CN108742591A - 一种具有自适应工频噪声抑制的人体生理信号采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有自适应工频噪声抑制的人体生理信号采集装置。本发明中的活动电极和参考电极获取到信号之后，输入至仪用运算放大电路实现对差模信号的放大和共模信号的抑制；接着将信号输出至抗混叠滤波电路，滤除高频噪声的干扰；然后利用模数转换电路将模拟信号转换为数字信号；数字处理器的作用是控制模数转换电路将模拟信号转换为数字信号，同时读取转换后的数字信号，然后对数字信号进行通道标识、数据拼接等处理，接着处理后的数据发送至微处理器，同时将处理后数据通过数据传输电路发送至PC机完成数据的分析、存储等工作。本发明能够根据不同环境工频噪声的变化，自动的调整电路抑制工频噪声的程度，实现动态的工频噪声抑制。
Description
技术领域
本发明涉及人体生理信号采集技术领域，具体的说是一种具有自适应工频噪声抑制的人体生理信号采集装置。
背景技术
采集人体生理信号时，采集设备所面临的最大噪声干扰是50/60Hz工频噪声的干扰，而很多有用的信号如脑电、肌电等包含了工频噪声。因此需要人体生理信号采集发备既能够抑制工频噪声的干扰，又能够最大程度的保留原始信号。
通常情况下，采集设备抑制工频噪声所采取的措施是在电路中添加50Hz滤波电路(一般需要四阶)，同时利用右腿驱动技术进一步抑制工频噪声。此种做法在一定程度上抑制的工频噪声，因此该方法也成为生理信号采集设备最常用的方法。但该方面也存在一定的问题：一方面是50Hz滤波电路增加电路体积和成本，而且电路本身需要较多的电阻、电容等器件，容易产生新的噪声源；另一方面右腿驱动电路中的放大倍数是根据经验发定的，一般受大家队可的放大倍数为40～200倍之间，该电路在一个环境中可能能够有效抑制工频噪声，但环境发生变化，工频噪声幅值变化时，右腿驱动电路抑制能力就会变弱，甚至会起到负面作用。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种具有自适应工频噪声抑制的人体生理信号采集装置。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种具有自适应工频噪声抑制的人体生理信号采集装置，包括用于采集人体生理信号的活动电极和参考电极，其特征在于，包括仪用运算放大电路、抗混叠滤波电路、模数转换电路、数字处理器、微处理器和自适应工频噪声抑制电路；
所述仪用运算放大电路的输入端连接活动电极和参考电极，用于对所述人体生理信号进行差模信号的放大，并生产工频信号；
所述抗混叠滤波电路的输入端连接所述仪用运算放大电路的输出端，用于滤除所述仪用运算放大电路输出的放大信号中的高频噪声；
所述模数转换电路的输入端连接所述抗混叠滤波电路的输出端，用于将所述抗混叠滤波电路输出的模拟信号转换为数字信号；
所述数字处理器的输入端连接所述模数转换电路的输出端，用于对所述模数转换电路输出的数字信号进行通道标识、数据拼接、滤波处理；
所述微处理器的输入端连接所述数字处理器的输出端，用于根据所述数字处理器输出信号的工频噪声的幅度变化输出不同的电流控制信号；
所述自适应工频噪声抑制电路的输入端连接所述微处理器的输出端，用于根据所述电流控制信号和所述工频噪声获得反馈值，通过活动电极反馈至人体。
还包括数据传输电路，其输入端连接所述数字处理器的输出端，用于将所述数字处理器的输出信号发送给PC机。
所述数字处理器对所述模数转换电路输出的数字信号进行通道标识、数据拼接、滤波处理，具体为：
所述数字处理器按照顺序依次读取所述模数转换电路输出的每个通道的数据，并增加用于标识通道数的高m位，m表示所述模数转换电路输出的通道数量；高m位数据拼接在所述模数转换电路输出的数据高位，再经过滤波处理后输出。
所述微处理器以预定时间间隔输出控制值。
所述自适应工频噪声抑制电路包括跨导运算电路和电压电流转换电路；
所述电压电流转换电路的输入端接收所述电流控制信号，用于控制所述电流控制信号的电流大小，输出调控电流；
所述跨导运算电路的输入端接收所述仪用运算放大电路输出的工频噪声和所述电压电流转换电路输出的调控电流，用于计算得到反馈至人体的输出值URL。
所述到反馈至人体的输出值URL，通过下式计算：
URL＝ib*h*Ucm (1-1)
其中，ib即调控电流；h为跨导运算放大电路的跨导因子Gm，为固定值；Ucm为工频噪声。
所述电压电流转换电路包括可选择电阻电路，所述可选择电阻电路的输入端接收所述电流控制信号，通过改变所述可选择电阻电路中的电阻值获得不同的调控电流。
所述调控电流通过下式计算：
为了能够动态实时的抑制不同环境中的工频噪声，本装置利用跨导电路高输入和高输出阻抗特性获取共模噪声，然后在调控电流I的作用下控制反馈至人体的值URL的大小。
所述微处理器根据所述数字处理器输出信号的工频噪声的幅度变化输出不同的电流控制信号，具体为：当所述数字处理器检测到负值时，输出11指令，所述微处理器读取到11指令时，则输出正向电流；当所述数字处理器检测到正值时，输出22指令指令，所述微处理器读取到22指令时，则输出负向电流；所述11指令代表输出正电流，所述22指令代表输出负电流。
本发明具有以下优点及有益效果：
1.本发明能够根据不同环境工频噪声的变化，自动的调整电路抑制工频噪声的程度，实现动态的工频噪声抑制，解决了传统生理采集装置面临复杂的环境时，信号质量变差的问题。
2.利用本发明方法，省去了传统电生理采集装置中所采用的工频滤波电路，较小电路体积，降低了电路成本。
3.本发明的电路整体性能可靠，结构简单，不仅能够高精度的获得脑电信号而且成本较低，可以广泛的应用到医疗、家庭监护等领域。
附图说明
图1为本发明的整体结构图；
图2为本发明的自适应工频噪声抑制电路的原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
图1中的活动电极和参考电极获取到信号之后，输入至仪用运算放大电路101，实现对差模信号的放大和共模信号的抑制；仪用运算放大电路101接着将信号输出至抗混叠滤波电路102，滤除高频噪声的干扰；然后利用模数转换电路103将模拟信号转换为数字信号；数字处理器104的作用是控制模数转换电路103将模拟信号转换为数字信号，同时读取转换后的数字信号，然后对数字信号进行通道标识、数据拼接等处理，接着处理后的数据发送至微处理器108，同时将处理后数据通过数据传输电路105发送至PC机106完成数据的分析、存储等工作。微处理器108在规定的时间内(如每隔10s)对数据进行一次分析，评判工频噪声的幅度变化，然后输出不同的值控制自适应工频抑制电路对工频噪声进行动态抑制。仪用运算放大电路101为类似以AD8221为核心的电路模块。所述模数转换电路103将模拟信号转换为数字信号，所述模数转换电路103里面的模数转换器为24位，能够实现八通道模拟信号的同步输入，并同步输出八通道数字信号。所述数字处理器104按照顺序依次读取每个通道的数据，并新增加高八位，形成32位数据，其中高八位用来标识通道数，分别以01H，02H...来标识。
图2为自适应工频噪声抑制电路原理图，由跨导运算电路201和电压电流转换电路202两部分构成。跨导运算电路201从图1中的仪用运算放大电路101获取共模噪声Ucm，然后经跨导运算电路201运算后将输出值URL反馈至人体，URL值的大小由调控电流I和跨导运算放大器的参数Gm控制，R1为保护电阻，一般取值为5MΩ。电压电流转换电路202的作用是在电流控制信号的作用下，利用可选择电阻电路选择不同的电阻，控制调控电流I的大小，从而实现对跨导运算电路201输出值URL的控制，其中R3＝R4，R5＝R6，电阻取值一般为2K～5KΩ。
微处理器108根据所述数字处理器104输出信号的工频噪声的幅度变化输出不同的电流控制信号，具体为：当所述数字处理器104检测到负值时，输出11指令，所述微处理器108读取到11指令时，则输出正向电流；当所述数字处理器104检测到正值时，输出22指令指令，所述微处理器108读取到22指令时，则输出负向电流；所述11指令代表输出正电流，所述22指令代表输出负电流。
本发明的实现原理：
为了能够动态实时的抑制不同环境中的工频噪声，本装置利用跨导运算电路201的高输入和高输出阻抗特性获取共模噪声，然后在调控电流I的作用下控制反馈至人体的值URL的大小。
输入端共模噪声＝Ucm-URL
根据跨导运算放大器的计算公式可知：
URL＝ib*h*Ucm (1-1)
其中，ib即调控电流；h为跨导运算放大电路的跨导因子Gm，为固定值；Ucm为工频噪声。
根据电压电流转换电路(202)可知：
根据公式(1-1)可知，当图1中的微处理器检测到工频噪声正相变大时，就选择图2中可选择电阻电路中较小的阻值，则根据公式(1-2)可知，调控电流I将随之增加，从而增大URL的值；当图1中的微处理器检测到工频噪声反相变大时，就选择图2中可选择电阻电路中较大的阻值，则根据公式(1-2)可知，调控电流I将随之减小，从而降低URL的值。
Claims (9)
1.一种具有自适应工频噪声抑制的人体生理信号采集装置，包括用于采集人体生理信号的活动电极和参考电极，其特征在于，包括仪用运算放大电路(101)、抗混叠滤波电路(102)、模数转换电路(103)、数宁处理器(104)、微处理器(108)和自适应工频噪声抑制电路(107)；
所述仪用运算放大电路(101)的输入端连接活动电极和参考电极，用于对所述人体生理信号进行差模信号的放大，并生产工频信号；
所述抗混叠滤波电路(102)的输入端连接所述仪用运算放大电路(101)的输出端，用于滤除所述仪用运算放大电路(101)输出的放大信号中的高频噪声；
所述模数转换电路(103)的输入端连接所述抗混叠滤波电路(102)的输出端，用于将所述抗混叠滤波电路(102)输出的模拟信号转换为数宁信号；
所述数宁处理器(104)的输入端连接所述模数转换电路(103)的输出端，用于对所述模数转换电路(103)输出的数宁信号进行通道标识、数据拼接、滤波处理；
所述微处理器(108)的输入端连接所述数宁处理器(104)的输出端，用于根据所述数宁处理器(104)输出信号的工频噪声的幅度变化输出不同的电流控制信号；
所述自适应工频噪声抑制电路(107)的输入端连接所述微处理器(108)的输出端，用于根据所述电流控制信号和所述工频噪声获得反馈值，通过活动电极反馈至人体。
2.根据权利要求1所述的一种具有自适应工频噪声抑制的人体生理信号采集装置，其特征在于，还包括数据传输电路(105)，其输入端连接所述数宁处理器(104)的输出端，用于将所述数宁处理器(104)的输出信号发送给PC机(106)。
3.根据权利要求1所述的一种具有自适应工频噪声抑制的人体生理信号采集装置，其特征在于，所述数宁处理器(104)对所述模数转换电路(103)输出的数宁信号进行通道标识、数据拼接、滤波处理，具体为：
所述数宁处理器(104)按照顺序依次读取所述模数转换电路(103)输出的每个通道的数据，并增加用于标识通道数的高m位，m表示所述模数转换电路(103)输出的通道数量；高m位数据拼接在所述模数转换电路(103)输出的数据高位，再经过滤波处理后输出。
4.根据权利要求1所述的一种具有自适应工频噪声抑制的人体生理信号采集装置，其特征在于，所述微处理器(108)以预定时间间隔输出控制值。
5.根据权利要求1所述的一种具有自适应工频噪声抑制的人体生理信号采集装置，其特征在于，所述自适应工频噪声抑制电路包括跨导运算电路(201)和电压电流转换电路(202)；
所述电压电流转换电路(202)的输入端接收所述电流控制信号，用于控制所述电流控制信号的电流大小，输出调控电流；
所述跨导运算电路(201)的输入端接收所述仪用运算放大电路(101)输出的工频噪声和所述电压电流转换电路(202)输出的调控电流，用于计算得到反馈至人体的输出值URL。
6.根据权利要求5所述的一种具有自适应工频噪声抑制的人体生理信号采集装置，其特征在于，所述到反馈至人体的输出值URL通过下式计算：
URL＝ib*h*Ucm (1-1)
其中，ib即调控电流；h为跨导运算放大电路的跨导因了Gm，为固定值；Ucm为工频噪声。
7.根据权利要求1所述的一种具有自适应工频噪声抑制的人体生理信号采集装置，其特征在于，所述电压电流转换电路(202)包括可选择电阻电路，所述可选择电阻电路的输入端接收所述电流控制信号，通过改变所述可选择电阻电路中的电阻值获得不同的调控电流。
8.根据权利要求7所述的一种具有自适应工频噪声抑制的人体生理信号采集装置，其特征在于，所述调控电流通过下式计算：
为了能够动态实时的抑制不同环境中的工频噪声，本装置利用跨导电路高输入和高输出阻抗特性获取共模噪声，然后在调控电流I的作用下控制反馈至人体的值URL的大小。
9.根据权利要求1所述的一种具有自适应工频噪声抑制的人体生理信号采集装置，其特征在于，所述微处理器(108)根据所述数宁处理器(104)输出信号的工频噪声的幅度变化输出不同的电流控制信号，具体为：当所述数宁处理器(104)检测到负值时，输出11指令，所述微处理器(108)读取到11指令时，则输出正向电流；当所述数宁处理器(104)检测到正值时，输出22指令指令，所述微处理器(108)读取到22指令时，则输出负向电流；所述11指令代表输出正电流，所述22指令代表输出负电流。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109645996A (zh) * | 2019-02-21 | 2019-04-19 | 广州爱听贝科技有限公司 | 一种子宫收缩乏力监测方法、系统、智能终端和存储介质 |
| CN109805930A (zh) * | 2019-02-21 | 2019-05-28 | 广州爱听贝科技有限公司 | 一种基于产妇宫缩信号驱动提醒产妇用力的方法和系统 |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108742591B (zh) | 2023-11-17 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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Inventor after: Xie Jiaxin Inventor after: Li Jianfu Inventor after: Liu Tiejun Inventor after: Tang Xingfeng Inventor after: Liu Peng Inventor after: Ren Yanli Inventor after: He Yuandi Inventor after: Jiang Dong Inventor after: Ying Shaofei Inventor after: Gao Dongrui Inventor before: Xie Jiaxin Inventor before: Liu Tiejun Inventor before: Tang Xingfeng Inventor before: Liu Peng Inventor before: Ren Yanli Inventor before: He Yuandi Inventor before: Jiang Dong Inventor before: Ying Shaofei Inventor before: Gao Dongrui |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |