CN106037649A - 可穿戴采集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可穿戴采集装置，包括绑带、以及设置在绑带上的容性耦合干电极、信号采集电路、信号处理模块和无线射频模块。容性耦合干电极包括两块或两块以上的干电极、信号预处理电路和屏蔽层保护外壳，每一块干电极不与人体接触的表面上均设置有屏蔽层保护外壳，信号预处理电路设置在屏蔽层保护外壳的内壁上，且不与干电极接触；所述信号预处理电路连接到信号采集电路，信号采集电路连接到信号处理模块；所述信号处理模块将处理后的信号通过无线射频模块进行输出。本发明的装置解决了电极与人体皮肤直接接触到的弊端，减轻测试者不适感的同时，能够保证采集到的信号稳定与有效。

Description

可穿戴采集装置
技术领域
本发明涉及一种可穿戴类人体生物电信号前端采集装置，更准确地说，本发明涉及应用于ECG、EMG、EEG信号采集的非接触式模拟前端装置。
背景技术
随着科技的进步，ECG(心电)、EMG(肌电)、EEG(脑电)技术在各个领域蓬勃发展，诸多科技巨头投入大量资金、人力在相关方向做深入研究。
ECG的应用，主要分布在医学领域。目前，临床上有多种检测和诊断心血管疾病的方法，心电图ECG是一种应用较为广泛的诊疗技术。心电图是反映心脏兴奋的电活动过程，它对心脏基本功能及其病理研究方面，具有重要的参考价值。心电图可以分析与鉴别各种心律失常，也可以反映心肌受损的程度和发展过程以及心房、心室的功能结构情况。在指导心脏手术的进行及指示必要的药物处理上有参考价值。心电图可分为普通心电图、24小时动态心电图、His束电图、食管导联心电图、人工心脏起搏心电图等。应用最广泛的是普通心电图及24小时动态心电图。
EMG是肌肉收缩时伴随的电信号，是在体表无创检测肌肉活动的重要方法。研究分析表面肌电信号的检测与分析方法，也包括检测技术与装置及利用表面肌电信号反馈控制外部装置的方法等，其应用背景主要集中在康复医学和体育科学两大领域，也用于模式识别等生物医学工程领域。
EEG(脑电图)是脑神经细胞电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。脑电信号中包含了大量的生理与疾病信息，在临床医学方面，脑电信号处理不仅可为某些脑疾病提供诊断依据，而且还为某些脑疾病提供了有效的治疗手段。在工程应用方面，人们也尝试利用脑电信号实现脑-计算机接口(BCI)，利用人对不同的感觉、运动或认知活动的脑电的不同，通过对脑电信号的有效提取和分类达到某种控制目的。
但是，人体生物电信号(包括ECG、EMG、EEG等)的采集，对模拟采集前端有极高的限制和要求。如前面所述的普通心电图或24小时动态心电图，存在很大的局限性：心电图检测时电极并非随意安放，普通的患者很难在没有医务人员的帮助下自己进行心电图信号采集。另外，心电图的检测需要将电极直接与患者皮肤进行接触，电极如湿电极长期与人体皮肤接触，患者局部皮肤时常出现发红、发痒、皮疹、表皮破损等不良反应，致使患者治疗过程的不舒适感。在2013年10月～11月上海市宝山区某街道卫生服务中心集中上报了10例心电电极不良过敏事件。有研究表明电极致皮肤过敏是一种由于刺激而引起的接触性皮炎，其刺激大小主要取决于刺激物的强度和时间。国外研究均表明，心电电极片如果长时间使用，电极片上的粘合剂以及凝胶会引起皮肤过敏和接触性皮炎，导电胶中的高浓度电解质也会造成皮肤过敏或者瘙痒。然而即使是干电极，也与凝胶电极片一样，由于被试者出汗与身体湿度，也会导致皮肤过敏。
发明内容
本发明的目的是：提出一种可穿戴采集装置，解决电极与人体皮肤直接接触到的弊端，减轻测试者不适感的同时，能够保证采集到的信号稳定与有效。
本发明采用以下的技术方案来实现：
可穿戴采集装置，包括绑带、以及设置在绑带上的容性耦合干电极、信号采集电路、信号处理模块和无线射频模块，容性耦合干电极包括两块或两块以上的干电极、信号预处理电路和屏蔽层保护外壳，每一块干电极不与人体接触的表面上均设置有屏蔽层保护外壳，信号预处理电路设置在屏蔽层保护外壳的内壁上，且不与干电极接触；所述信号预处理电路连接到信号采集电路，信号采集电路连接到信号处理模块；所述信号处理模块将处理后的信号通过无线射频模块进行输出。
所述信号预处理电路包括依次连接的浮地自举共模电路、选频电路和信号放大电路。
所述信号采集电路包括选频电路，选频电路包括二阶VCVS低通滤波电路、二阶VCVS高通滤波电路和双T有源陷波器。
优选地，干电极的两个表面上均覆有一层聚酰亚胺薄膜胶布。
所述绑带为弹性的。
本发明的装置具有以下优点：
(1)系统结构简单，体积小，成本低，操作方便，局限性较少，测试者无需裸露皮肤与电极进行接触，非常适合大面积推广使用；
(2)以穿戴的方式，满足长时间监测的要求，把测试者的不适降到最低，避免了一次性电极的成本开销和常规电极的极化现象，使数据更加稳定有效；
(3)结合无线通讯技术，测试者随时随地可进行测量，解决了测量地点、测量方式等的限制，增强了信息交互的实时性；
(4)不限于人体的特定位置，有稳定生物电信号输出的部位都可以进行采集测量，且信号获取不限于ECG、EMG等，可应用与游戏、智能家居等多个领域。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构图。
图2为(a)容性耦合电极的结构示意图及其(b)等效电路图。
图3为预处理电路的拓扑图。
图4为多个本发明装置组网多级联动工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细描述。
如图1，可穿戴采集装置承包括弹性绑带6、容性耦合干电极1和5、信号采集处理电路2、信号处理模块3和无线射频模块4。弹性绑带6固定了上述所有模块。
弹性绑带6将装置固定于人体手背、手臂或其他任意身体位置，容性耦合干电极1和5可以通过一层导电织物(如衣服)不用直接接触人体皮肤，通过信号采集电路2可采集到稳定、有效的生物电信号，然后传输给信号处理模块3，由信号处理模块3对采集到的生理信号进行滤波、变换、特征提取、分析等处理，并利用无线射频模块4将原始数据、处理数据及结果数据反馈至数据接收终端，获取人体生物电特征。
如图2，对于容性耦合干电极1和5，在不与人体接触的那个电极表面8上设有屏蔽层保护外壳9，信号预处理电路7设置在屏蔽层保护外壳9的内壁上，且不与干电极接触。本装置设计的容性耦合电极表面8和屏蔽层保护外壳9由不锈钢材料制模而成。电极表面8的两面上均覆有一层极薄的聚酰亚胺薄膜胶布，保证容性耦合电极1和5与人体之间、电极表面8与屏蔽层保护外壳9之间具有绝佳的绝缘效果。
容性耦合电极等效电路由人体和电极间的等效电容C1 10、容性耦合电极表面8与屏蔽层保护外壳9形成的电容C2 12、运算放大器偏置电流提供回路13、运算放大器15组成，其中E1 11和I1 14是运放固有的噪声电压和电流，等效电路传递函数可视为一个高通滤波器。
根据等效电路的传递函数，运算放大器偏置电流提供回路13偏置电阻越大，电路信噪比越高，预处理电路中运算放大器的偏置电流提供回路13由两个并联的二极管组成。等效电路在传统的电压跟随原理的基础上进行完善优化，增大输入阻抗并减小输出阻抗，具有极强的电路鲁棒性和抗噪性，偏置电阻高达1T以上，能够忽略电极导电特性不佳或与人体接触不良引起的噪声波动，将采集到的微弱生理信号传输至信号处理电路，不受后级电路影响。
如图3，信号预处理电路7包括浮地自举共模电路16、选频电路17和信号放大电路18。信号预处理电路7输出的信号传输给信号采集电路，信号采集电路2包括选频电路，选频电路包括二阶VCVS低通滤波电路(截止频率为200Hz)、二阶VCVS高通滤波电路(截止频率为0.5Hz)和双T有源陷波器。信号采集电路2将信号传输给信号处理模块3，信号处理模块3为基于stm32的最小单片处理系统，可直接进行AD采集，无需多余AD转换芯片作为中继。信号处理模块3在对采集信号进行分析后，可识别对应输入信号，转换为输入语言，通过无线射频模块进行输出，接收终端可以是PC、手机、平板等任意有无线接收装置的设备。外部的接收终端接收到数据后，可以做进一步的分析、显示、存储等。
本发明的外观设计为一环状弹性绑带6，可以穿戴于人体任意生物电信号较强的部位，不限于手臂、手腕、小腿、胸口等，将采集到的信号转换为交互语言或生理特征进行输出。
进一步地，通过无线射频模块4可将多个装置组网多级联动工作，组成完整人体生物信号采集系统，用于人体各种姿态动作的识别或者医疗生理信号分析的采集前端。
如图4，标号17、18为绑在手臂上的两个弹性绑带，通过导电织物间接接触人体皮肤，可以减轻人佩戴的不适感，避免影响动作执行。通过无线射频模块4可将两个或多个装置组网多级联动工作，组成完整的人体生物信号采集系统，并将采集到的肌电信号通过无线射频模块4进行发送。右图为采集到的肌电信号的时域波形。
外设中端，如PC、手机等，接收到信号后，进一步对数据进行分析、处理、显示和存储等，可以判断人体不同的动作状态，并分析出动作的标准性。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变等变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.可穿戴采集装置，包括绑带、以及设置在绑带上的容性耦合干电极、信号采集电路、信号处理模块和无线射频模块，其特征在于，容性耦合干电极包括两块或两块以上的干电极、信号预处理电路和屏蔽层保护外壳，每一块干电极不与人体接触的表面上均设置有屏蔽层保护外壳，信号预处理电路设置在屏蔽层保护外壳的内壁上，且不与干电极接触；所述信号预处理电路连接到信号采集电路，信号采集电路连接到信号处理模块；所述信号处理模块将处理后的信号通过无线射频模块进行输出。
2.根据权利要求1所述的可穿戴采集装置，其特征在于，所述信号预处理电路包括依次连接的浮地自举共模电路、选频电路和信号放大电路。
3.根据权利要求1所述的可穿戴采集装置，其特征在于，所述信号采集电路包括选频电路，选频电路包括二阶VCVS低通滤波电路、二阶VCVS高通滤波电路和双T有源陷波器。
4.根据权利要求1至3之一所述的可穿戴采集装置，其特征在于，干电极的两个表面上均覆有一层聚酰亚胺薄膜胶布。
5.根据权利要求1至3之一所述的可穿戴采集装置，其特征在于，所述绑带为弹性的。
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