CN105640535B - 生物体表电信号探测电极阵列 - Google Patents

Abstract

一种生物体表电信号探测电极阵列，包括柔性印刷电路板的电极载体，所述电极载体采用双面印刷电路布线，在电极载体上设有阵列状排列的电极点，所述电极载体的电极点阵列左右平均分割为2个区域，并分别采用2‑3mm的印刷电路布线作为地线进行全封闭包围，所述电极点上还设置有微型加热电阻，每个微型加热电阻有两个引脚，其中一个引脚通过与焊盘另一侧的PCB布线，连接至公共接口端，另一个引脚通过与焊盘另一侧的PCB布线，连接至5V电源，所述微型加热电阻与焊盘、焊锡之间均呈绝缘连接，且微型加热电阻本体埋于焊锡之中。本发明可使得每个电极点的温度可控，减小温度误差。

Description

生物体表电信号探测电极阵列

技术领域

本发明涉及一种适用于生物体表面微弱电信号的探测电极阵列的设计方法。

背景技术

生物体表面的电信号探测一直是生物医学领域的难题之一。生物体表的电信号探测有以下问题：

1、信号幅度非常微弱，如神经电位、肌电信号等，用常规的探测方法和设备无法直接获取，若引入放大器，则会带来很大干扰并使得原有信号特征被噪声信号淹没。

2、现有生物电信号的获取大部分采用微电极，并且为了获取神经电信号、生物触发信号等微弱信号，为了避免噪声，采用侵入式探测方法(如针状电极等)，不仅对被测生物体带来了额外的伤害，而且会引入新的噪声。

3、生物信号是非平稳信号，随机性强，根据不同的测试条件和需求，电极的状态和探测方法需要及时改变。

4、因为生物体和生物信号本身的特性，现有的探测电极无法保证测试条件的一致性。

针对上述问题，本发明提出一种针对生物体表微弱电信号探测的电极阵列探测系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为生物体体表微弱电信号提供一种高效、可靠的电极探测系统，以实现电信号的稳定、高效探测。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种生物体表微弱电信号探测电极系统，包括采用柔性印刷电路板的电极载体，所述电极载体采用双面印刷电路布线，在电极载体上设有阵列状排列的电极点，所述电极载体的电极点阵列左右平均分割为2个区域，并分别采用2-3mm的印刷电路布线作为地线进行全封闭包围，并且所述的电极点上设置焊盘，并通过焊锡填充焊盘的方式实现焊锡与焊盘的电连接，焊锡表面镀银或氯化银，在采用双面电路布线的电极载体的其中一面印刷电路上将各电极点焊盘通过印刷布线电连接至公共接口端，公共接口端通过屏蔽电缆连接至激励源和信号采集器，公共接口端可根据需要对探测点电极的探测/激励以及电平状态进行控制，所述电极点上还设置有微型加热电阻，微型加热电阻通过与焊盘另一侧的PCB布线，连接至公共接口端，所述微型加热电阻与焊盘呈绝缘连接，且微型加热电阻本体埋于焊锡之中。所述的生物体表微弱电信号探测电极系统，其特征在于：所述电极点上的焊锡填充高度统一控制在5mm，形状为半球形。

该探测电极配套使用的探测系统，其设计要点如下：采用低频屏蔽电缆制作连接线组件，避免微弱电信号的互相干扰和引入噪声。其接线包括每个电极点的数据连接线、接地信号传输专用线路。数据连接线与接地信号线交错排列以最大限度的降低信号线之间的串扰。输出端口与控制电路板连接，且控制电路板的电路地与电极探测地相连，保证接地电位的统一。

控制系统包括信号前端输入光电耦合放大模块、低通滤波模块、单片机控制模块、输出放大模块、存储模块、输入键盘。光电耦合放大模块采用OPA系列光电耦合一体化放大芯片即可；低通滤波模块采用二阶巴特沃夫滤波器，截止频率设计为15kHz。单片机控制模块对输入、输出信号进行协调控制，并且通过串行口连接E2ROM芯片或USB芯片，实现采集数据的片上存储或USB外部存储器存储。

该控制系统的PCB设计采用多组屏蔽的设计方法，其地线采用2-3mm的超宽布线，且走线形状为闭环包围形式，以使得地线包围范围内的电极实现较高的隔离效果。

单片机控制流程如下：

1、在空载状态下先对电极阵列的边角四个位置的电极点和中心位置的四个电极点进行扫描，判断其电平的误差，如果在5％以上，则通过改变电极单元的温度进行校准。通过单片机控制不同区域的加热电阻输出功率，直至系统误差符合要求。

2、通过用户键盘对电极点的输入和输出状态进行逐一设定。

3、对预置的输入信号进行选择。典型的输入信号可选择：方波、三角波、正弦波、高电平、低电平。同时设定输入信号的峰峰值(mV)、周期(ms)。

4、按照设定对电极进行驱动，同时扫描探测电极点的数据，将其存储在存储器单元中。

本发明的生物体体表电信号探测电极，采用柔性、绝缘的材料作为电极阵列排布的载体，电极底部呈现半球状表面与体表接触，所有电极可根据生物信号探测需要实现编程，可以连接信号发生器作为激励电极，也可以连接示波器或信号采集装置作为探测电极，亦可以接地作为屏蔽电极。如果需要探测恒定电平在生物体内的传输特性，还可以将探测或激励电极直接设定为高/低电平位置，可实现生物体表信号的高速、灵活化的测量。

该探测系统的控制端包括以下几部分组成：电路基板、单片机芯片及其外围电路、开关阵列及其地址线和数据线、信号采集电路模块、存储模块、信号激励模块、上位机通信模块、输入键盘模块及显示模块。

该系统以单片机为核心，对开关阵列进行控制，开关状态为导通，则所对应端口为待测或激励状态，开关状态断开则所对应端口为接地状态，呈现低电平。开关阵列通过地址线及数据线与单片机通信，并接受单片机控制。

信号采集电路包括前级放大器、光电耦合电路、电源隔离模块及低通滤波器。所述前级放大器选用三组普通运放器件组成差动放大器以抑制共模噪声；光电耦合电路选择内部带有光电隔离的一体式仪器放大器，电源隔离模块选择DC/DC隔离芯片。低通滤波器采用巴特沃斯二阶滤波器，截止频率为8kHz-15kHz。

上述模块采用一点接地方式接地，并且控制模块表面采用金属屏蔽罩以杜绝电磁干扰。

与现有的电生理探测技术相比，本发明具有以下技术效果：

1)可以非平面多点同时探测或激励，并实现高速、高通量的测试以及存储。

2)在实际探测应用时，该探测电极系统只需固定一次，后续的各电极状态可根据单片机编程实现，以最大限度保证试验条件的一致性。

3)电极阵列采用柔性PCB板作为基底，可根据生物体表形状进行贴合，同时在电极表面镀氯化银作为非极化电极，最大限度的减小接触环节噪声的引入。

4)通过设定电极阵列上的几个、一排或多排电极的接地，可以有效的实现激励信号、探测信号在电学上的隔离，以防止伪迹的出现。

5)针对该电极阵列设计的探测系统采用了单片机智能控制、多种连接方式、低噪声设计等，实现了针对体表电生理信号的高效探测。

附图说明

图1是生物体表电信号探测电极阵列俯视示意图。

图2是生物体表电信号探测电极阵列中电极单元的侧视示意图。

具体实施方式

下面结合附图，作详细说明，如图1、图2所示，采用柔性印刷电路板的电极载体3，所述电极载体3采用双面印刷电路布线，在电极载体3上设有阵列状排列的电极点2，所述电极载体3的电极点阵列左右平均分割为2个区域，并分别采用2-3mm的印刷电路布线作为地线1进行全封闭包围，并且所述的电极点2上设置焊盘6，并通过焊锡7填充焊盘的方式实现焊锡7与焊盘6的电连接，焊锡表面镀银或氯化银8，在采用双面电路布线的电极载体3的其中一面印刷电路上将各电极点2焊盘6通过印刷布线4电连接至公共接口端5，公共接口端5通过屏蔽电缆连接至激励源和信号采集器，公共接口端5可根据需要对探测点电极的探测/激励以及电平状态进行控制，所述电极点2上还设置有微型加热电阻9，每个微型加热电阻9有两个引脚，其中一个引脚通过与焊盘6另一侧的PCB布线，连接至公共接口端5，另一个引脚通过与焊盘6另一侧的PCB布线，连接至5V电源，所述微型加热电阻与焊盘6、焊锡7之间均呈绝缘连接，且微型加热电阻9本体埋于焊锡之中。所述电极点2上的焊锡7填充高度统一控制在5mm，形状为半球形。并且在电路板上将各电极点位焊盘通过印刷布线的方式电连接至公共接口端，公共接口端可根据需要对探测点电极的探测/激励以及电平进行控制。在电极点位上，通过焊锡填充焊盘的方式实现焊锡与焊盘的电连接。焊锡表面镀氯化银，以适应多次测量的环境而避免被氧化。

电极点2上的微型加热电阻9其中一个引脚连接至公共接口端后，连接锁存器后再连接至控制系统。

采用低频屏蔽电缆，优选同轴电缆制作连接线组件，避免微弱电信号的互相干扰和引入噪声。其接线包括每个电极点的数据连接线、接地信号传输专用线路。数据连接线与接地信号线交错排列以最大限度的降低信号线之间的串扰。输出端口5与控制电路板连接，且控制电路板的电路地与电极探测地相连，保证接地电位的统一。

信号控制端包括：信号前端输入光电耦合放大模块、低通滤波模块、单片机控制模块、输出放大模块、外接存储模块、输入键盘，所述单片机控制模块通过串行口与存储模块连接，所述外接存储模块采用E2ROM芯片或FLASH闪存芯片。通过单片机编程控制通道选择器的状态，实现电极阵列的电极选择，并确定工作模式是输入或输出，如果是输入模式，则信号经过光电耦合、放大电路、低通滤波电路、单片机输入接口后输入单片机，进而由单片机系统存储于外接存储模块，实现电极信号的采集；如果是输出模式，则根据单片机程序产生的信号通过放大模块、通道选择器后加到指定电极上实现电极信号的激励，特别的，在此模式下输出的信号为0，则电极电位为0，工作状态为接地(屏蔽)；通过单片机对通道选择器每个通道的循环选择，实现电极阵列上所有电极状态的控制。使用单片机系统通过地址线、数据线分别设定各电极的工作状态，为接地电极(屏蔽电极)、探测电极、激励电极中的一种。同时，由单片机可以选通指定的电极点内的微型加热电阻进行激励，使其产生热量，电极点内微型加热电阻的选取方法与电极点的选取方法相同，也通过单片机控制通道选择器进行加热。单片机选通某电极点内微型加热电阻的方法是：通过通道选择器定位到某一个微型加热电阻，如果需要加热，输出为低电平(0电平)，经锁存器锁存，则微型加热电阻产生5V压降，进行加热；如果不需要加热，输出为高电平(5V)，经锁存器锁存，则微型加热电阻两端无压降，则不进行加热。

所述光电耦合放大模块采用OPA系列光电耦合一体化放大芯片，所述低通滤波模块采用二阶巴特沃夫滤波器，截止频率设计为11kHz-15kHz，所述的通道选择器可采用1-3片CD4067芯片。

整个电极基板平均分为左右两个区域。根据实验方案，使用单片机系统通过地址线、数据线分别设定各电极的工作状态，为接地电极、探测电极、激励电极中的一种。实现激励、探测信号在电学上的隔离，在电极上形成一个信号传输通道。

电极基板进入待测状态后，单片机对基板上不同位置的电极信号进行扫描式探测，并将探测结果临时存储于E2ROM或外置存储器中，对所有电极点的静态电位(直流电平)进行测定。全部扫描完成后取最大值Vm，并再次对电极点进行逐一校准，校准方式为：对每个电极点进行加热，加热后期探测值Vi(i＝1，2，3……)将会升高，直至其升高到Vm值的5％误差限之内为止，如此循环一遍，直至每个电极点的探测目标值差距均达到5％以内，即可开始进行实际探测。这样的方式可通过温度漂移的误差抵消接触电阻、湿度变化、外界干扰等其他引入误差，实现探测的误差最小化。

对预置的输入信号进行选择。典型的输入信号可选择：方波、三角波、正弦波、高电平、低电平。同时设定输出激励信号的峰峰值(mV)、周期(ms)，以及探测电极的采集周期，优选为0.05ms。按照设定对电极进行驱动，同时通过并行或串行方式扫描探测电极点的数据，将其以离散数据点的形式存储在存储器单元中。

Claims (4)

1.一种生物体表电信号探测电极阵列，其特征在于：采用柔性印刷电路板的电极载体(3)，所述电极载体(3)采用双面印刷电路布线，在电极载体(3)上设有阵列状排列的电极点(2)，所述电极载体(3)的电极点阵列左右平均分割为2个区域，并分别采用2-3mm的印刷电路布线作为地线(1)进行全封闭包围，并且所述的电极点(2)上设置焊盘(6)，并通过焊锡(7)填充焊盘的方式实现焊锡(7)与焊盘(6)的电连接，焊锡表面镀银或氯化银(8)，在采用双面电路布线的电极载体(3)的其中一面印刷电路上将各电极点(2)焊盘(6)通过印刷布线(4)电连接至公共接口端(5)，公共接口端(5)通过屏蔽电缆连接至激励源和信号采集器，公共接口端(5)可根据需要对探测点电极的探测/激励以及电平状态进行控制，所述电极点(2)上还设置有微型加热电阻(9)，每个微型加热电阻(9)有两个引脚，其中一个引脚通过与焊盘(6)另一侧的PCB布线，连接至公共接口端(5)，另一个引脚通过与焊盘(6)另一侧的PCB布线，连接至5V电源，所述微型加热电阻与焊盘(6)、焊锡(7)之间均呈绝缘连接，且微型加热电阻(9)本体埋于焊锡之中。

2.根据权利要求1所述的生物体表电信号探测电极阵列，其特征在于：所述电极点(2)上的焊锡(7)填充高度统一控制在5mm，形状为半球形。

3.根据权利要求1所述的生物体表电信号探测电极阵列，其特征在于：所述电极点(2)上的微型加热电阻(9)其中一个引脚连接至公共接口端后，连接锁存器后再连接至控制系统。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的生物体表电信号探测电极阵列，其特征在于：所述微型加热电阻表面涂覆复合树脂绝缘材料。