流动电流io、使用附于身体的电极来检测由电流io导致的电势的改变Δv、并差分放大从彼此分开预定距离的电极检测的电势的改变Δv，来指示由运动导致的接触阻抗的变化的信号。
参照式1，恒定电流io的电势的改变Δv反映接触阻抗的变化。因此，通过使电流io在皮肤中流动并使用从附于皮肤的电极检测的电势的改变Δv来测量运动伪像。在受试者110的皮肤中流动的电流io具有不与生物电信号的频率范围交叠的频率fc，从而可以减小测量的运动伪像对生物电信号的影响。当具有频率fc的电流io流动时，检测的电势的改变Δv是被调制为具有频率fc的信号。然后，检测并解调制被调制为具有频率fc的信号，从而可以得到原始的信号。
Δz = Δv io [式1]
可以通过使用由附于受试者110的皮肤的一个或多个电极形成的接口E1d和E2d(130和150)与生物电信号的测量分开地检测电势的改变Δv(下文中，称为电势信号Δv)。即，生物电信号测量设备100使用用于检测生物电信号的两个接口E1w和E2w(120和140)以及分开的接口E1d和E2d(130和150)来检测电势信号Δv。
用于检测生物电信号的两个接口E1w和E2w(120和140)使用水凝胶270(见图2)与受试者110的皮肤电连接。水凝胶270是电介质凝胶。当电极经水凝胶270接触皮肤时，与由导电金属形成的电极直接接触皮肤的情况相比，作为电极和皮肤之间的电阻的接触阻抗减小。即，因为因使用水凝胶270而相对地减小了电极和皮肤之间的接触阻抗，所以减小了接触阻抗对具有小幅值的生物电信号的影响，这对于测量生物电信号来说是有利的。因此，如果接触阻抗的平均量很小，那么即使当接触阻抗因受试者110的运动而改变，对生物电信号的影响也是很小的，从而检测的生物电信号相对小地受到运动伪像的影响。即，生物电信号测量设备100可以具有用于检测生物电信号的适当的信噪比(SNR)。因此，当使用水凝胶270来检测生物电信号时，运动伪像对生物电信号的影响减小，从而可以得到相对一致和稳定的生物电信号。
检测电势信号Δv的接口E1d和E2d(130和150)的电极通过在没有水凝胶270的情况下直接接触皮肤来检测信号。因此，在没有水凝胶270的情况下直接接触皮肤的接口E1d和E2d(130和150)的电极的接触阻抗高于经水凝胶270电连接的接口E1w和E2w(120和140)的接触阻抗。
即，检测生物电信号的接口E1w和E2w(120和140)与皮肤电连接所处的状态和检测电势信号Δv的接口E1d和E2d(130和150)与皮肤电连接所处的状态不同，且检测生物电信号的接口E1w和E2w(120和140)的电学条件和检测电势信号Δv的接口E1d和E2d(130和150)的电学条件不同，这意味着检测电势信号Δv的接口E1d和E2d(130和150)的接触阻抗高于检测生物电信号的接口E1w和E2w(120和140)的接触阻。
图2是图1的生物电信号测量设备100接触受试者110的皮肤的接触表面的剖视图。参照图2，检测电势信号Δv的接口E1d和E2d(130和150)的电极231-232和251-252经粘附片210的孔直接接触受试者110的皮肤，而检测生物电信号的接口E1w和E2w(120和140)的电极221-222、241-242经水凝胶270接触受试者110的皮肤，即，没有直接接触受试者110的皮肤。如上所述的作为电介质凝胶的水凝胶270与受试者110的皮肤和检测生物电信号的接口E1w和E2w(120和140)的电极221-222、241-242电连接。
导电金属的电极与皮肤经水凝胶270电连接的一类电极被称为湿电极。导电金属的电极与皮肤以直接接触的方式电连接的一类电极被称为干电极。通常，湿电极是涂覆有氯化银(AgCl)的银板，干电极是由金(Au)形成的板。然而，本发明不限于此。
检测电势信号Δv的接口E1d和E2d(130和150)使用具有高接触阻抗的干电极。与湿电极相比，干电极的运动伪像和接触阻抗的变化之间的相关性更高。因此，通过在检测电势信号Δv时使用干电极可以更准确地测量去除了运动伪像的生物电信号。
图3是示出图1的生物电信号测量设备100的运动伪像和根据形成接口的电极的类型的接触阻抗的变化之间的相关性曲线图。相关性表示两个变量之间的相关程度，即，接触阻抗的变化和运动伪像之间的相关性。很大的相关性表示接触阻抗的变化和运动伪像之间的相关程度很大。因此，在具有很大的相关性的电极中，在测量生物电信号期间，电极的因与受试者110的皮肤接触的接触阻抗的变化较好地反映了包括在生物电信号中的运动伪像。
在图3的曲线图中，横轴指示电极的类型，即，湿电极和干电极，而纵轴通过相关性系数来指示接触阻抗的变化和运动伪像之间的相关性。相关性系数是量化地指示接触阻抗的变化和运动伪像之间的相关程度的值，相关性系数具有在-1至+1之间的值。随着相关性系数的绝对值变大，相关性越来越高。当相关性系数值为0时，不存在相关性。
区域310指示干电极的平均相关性系数值。区域330指示湿电极的平均相关性系数值。线320指示干电极的平均相关性系数值的标准偏差(standarddeviation)的范围。线340指示湿电极的平均相关性系数值的标准偏差的范围。
参照图3的曲线图，与湿电极的平均相关性系数值(区域330)相比，干电极的平均相关性系数值(区域310)展现出很高的接触阻抗的变化与运动伪像的相关性系数值。考虑每个标准偏差值(线320和线340)，干电极的相关性系数的绝对值大于湿电极的相关性系数的绝对值。即，当通过使用干电极来检测电势信号Δv以测量运动伪像时，接触阻抗的变化良好地反映了运动伪像，从而可以更准确地测量运动伪像。与通过水凝胶270接触皮肤的湿电极相比，干电极的相关性相对高是因为直接接触皮肤的干电极的接触阻抗相对高。这是因为由运动导致的接触阻抗的变化在使用干电极执行测量时与使用湿电极执行测量时相比变得更大。因此，通过使用与运动伪像的相关性很高的干电极来测量电势信号Δv，可以检测更准确的去除了运动伪像的生物电信号。
因此，生物电信号测量设备100将接触阻抗相对低的湿电极用作检测生物电信号的接口E1w和E2w(120和140)的电极、并将与运动伪像的相关性相对高的干电极用作测量电势信号Δv的接口E1d和E2d(130和150)的电极，来执行测量。
此外，为了测量准确的去除了运动伪像的生物电信号，通过接口E1d和E2d(130和150)的电极测量的运动伪像的形状与包括在生物电信号中的运动伪像的形状相同。因此，测量电势信号Δv的接口E1d和E2d(130和150)的电极被设置为距检测生物电信号的接口E1w和E2w(120和140)的电极达临界距离之内。即，因为由于运动而根据接触阻抗的变化导致运动伪像，所以为了检测形状与包括在生物电信号中的运动伪像的形状相同的运动伪像，在检测电势信号Δv的电极处的接触阻抗的变化的形状与在检测生物电信号的电极处的接触阻抗的变化的形状相同。因此，临界距离是很短的距离，从而因受试者110的运动导致的接触阻抗的变化呈现出在检测电势信号Δv的电极处的接触阻抗的变化与在检测生物电信号的电极处的接触阻抗的变化之间具有几乎相同的形状。参照图2，测量电势信号Δv的接口E1d和E2d(130和150)的电极231-232和251-252与测量生物电信号的接口E1w和E2w(120和140)的电极221-222和241-242在临界距离之内彼此分开。
下参照图2来描述测量电势信号Δv的接口E1d和E2d(130和150)和测量生物电信号的接口E1w和E2w(120和140)的电极的具体结构。参照图2，图1的生物电信号测量设备100接触受试者110的皮肤的接触表面200包括粘附片210、测量生物电信号的接口E1w和E2w(120和140)的电极221-222和241-242、测量电势信号Δv的接口E1d和E2d(130和150)的电极231-232和251-252、参考接口的电极260、水凝胶270、以及绝缘层280。
粘附片210是由绝缘材料形成的片，其中，两个侧部均涂覆有附着材料并保持生物电信号测量设备100接触皮肤的状态。即，生物电信号测量设备100经粘附片210接触皮肤，并通过粘附片210的附着材料来保持接触状态。为了生物电信号测量设备100和受试者110的皮肤之间的电连接，在粘附片210的生物电信号测量设备100接触皮肤所处的位置处进行穿孔。即，生物电信号测量设备100通过接口120-150与受试者110的皮肤电连接，以检测生物电信号。因此，生物电信号测量设备100与皮肤电接触的位置，即，在粘附片210中形成了孔的位置，是形成接口120-150的电极221-222、231-232、241-242和251-252所处的位置。
电极221-222和241-242是形成测量生物电信号的接口E1w和E2w(120和140)的电极，因此，将具有相对低的接触阻抗的电极用作电极221-222和241-242，以减小运动伪像的影响，如上所述。电极231-232和251-252是形成测量电势信号Δv的接口E1d和E2d(130和150)的电极，因此，将接触阻抗的变化和运动伪像之间的相关性相对高的电极用作电极231-232和251-252，如上所述。在图2中，测量生物电信号的电极221-222和241-242是经水凝胶270与受试者110的皮肤电连接的湿电极，而测量电势信号Δv的电极231-232和251-252是干电极。
生物电信号测量设备100使用在位于彼此分开预定距离的位置处的两个接口E1w和E2w(120和140)处的电势值之间的差异来测量生物电信号。因此，形成接口E1w(120)的电极221-222和形成接口E2w(140)的电极241-242位于彼此分开预定距离的位置处，以测量生物电信号的电压。测量从测量生物电信号的接口E1w(120)产生的运动伪像的接口E1d(130)的电极231-232在临界距离之内交替地布置在间隙处，从而具有与测量生物电信号的接口E1w(120)的电极221-222的运动伪像的类型相同的类型的运动伪像。类似地，测量从测量生物电信号的接口E2w(140)产生的运动伪像的接口E2d(150)的电极251-252在临界距离之内交替地布置在间隙处，从而具有与测量生物电信号的接口E2w(140)的电极241-242的运动伪像的类型相同的类型的运动伪像。
如上所述，当信号接口由多个电极形成时，与具有相同面积的单个大电极相比，不仅可以通过交替地布置测量生物电信号的电极和测量电势信号Δv的电极来得到一般意义上的同种类型的运动伪像，也可以在生物电信号测量期间更容易地保持电极与皮肤紧密接触的状态。
参考电极E3w(260)用于测量作为在测量生物电信号期间的参考的电势，并可以由至少一个电极形成。形成参考电极E3w(260)的至少一个电极具有与测量生物电信号的电极的结构相同的结构。测量作为参考的电势的参考电极E3w(260)位于与测量生物电信号的接口E1w和E2w(120和140)分开预定距离的位置处。在图2的接触表面200中，参考电极E3w(260)的位置仅是一个示例，且本发明不限于此。
绝缘层280具有由绝缘材料形成的基底的形状，并防止相邻的电极彼此电连接，以使电流不在相邻的电极之间流动。在生物电信号测量设备100的接触表面200中，除了电极和水凝胶270定位所处的区域之外的其余的区域全部由绝缘层280形成。根据生物电信号测量设备100的实施例，湿电极和紧密接触湿电极的水凝胶270定位所处的区域可以被构造成凹进的，因此防止水凝胶270与干电极之间的电连接。因为干电极和湿电极交替布置在基底(未示出)上，所以绝缘层280的截面具有不均匀的形状。如图2中所示的不均匀的形状的结构仅是一个示例，且本发明不限于此。例如，绝缘层280的截面可以与图11A的生物电信号测量设备100的截面1110中所示的一样是平坦的。
如上所述，生物电信号测量设备100接触受试者110的皮肤所处的接触表面200可以包括粘附片210、测量生物电信号的接口E1w和E2w(120和140)的电极、测量电势信号Δv的接口E1d和E2d(130和150)的电极、参考接口的电极、以及水凝胶270。然而，生物电信号测量设备100的接触表面的形状、电极的类型、以及电极的布置类型不限于在图2中所示出的接触表面的形状、电极的类型、以及电极的布置类型，根据实施例，可以进行各种修改。
图4-图5和图7A示出根据本发明的实施例的生物电信号测量设备100的布置有形成生物电信号测量设备100的接口的电极的底表面400、500和700。
在图4的底表面400中，示出了粘附片410、测量生物电信号的接口E1w(420)的电极421-428、测量生物电信号的接口E2w(440)的电极441-448、测量电势信号Δv的接口E1d(430)的电极431-438、测量电势信号Δv的接口E2d(450)的电极451-458、以及参考接口E3w的电极460。
如在图2中所描述的，测量生物电信号的两个接口E1w和E2w(420和440)在彼此分开预定距离的位置处测量生物电信号的电势值。测量电势信号Δv的接口E1d(430)的电极431-438交替地布置为位于与测量生物电信号的接口E1w(420)的电极421-428彼此相距达临界距离之内。由在电学上相同的电极形成单个接口，接口E1w(420)的电极421-428和接口E1d(430)的电极431-438交替排列。因此，一般意义上的相同类型的运动伪像输入到测量生物电信号的电极421-428和测量电势信号Δv的电极431-438。类似地，接口E2w(440)的电极441-448和接口E2d(450)的电极451-458交替地排列为位于彼此相距达临界距离之内。
测量作为生物电信号的参考的电势的参考电极E3w的电极460与测量生物电信号的接口E1w和E2w(420和440)分开预定的距离，从而不受接口E1w和E2w(420和440)的影响。测量生物电信号的接口E1w和E2w(420和440)及E3w的电极421-428、441-448和460是经水凝胶270接触皮肤的湿电极，而测量电势信号Δv的接口E1d和E2d(430和450)的电极431-438和451-458是直接接触皮肤的干电极。
在图4的生物电信号测量设备100的底表面400中，粘附片410的每个电极所处的位置被穿孔，而其他的区域是粘附片410的由绝缘材料形成的区域。如图2中所示，由绝缘材料形成的绝缘层将湿电极的区域和干电极的区域分开，从而湿电极的区域和干电极的区域彼此没有电连接。
与图4的底表面400相同，在图5的底表面500中，示出粘附片510、测量生物电信号的接口E1w(520)的电极521-528、测量生物电信号的接口E2w(540)的电极541-548、测量电势信号Δv的接口E1d(530)的电极531-538、测量电势信号Δv的接口E2d(550)的电极551-558、以及参考接口E3w(560)的电极561-564。
与图4的接口E1w和E2w(420和440)、E1d和E2d(430和450)相同地布置测量生物电信号的接口E1w和E2w(520和540)及E3w(560)以及测量电势信号Δv的接口E1d和E2d(530和550)。然而，与图4不同，图5的测量生物电信号的参考电势的参考接口E3w(560)由具有相同电势的一个或多个电极561-564形成。本发明仅示出了参考接口E3w(560)可以由多个电极形成，且本发明不限于此。
与图4的电极不同，图5的测量生物电信号的接口E1w和E2w(520和540)及E3w(560)的电极521-528、541-548和560不是经水凝胶270与皮肤电连接的湿电极，而是诸如测量电势信号Δv的接口E1d和E2d(530和550)的电极的由导电材料形成的电极。接口E1w和E2w(520和540)及E3w(560)的电极521-528、541-548和560具有尖锐的突起的形状，以在没有与皮肤保持低接触阻抗的水凝胶270的情况下减小运动伪像对生物电信号的影响。接口E1w和E2w(520和540)及E3w(560)的电极521-528、541-548和560的尖锐的突起穿入到皮肤的角质层中，并与角质层下的表皮形成电接触点，从而具有低于由相同的导电材料形成的接口E1d和E2d(530和550)的电极的接触阻抗的接触阻抗。在图6中示出了形成接口E1w和E2w(520和540)及E3w(560)的电极的截面。图6是示出形成接口E1w和E2w(520和540)及E3w(560)的电极的突起的形状和具有突起形状的电极穿入到皮肤的角质层中并与角质层下的表皮形成电接触点的状态的剖视图。
在图7A的底表面700中，与图4的底表面400相同，示出了测量生物电信号的接口E1w的电极720、测量生物电信号的接口E2w的电极740、测量电势信号Δv的接口E1d(730)的电极731-734、测量电势信号Δv的接口E2d(750)的电极751-754、以及参考接口E3w的电极760。
与图4和图5不同，图7A的测量生物电信号的两个接口E1w和E2w中的每个接口均由单个电极形成。接口E1w的电极720和接口E2w的电极740在彼此分开预定距离的位置处测量生物电信号的电势值，并分别被测量电势信号Δv的接口E1d(730)的电极731-734和测量电势信号Δv的接口E2d(750)的电极751-754围绕。围绕测量生物电信号的接口E1w的电极720的测量电势信号Δv的接口E1d(730)的电极731-734被分别布置为在临界距离之内，因此一般意义上的相同类型的运动伪像输入到这两个接口。相同的布置被应用于测量生物电信号的接口E2w的电极740和测量电势信号Δv的接口E2d(750)的电极751-754。图7A的参考接口E3w的电极760与测量生物电信号的接口E1w的电极720和测量生物电信号的接口E2w的电极740分开预定距离，从而不受接口E1w和E2w的影响。
测量生物电信号的接口E1w、E2w和E3w的电极720、740和760可以由如图4中所示的经水凝胶270接触皮肤的湿电极形成，或者可以由如图5中所示的在没有水凝胶270的情况下穿入到皮肤的角质层中并与角质层下的真皮形成电接触点的电极。测量电势信号Δv的接口E1d和E2d(730和750)的电极731-734和751-754是直接接触皮肤的干电极。
图7B示出了图7A的生物电信号测量设备100的使生物电信号测量设备100的接口附着到受试者110的皮肤并保持附着状态的粘附片710。粘附片710在图7A的电极所处的位置处具有孔，因此，生物电信号测量设备100的电极通过粘附片710的孔接触皮肤。
返回参照图1，运动伪像提取单元160接收来自接口E1d和E2d(130和150)的电势信号Δv，并提取与运动伪像成比例的信号。如上所述，电势信号Δv可以通过将预定的电流io施加到皮肤并根据与此得到电势的改变来测量电势信号Δv。将在下面参照图8来描述使用由接口E1d和E2d(130和150)检测的电势信号Δv来提取与运动伪像成比例的信号的运动伪像提取单元160的详细操作。
图8是根据本发明的实施例的形成图1的生物电信号测量设备100的电路的示例。图8的生物电信号测量设备100经接口E1w(821)、E2w(822)、E3w(823)、E1d(831)和E2d(832)而接触受试者110的皮肤810。图8的生物电信号测量设备100包括测量生物电信号的接口E1w(821)、E2w(822)和E3w(823)、测量电势信号Δv的接口E1d(831)和E2d(832)、偏置电流源841-842、差分放大器850-860、解调器870以及处理器880。
参照图8、运动伪像提取单元160包括偏置电流原841-842、差分放大器860和解调器870。运动伪像提取单元160使用偏置电流原841-842将被调制为不与生物电信号的频率范围交叠的频率fc的预定的电流io施加到测量电势信号Δv的接口E1d(831)和E2d(832)。因此，从接口E1d(831)和E2d(832)检测的电势信号Δv受施加的电流io的影响，并因此被调制为频率fc。从接口E1d(831)和E2d(832)检测的电势信号Δv具有非常小的幅值，所以需要进行信号放大。运动伪像提取单元160使用差分放大器860来差分放大从接口E1d(831)和E2d(832)得到的电势值，并通过使用解调器870来将放大的信号解调制为原始信号，因而提取与运动伪像成比例的信号。运动伪像提取单元160还可以包括模/数(A/D)转换器，以将放大的模拟信号转换为数字信号，并还可以包括运算器，以对数字信号执行运算。
运动伪像提取单元160将通过上述过程提取的信号输出到生物电信号提取单元170。
图1的生物电信号提取单元170利用从接口E1w(120)和E2w(140)得到信号提取包括运动伪像的生物电信号，并从信号去除运动伪像，因此检测受试者110的实际的生物电信号。因为从运动伪像提取单元160提取的信号与从接口E1w(120)和E2w(140)得到的生物电信号的运动伪像成比例，所以生物电信号提取单元170可以通过使用由运动伪像提取单元160提取的信号来去除运动伪像。在下面参照图8来描述去除从接口E1w(120)和E2w(140)得到的生物电信号的运动伪像的生物电信号提取单元170的详细操作。
参照图8，生物电信号提取单元170包括差分放大器850和处理器880。生物电信号提取单元170的差分放大器850接收通过测量生物电信号的接口E1w(821)和E2w(822)测量的电势值，并差分放大接收的信号，因而输出包括运动伪像的生物电信号。为了在信号的放大过程期间避免通过接口E1w(821)和E2w(822)测量的信号因低频噪声的影响而失真，生物电信号提取单元170可以使用在放大信号之前将测量的信号调制为高频信号、放大调制的信号、并通过使用解调器将放大的信号解调制为原始的信号的方法。测量的信号的调制的频率使用与运动伪像提取单元160的偏置电流源841-842的频率fc不同的频率范围，以不与电势信号Δv的频率范围交叠。
生物电信号提取单元170的处理器880控制接收从差分放大器850输出的包括运动伪像的生物电信号和从运动伪像提取单元160输出的与运动伪像成比例的信号、并从生物电信号去除运动伪像的过程。处理器870执行从包括运动伪像的生物电信号去除运动伪像所需的操作。
生物电信号提取单元170的处理器880还可以包括自适应滤波器，以有效地去除运动伪像。自适应滤波器是可以根据反馈到滤波器的值来调节滤波器系数的数字滤波器。通过由在考虑到输入信号、环境以及所得信号的特性的情况下将滤波器系数调节为不具有预定图案的随机噪声来估计实际改变的噪声，自适应滤波器来去除噪声。即，自适应滤波器利用由运动伪像提取单元160提取的与运动伪像成比例的信号和去除了反馈的运动伪像的生物电信号的输入来调节滤波器系数，并使用调节的滤波器系数来对与运动伪像成比例的信号进行滤波，因而预计并输出接近真实的运动伪像的估计的运动伪像信号。处理器180接收从自适应滤波器输出的估计的运动伪像信号，并从放大的生物电信号去除估计的运动伪像信号，因而得到去除了运动伪像的真实的生物电信号。
图9示出根据本发明的实施例的采用了自适应滤波器900的图1的生物电信号测量设备100的处理器880的操作。图9的处理器880包括自适应滤波器900和运算器910。
生物电信号测量设备100的处理器880接收从运动伪像提取单元160输出的与运动噪声成比例的信号920和包括从放大器850输出的运动伪像的生物电信号930。自适应滤波器900接收与运动伪像成比例的信号920和被反馈的去除了运动噪声的信号950，并调节自适应滤波器900的滤波器系数。自适应滤波器900通过使用调节的滤波器系数来对与运动伪像成比例的信号920进行滤波，从而预计并输出接近实际的运动伪像的估计的运动伪像信号940。运算器910接收从放大器850输出的包括运动伪像的生物电信号930和接近实际的运动伪像的估计的运动伪像信号940，并执行从包括运动伪像的生物电信号930去除估计的运动伪像信号940的操作。作为操作的结果，运算器910输出去除了运动伪像的信号950。生物电信号提取单元170的处理器880通过上述过程得到去除了运动伪像的实际的生物电信号。
如上所述测量的生物电信号被用于监视人体的状态，或者诊断或治疗各种类型的疾病。例如，生物电信号测量设备100通过附着于受试者110的身体的接口120-150来测量作为生物电信号之一的心电图(ECG)。当受试者110的心脏根据心跳而反复收缩和舒张时，在受试者110的皮肤中产生非常小的电势的改变。以曲线图的形式来表现这样的电学活动被称为ECG。接收通过生物电信号测量设备100测量的ECG数据的专家可以诊断并治疗心脏疾病，诸如心肌梗死或心律失常，或者可以监视受试者110的心脏的电学活动，以防止因心脏疾病导致的意外。为了诊断并治疗这样的疾病，需要测量的生物电信的高度可靠性。因此，通过测量与真实的运动伪像在最大程度下相似的运动伪像来去除运动伪像并得到准确的生物电信号是非常重要的。
根据现有技术，在测量生物电信号的设备中，相同的电极或具有相同的结构的电极被用于测量生物电信号和电势信号Δv，而没有根据电极的类型的考虑阻抗的变化和运动伪像之间的相关系，从而可能不能进行生物电信号的准确的测量。图10示出了根据现有技术的生物电信号测量设备1000的电路图。与图8的生物电信号测量设备100不同，图10的生物电信号测量设备1000使用相同的电极1020和1030来测量生物电信号和电势信号Δv。生物电信号测量设备1000主要将经水凝胶270接触皮肤的湿电极用作测量生物电信号和电势信号Δv的电极。当使用水凝胶270来测量生物电信号时，运动伪像对生物电信号的影响因电极和皮肤之间的很低的接触阻抗而减小，从而与使用干电极的情况下相比，可以得到相对一致和稳定的生物电信号。
然而，当在使用与测量生物电信号的电极相同的电极来测量电势信号Δv的情况下或在使用作为经水凝胶270接触皮肤的湿电极的相同类型的电极来测量电势信号Δv的情况下时，因为由电极和皮肤之间的很低的接触阻抗而导致难以准确地测量运动伪像的影响，所以不能适当地从测量的生物电信号去除运动伪像。例如，当使用生物电信号测量设备来监视上述的ECG波形时，如果因运动伪像导致生物电信号失真，则难以准确地确定心脏的状态，从而可能使病人经历生病危险。因此，通过最大程度地反映真实的运动伪像的影响来准确地测量生物电信号是很重要的。当使用本发明的生物电信号测量设备1 00来测量生物电信号时，可以通过使用考虑了阻抗的变化和运动伪像之间根据电极的类型的相关性的接口来准确地测量生物电信号。
图11A是沿线A-A’截取的图7A的生物电信号测量设备100的剖视图。参照图11A，生物电信号测量设备100包括绝缘层1110、测量运动伪像的电势信号Δv的电极1121-1124、测量生物电信号的电极1131-1133、集成电路1140、导线1150、以及各种无源装置1160。
与图2的绝缘层280相似，绝缘层1110防止测量生物电信号的电极1131-1133和测量运动伪像的电势信号Δv的电极1121-1124之间的电连接。此外，绝缘层1110防止在形成生物电信号测量设备100的集成电路1140和导线1150之间产生电结合或干扰。
测量运动伪像的电势信号Δv的电极1121和1122是形成具有相同电势的接口E1d的电极，并位于靠近测量生物电信号的电极1131的临界距离之内，从而具有一般意义上的相同类型的运动伪像。相似地，电极1123和1124是具有与输入到测量生物电信号的电极1133的运动伪像的类型在一般意义上相同的类型的运动伪像的形成接口E2d的电极。测量运动伪像的电势信号Δv的电极1121-1124是在没有水凝胶270的情况下直接接触受试者110的皮肤1110的干电极。平板的干电极由导电性良好的金属形成，导电性良好的金属主要为诸如金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)或类似金属。然而，本发明不限于此。
测量生物电信号的电极1131-1133是与接口E1w和E2w对应的电极，并彼此分开预定的距离。从电极1131和1133测量的电势值被差分放大，以得到生物电信号。图11A的测量生物电信号的电极1131-1133是经水凝胶270与皮肤接触的湿电极。这仅是本发明的一个实施例，测量生物电信号的电极1131-1133可以由经水凝胶270接触皮肤的湿电极或具有穿入到皮肤的角质层并与角质层下真皮形成电接触点的尖锐的突起而不具有水凝胶270的电极而形成。通常，测量生物电信号的电极1131-1133通过以具有优良的导电性的材料涂覆由金属形成的平板来形成。通常，以氯化银(AgCl)来涂覆由银(Ag)形成的平板。然而，本发明不限于此。
集成电路1140指由数字或模拟电路实现的具有特定目的的半导体芯片。图8中示出的差分放大器850和860、调制器870或处理器880等可以位于集成电路1140中。通过使用集成电路1140、导线1150和各种手动装置1160来实现生物电信号测量设备100的运动伪像提取单元160和生物电信号提取单元170。
图11B是沿线B-B’截取的图7B的粘附片710的剖视图。在图11B中，示出了粘附片1170和水凝胶1180。参照图11B，粘附片1170是与图2中的粘附片210相同的两个表面均涂覆有粘附材料的由绝缘材料形成的片，并被用于保持生物电信号测量设备100与皮肤接触的状态。在粘附片1170中在图11A的测量电势信号Δv的电极1121-1124所处的区域中形成孔，从而图11A的测量电势信号Δv的电极1121-1124直接接触皮肤。当图11A的测量生物电信号的电极1131-1133是湿电极时，图11A的测量生物电信号的电极1131-1133经水凝胶1180接触皮肤，从而图11A的测量生物电信号的电极1131-1133所处的位置被填充有水凝胶1180。
图12是用于说明根据本发明的实施例的测量生物电信号的方法的流程图。图12的测量生物电信号的方法包括通过使用图1的生物电信号测量设备100来顺序执行的操作。因此，虽然进行了省略，但是在图12的测量生物电信号的方法中采用了图1的生物电信号测量设备100的上面的描述。
在操作1201中，生物电信号测量设备100通过接触受试者110的皮肤的接口E1d(130)和E2d(150)施加具有不与生物电信号的频率范围交叠的频率fc的电流io。在操作1202中，生物电信号测量设备100通过经具有预定的阻抗的接口E1d(130)和E2d(150)与受试者110的皮肤电连接来检测因受在操作1201中施加的电流io的影响而被调制为频率fc的电势信号Δv，并通过与受试者110的皮肤电连接并经具有比上述预定的阻抗低的预定的阻抗的接口E1w(120)和E2w(140)来检测生物电信号的电势值。在操作1203中，生物电信号测量设备100的运动伪像提取单元160对从操作1202检测的电势信号Δv进行差分放大。在操作1204中，运动伪像提取单元160对在操作1203中放大的信号解调制为原始信号，以产生与运动伪像成比例的信号。在操作1205中，生物电信号提取单元170对在操作1202中检测的生物电信号的电势值进行差分放大，以产生包括运动伪像的生物电信号。在操作S1206，生物电信号提取单元170通过利用在操作1204中产生的与运动伪像成比例的信号从在操作1205中产生的包括运动伪像的生物电信号去除运动伪像来提取实际的生物电信号。
如上所述，根据本发明的上面的实施例中的一个或多个实施例，可以通过提取因受试者在测量生物电信号期间的运动而产生的包括在生物电信号中的运动伪像、并去除提取的运动伪像，来准确地测量受试者的生物电信号。
另外，本发明的其他实施例也可以通过例如计算机可读介质的介质中/介质上的计算机可读代码/指令来实现，以控制至少一个处理元件来实现任意的在上面描述的实施例。介质可以对应于任何允许存储和/或传输计算机可读代码的介质/媒介。计算机可读代码可以以各种方式记录在介质上/在介质上传输，例如，包括诸如磁存储介质(例如，ROM、软盘、硬盘等)和光学记录介质(例如，CD-ROM或DVD)的记录介质、诸如互联网传输介质的传输介质的介质。因此，根据本发明的一个或多个实施例，介质可以为包括或携带信号或信息的如此限定的并可测量的结构，诸如携带比特流(bitstream)的装置。介质还可以为分布式网络，从而计算机可读代码以分布的方式进行存储/传输和执行。此外，处理元件可以包括处理器或计算机处理器，处理元件可以是分布式的，和/或可以被包括带在单个装置中。
应该理解的是，在此描述的示例性实施例仅应进行描述性的理解，而非处于限制的目的。每个实施例内的特征或方面的描述应被通常性地认为对于其他的实施例中的其他相似的特征或方面来说是可用的。

Claims (15)

1.一种生物电信号测量设备，所述生物电信号测量设备包括：
至少一个第一接口，所述至少一个第一接口在与受试者的皮肤接触时通过与皮肤进行电连接来检测受试者的生物电信号；
至少一个第二接口，所述至少一个第二接口在与受试者的皮肤接触时通过与皮肤进行具有与第一接口的状态不同的状态的电连接来检测与生物电信号不同的信号；
信号处理器，信号处理器从检测的生物电信号去除第一接口和皮肤之间的运动伪像。
2.如权利要求1所述的生物电信号测量设备，其中，第二接口的因与皮肤电连接而导致的阻抗大于第一接口的因与皮肤电连接而导致的阻抗。
3.如权利要求2所述的生物电信号测量设备，其中，第一接口通过预定的材料与受试者的皮肤电连接，第二接口直接与受试者的皮肤电连接，从而第二接口的阻抗大于第一接口的阻抗。
4.如权利要求2所述的生物电信号测量设备，其中，在第一接口的具有尖锐的突起的形状的一个或多个电极穿入到皮肤的角质层中时，第一接口与受试者的皮肤电连接，第二接口通过第二接口的具有平板的形状的一个或多个电极直接与受试者的皮肤电连接，从而第二接口的阻抗大于第一接口的阻抗。
5.如权利要求1所述的生物电信号测量设备，其中，第一接口和第二接口中的每个接口均包括多个电极，第一接口的多个电极布置在由预定的绝缘材料形成的基底上，第二接口的多个电极和第一结构的多个电极在临界距离内交替地布置。
6.如权利要求1所述的生物电信号测量设备，其中，第一接口包括单个电极，第二接口包括多个电极，第二接口的多个电极在临界距离内围绕第一接口的单个电极。
7.如权利要求1所述的生物电信号测量设备，其中，第一接口的电极是湿电极，第二接口的电极是干电极。
8.如权利要求1所述的生物电信号测量设备，其中，信号处理器进一步包括：
运动伪像提取单元，运动伪像提取单元通过使用由第二接口检测的信号来提取与运动伪像成比例的信号；
生物电信号提取单元，生物电信号提取单元通过使用由运动伪像提取单元提取的信号来从检测的生物电信号去除运动伪像。
9.如权利要求8所述的生物电信号测量设备，其中，所述至少一个第一接口包括彼此分开预定距离的1w接口和2w接口，所述至少一个第二接口包括设置为在临界距离内靠近1w接口的1d接口和在临界距离之内靠近2w接口的2d接口，运动伪像提取单元通过对经1d接口和2d接口检测的电势信号的电势值进行差分放大来提取与运动伪像成比例的信号。
10.如权利要求9所述的生物电信号测量设备，其中，通过经1d接口和2d接口施加被调制为预定的频率的预定的电流来检测电势信号的电势值，通过对施加预定的电流而检测的电势信号的电势值进行差分放大、然后对放大的信号进行解调制，来提取与运动伪像成比例的信号。
11.如权利要求9所述的生物电信号测量设备，其中，生物电信号提取单元通过对经1w接口和2w接口的电势信号的电势值进行差分放大来提取包括运动伪像的生物电信号，生物电信号提取单元通过执行从提取的包括运动伪像的生物电信号去除与运动伪像成比例的信号的操作来测量去除了运动伪像的生物电信号。
12.如权利要求8所述的生物电信号测量设备，其中，生物电信号提取单元通过利用自适应滤波器对与运动伪像成比例的信号进行滤波来执行去除运动伪像的操作来测量去除了运动伪像的生物电信号。
13.一种测量生物电信号的方法，所述方法包括下述步骤：
接收经接触受试者的皮肤的1w接口和2w接口检测的生物电信号；
接收经接触受试者的皮肤的1d接口和2d接口检测的电势信号；
利用接收的电势信号来得到与运动伪像成比例的信号；
利用得到的与运动伪像成比例的信号来执行从接收的生物电信号去除运动伪像的操作；
其中，通过1w接口和2w接口与皮肤的电连接来检测生物电信号，通过1d接口和2d接口与皮肤的电连接来检测电势信号，与皮肤电连接的1d接口和2d接口的电学条件不同于与皮肤电连接的1w接口和2w接口的电学条件。
14.如权利要求13所述的方法，其中，1w接口、2w接口、1d接口和2d接口中的每个接口均包括多个电极，其中，1w接口的多个电极和1d接口的多个电极在临界距离之内交替地布置，2w接口的多个电极和2d接口的多个电极在临界距离之内交替地布置，2w接口的多个电极设置在与1w接口的多个电极分开预定的距离的位置处。
15.如权利要求13所述的方法，其中，1w接口和2w接口的电极是湿电极，1d接口和2d接口的电极是干电极。
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