CN110279410A

CN110279410A - 便携式微型无线胃电采集器

Info

Publication number: CN110279410A
Application number: CN201910558215.8A
Authority: CN
Inventors: 何峰; 袁媛; 许敏鹏; 刘爽; 施文强; 刘邈; 黄奕皓; 明东
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2019-06-26
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2019-09-27

Abstract

本发明属于医疗器械、胃电采集领域，为在不干预病人自然状态的前提下长时间获取胃电数据，所采集到的胃电信号不仅信噪比高，而且采样精度高、动态范围广，方便快捷，本发明采取的技术方案是，便携式微型无线胃电采集器，包括拉普拉斯检测电极、前端信号采集模块、单片机模块以及电源模块，所述前端信号采集模块由信号预处理电路和模数转换器ADC组成，拉普拉斯电极用于检测人体腹部的体表电位并获取原始胃电信号，信号经信号预处理电预处理后通过ADC，将混有噪声的胃电信号由模拟信号转换成数字信号，所述数字信号被传送至单片机模块进行输出。本发明主要应用于医疗器械设计制造场合。

Description

便携式微型无线胃电采集器

技术领域

本发明属于医疗器械、胃电采集领域，具体是涉及一种通过无线传输的微型胃电采集器。

背景技术

在诊断胃肠道疾病时，对于发生器质性病变的患者可以通过内窥镜、X射线、B超等影像学方法进行检查，而对于胃功能紊乱的患者，影像学方法并不适用，而体表胃电检测方法作为一种无创而且操作简便的方法，对于胃肠道疾病的诊断具有重要意义。但体表胃电信号是一种非线性、非平稳的信号，其频率极低，大致为每分钟三次，是典型的微弱信号，而且在胃电信号采集过程中极易受到心电、呼吸以及其它与之频率相接近的信号的干扰，针对此问题，当前已公开的解决方案少之又少。

现有的商用胃电图机种类较少，且大多都是沿用心电图机的架构，并没有针对胃电信号的特点进行专门设计，因此，采集效果较差，数据并不十分可靠。基于以上问题，需要一种采集精度更高、数据更加可靠的采集设备。专利CN201810447878.8中叙述了一种胃肠电信号的检测方法、装置、检测设备及存储介质，但该检测设备的不足之处主要有两个方面，一是没有针对平滑肌电的特点进行模拟前端的设计，二是在数据采集过程中，采集设备与上位机之间采用有线方式进行连接，难以实现便携化。就目前而言，医院普遍使用的都是大型的胃病诊察设备，这类设备不仅造价成本高，而且操作步骤复杂，难以长时间检测胃电信号，并不适合家用。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种便携式微型无线胃电采集器，可以在不干预病人自然状态的前提下长时间获取胃电数据，所采集到的胃电信号不仅信噪比高，而且采样精度高、动态范围广。为此，本发明采取的技术方案是，便携式微型无线胃电采集器，包括拉普拉斯检测电极、前端信号采集模块、单片机模块以及电源模块，所述前端信号采集模块由信号预处理电路和模数转换器ADC组成，拉普拉斯电极用于检测人体腹部的体表电位并获取原始胃电信号，信号经信号预处理电路预处理后通过ADC，将混有噪声的胃电信号由模拟信号转换成数字信号，所述数字信号被传送至单片机模块进行输出。

所述拉普拉斯电极为一种同心圆电极，它实际获得的是中心点电位的二阶微分，其信号随偶极子到体表的距离的4次方而迅速衰减，从而将深层的生物电源的作用滤掉。

所述拉普拉斯电极为一种同心双极电极，包括一个中心圆片和一个与之同心的环状电极，拉普拉斯电极基底为绝缘材料，中心圆片和与之同心的外环固着于基底，在使用时直接覆于体表进行胃电信号的采集，其中，电极的中心圆片作为信号的正输入端，与之同心的外环作为信号的负输入端，通过测量中心电极和外环电极平均值之间的差再乘以一个常数，得到一个拉普拉斯电位的近似值，计算公式如下所示：

式中：为拉普拉斯电极中心点电位，为外环电位，4/b²为常数。

拉普拉斯电极参数的确定：

(1)首先，确定待测生物电的幅值、带宽，以及该生物电源距离体表的深度范围Z_min和Z_max。并确定测量误差所要求的精度，即误差Re所能容忍的最大值Re_max；

(2)根据工艺上能够达到的水平，尽可能较小地选择环电极的宽度w，并选择适当的环电极与中心圆片电极间的距离a；

(3)根据实际情况，得到电极的有效半径b，并由公式(2)、(3)分别求出中心圆片的半径r_d、环的外半径r_o和内半r_i：

r_o＝r_i+w,b＝r_i (3)

(4)根据被测生物电的幅值或有效值及放大器的噪声参数计算电位比K的最小值K_min；

(5)计算误差值Re，如果此时的Re不大于Re_max，则认为是合理的；

(6)计算电位比K，同理，K应该不小于K_min，而且K/K_min越大越好；

(7)如果(5)和(6)不能得到满足，则应该对电极的各个参数进行调整，直到满足为止。

预处理电路包括直流放大模块，对拉普拉斯检测电极采集到的信号进行直流放大，再通过RC低通滤波器进行低通滤波，然后输入到超高精度的模数转换器ADC，即24/32位模数转换器ADC，所述单片机内设置有高通滤波模块，采用数字信号处理算法实现高通滤波，或者采用单片机结合数字信号处理芯片DSP实现高通滤波，或者单片机输出到设置有高通滤波模块的计算机实现高通滤波。

单片机自带有蓝牙模块，通过该模块将测量结果数据以无线方式进行输出。

本发明的特点及有益效果是：

将拉普拉斯电极与硬件系统相结合，利用蓝牙实现胃电数据与手机之间的无线传输，为体表胃电信号的检测以及在临床方面的应用提供了一个新的契机。本发明也可为家用小型胃电检测设备的推广提供一种价格低廉而且可行性高的方案。拉普拉斯电极同传统电极相比能够有效地抑制干扰信号，采集到的胃电信号信噪比更高，而且本发明内置超高精度的ADC，可以更大程度的减小系统体积，降低功耗，不仅适合家用，也可应用于医院。用户在使用时不需要具备专业的医疗知识，操作简便，待检测结束后可通过手机APP(应用程序)查看检测结果，检测数据通过手机端进行分析处理，并进行实时存储，上传至医疗平台，可以为相关专家学者提供宝贵的数据资源，也有助于对胃电活动展开更深层次的研究。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图

图2为拉普拉斯电极的物理模型

图3为拉普拉斯电极的结构示意图

图4为简化前的采集前端电路结构框图

图5为本发明的工作原理图(简化后的采集前端电路结构框图)

图1中：1、盒体外壳2、纽扣电池座3、电源层4、单片机模块5、控制层6、超高精度的A/D转换芯片7、传感层8、拉普拉斯电极9、电极层

图2中：10、中心圆片半径11、圆环的内半径12、圆环的外半径13、电极的有效半径14、圆环的宽度15、外环与中心圆片的距离

图3中：16、拉普拉斯电极正极17、拉普拉斯电极负极

具体实施方式

本发明主要解决的技术问题是提出一种便携式微型无线胃电采集器。该采集器的电极部分与硬件部分采用一体化设计，可直接应用于体表胃电信号的实时检测，并可通过蓝牙将检测数据上传至手机APP或电脑等上位机。同现有的胃电采集设备相比，本发明可以在不干预病人自然状态的前提下长时间获取胃电数据，所采集到的胃电信号不仅信噪比高，而且采样精度高、动态范围广。本发明既可以应用于家庭又可以应用于医院，而且本发明的推广也有助于实现胃肠相关疾病的远程医疗，智慧医疗。

本发明实施例主要采用以下技术方案实现：

一种便携式微型无线胃电采集器包括拉普拉斯检测电极、单芯片模拟前端模块、带蓝牙传输功能的单片机模块以及电源模块，其中所述单芯片模拟前端模块，由信号预处理电路和超高精度的ADC组成。

所述拉普拉斯电极为一种同心双极电极，由一个中心圆片和一个与之同心的环状电极组成，这两者均采用沉铜工艺，其中，电极的中心圆片作为信号的正输入端，与之同心的外环作为信号的负输入端。通过测量中心电极和外环电极平均值之间的差再乘以一个常数，即可得到一个拉普拉斯电位的近似值，计算公式如下所示。

式中：为拉普拉斯电极中心点电位，为外环电位，4/b²为常数，其中的b在不同的测量方法中有不同的含义。

拉普拉斯电极实际获得的是中心点电位的二阶微分，其信号随偶极子到体表的距离的4次方而迅速衰减，从而将深层的生物电源的作用滤掉。利用其局部放大的特点，能够比较精确地反映局部生物电活动的细节，有效地抑制躯干容积导体平滑效应的影响。拉普拉斯电极能够提高信号的信噪比，并在信号记录过程中实现空间滤波。

拉普拉斯电极的设计步骤为：

(1)首先，确定待测生物电的幅值、带宽，以及该生物电源距离体表的深度范围Z_min和Z_max。并确定测量误差所要求的精度，即误差Re所能容忍的最大值Re_max。

(2)根据工艺上能够达到的水平，尽可能较小地选择环电极的宽度w，并选择适当的环电极与中心圆片电极间的距离a。

(3)根据实际情况，得到电极的有效半径b，并由公式(2)、(3)分别求出中心圆片的半径r_d、环的外半径r_o和内半r_i。

r_o＝r_i+w,b＝r_i (3)

(7)根据被测生物电的幅值或有效值及放大器的噪声参数计算电位比K的最小值K_min。

(8)计算误差值Re，如果此时的Re不大于Re_max，则认为是合理的，否则电极参数需要重新设计。

(9)计算电位比K，同理，K应该不小于K_min，而且K/K_min越大越好。

(7)如果步骤(5)和(6)不能得到满足，则应该对电极的各个参数进行调整，直到满足步骤(5)和步骤(6)为止。

拉普拉斯电极的物理模型和结构请分别参见说明书附图2、3,该电极的基底是绝缘的，中心圆片和与之同心的外环由铜导体组成，该电极在使用时可直接覆于体表进行胃电信号的采集。

所述超高精度的ADC，可以简化采集前端的设计，而且偏移误差漂移也比同类解决方案低很多，可以有效捕捉稍纵即逝的胃电活动变化。生物电采集最常用的方法是放大-滤波-再放大，而超高精度的ADC具有更大的分辨率，可以把模拟前端做极大的简化，也就相当于变成了单芯片的模拟前端，简化后的电路，其体积足以与拉普拉斯电极融为一体，成为一种微型检测设备。

简化前后的采集前端电路结构框图请分别参见说明书附图4、5

现有的胃电图机，大多采用了与心电图机类似的架构，其结构框图如附图4所示：

之所以采用“放大-滤波-再放大”模式，是因为心电、脑电、胃电等生物电信号是典型的微弱信号，即信号本身远小于周围存在的干扰信号，对信号的放大，将首先使干扰信号“获益”，严重者将使放大器饱和。因此，传统的生物电采集电路大多采用前置放大器先将被测信号放大一定倍数，滤除干扰信号后，再进行二次放大。这一传统的模式在进行胃电信号采集时将带来若干问题，通过本发明的实施将使这些问题得以简化和解决。

①、首先是高通环节。生物电采集中的高通滤波，主要是为了滤除极化电压等直流干扰，这些低频和直流干扰信号将带来基线的漂移。对心电信号，其典型的通频带在0.05～100Hz之间，即高通的截止频率为0.05Hz。而对胃电，0.05Hz(每分钟3次)恰好是其慢波的主要频率。也就是说，胃电慢波其实就隐藏在心电信号中要滤掉的缓慢漂移中。因此，对胃电信号的采集，势必要使其高通截止频率更低，如0.005Hz。然而，在实际的电路设计中，很难通过电路参数的选取使得滤波器的截止频率得到如此精密的控制。针对这一情况，本发明对胃电信号采用直流放大的方式，即省略了高通滤波的硬件电路，而将高通滤波，交由后端的单片机或上位机通过数字信号处理(DSP)算法软件实现。使用软件滤波的另一好处是，利用相同的硬件，只需设置不同的软件参数，即可形成针对不同生物电信号的、具有不同通频带的软件滤波器，从而形成一套通用的生物电采集系统。本发明对这种硬件设计软件化的设计思想进行保护。

②、如前所述，采用直流放大将带来基线漂移。在硬件设计中，需要考虑的问题是，如何防止基线漂移造成放大器饱和。为此，本发明提出了“低放大倍数与宽动态范围相结合”的设计思想。其核心思想是采用超高精度的模数转换器ADC(24位或32位)。对32位的ADC来说，其分辨率已达nV级，足以分辨细微的信号。因此，对前置放大器来说，不需要采用太高的放大倍数，10～20倍即可。在低放大倍数的前提下，极化电压等直流干扰所带来的基线漂移，完全可以控制在系统的动态范围内，只需后期通过软件滤波去除即可。本发明对这种“低放大倍数与宽动态范围相结合”的设计思想进行保护。

③、目前24位以上的ADC，均为Σ-Δ型ADC，由于其采集原理所限，其采集速度一般较低。但其恰好适用于胃电这类变化缓慢的平滑肌电信号。目前，尚未有文献表明体表胃电中，有高频信号的成分存在。因此，对胃电信号的采集，采用5～20Hz的采样频率即可。由此，在低通环节，采用RC低通，设置截止频率为10Hz，进行简单的抗混叠滤波即可。这一设计也同时避开了50Hz工频干扰的频带。同时，由于系统采用电池供电，也极大地避免了工频干扰的引入。因此，图3中的50Hz陷波器环节可以省略。

综上所述，本发明针对胃肠平滑肌电的特点，对胃电信号的采集前端进行了简化设计，采用了直流放大，低放大倍数，简单的RC抗混叠低通滤波，和超高精度的ADC，简化后的系统如附图5所示。

由于系统得到了极大的简化，其体积、功耗等性能参数均得到了较好的优化。可以将这一架构制成专用芯片，集成到手机或其它可穿戴设备内部。

所述单片机模块，用于接收发送数据，对ADC进行有效的控制。由于模拟前端已经简化，应用单片机强大的处理功能，滤波等环节可以依靠数字信号处理的方法由单片机编程来实现，即“硬件设计软件化”，各项参数可以灵活地进行配置。

电源模块作为整个采集系统的重要组成部分，其可靠性与稳定性是系统正常工作的重要保障，从该采集器的便携性与实际情况来考虑，本系统可以采用纽扣锂电池为系统供电。

传统的有线胃电采集方式通常是电极通过导联线，将信号引至胃电图机进行信号的处理，而导联线不可避免的会引入外界的干扰，同时也会限制病人的活动状态。本发明采用无线胃电采集方式，模拟前端是单芯片的，而且电极和单片机是一体的，采集到的信号可以最大限度地避免干扰，信号经过单片机系统转化为数字信号，通过蓝牙将胃电信号传输至后台，本发明可以在不干预病人自然状态的前提下长时间获取胃电数据。

将便携式微型无线胃电采集器的硬件部分封装成一个圆柱形盒体，采集器的底部为拉普拉斯电极，通过检测人体腹部的体表电位获取原始胃电信号，信号经预处理后通过超高精度的ADC，将混有大量噪声的胃电信号由模拟信号转换成数字信号。随后信号被传送至单片机模块，胃电数据通过单片机自带的蓝牙上传至手机端或后台电脑，并与医疗服务器建立连接，使检测数据得到更深层次的处理，并上传至诊疗中心，实现远程监护，医生的就诊建议也能及时反馈至用户手机APP等上位机。另外，数据在上传的过程中也会自动建立个人数据库，一方面患者去医院就诊时可通过手机APP随时调取以往的检测结果，为医生提供诊断参考。另一方面也可以为相关专家学者提供宝贵的数据资源，为研究胃病的发病机制奠定一定的基础。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，本专业人员还可以在不脱离本发明宗旨的前提下进行各种改变，但是均属于本发明的保护范围之内。

如附图1、3所示，一种便携式胃电采集器，包括拉普拉斯检测电极、前端信号采集模块、带蓝牙传输功能的单片机模块以及电源模块。所述前端信号采集模块由信号预处理电路和超高精度的ADC组成。信号预处理电路、超高精度的ADC以及带蓝牙传输功能的单片机模块集成在微处理系统中，拉普拉斯电极8用来检测胃电信号,其中，中心圆片16为正极信号输入端，外环17为负极信号输入端。电源层3和控制层5分别位于同一个电路板的正反面，传感层7和电极层9分别位于同一个电路板的正反面，并且两个电路板通过插针和插座组合在一起，此方式可以很大程度的缩小电路板的面积。

本发明的工作原理是：

使用本发明时，只需将纽扣电池放入电池座，此时采集器便进入正常工作状态，并在腹部找到接近胃部的位置，将拉普拉斯电极直接覆于体表，胃电信号便开始进行记录。因为每个人的腹部情况不同，脂肪层的厚度也有很大差异，为了保证测量结果的准确性，信号采集过程中用户最好采取仰卧位。采集到的胃电信号通过前端信号采集模块进行初步的滤波处理，并通过蓝牙将数据传输至上位机做进一步分析和处理，可以在上位机显示用户的胃电频率、胃动力指数等有效参数以及实时胃电活动图，并对检测数据进行实时存储，建立个人数据库，将处理结果上传至医疗服务器，在服务器端对胃电信号进行经验模态分解、提取特征参数等处理，在实现远程监护的同时，医生也可以根据检测结果给出一些就诊建议，并反馈至用户上位机，实现精准医疗就诊。

Claims

1.一种便携式微型无线胃电采集器，其特征是，包括拉普拉斯检测电极、前端信号采集模块、单片机模块以及电源模块，所述前端信号采集模块由信号预处理电路和模数转换器ADC组成，拉普拉斯电极用于检测人体腹部的体表电位并获取原始胃电信号，信号经信号预处理电预处理后通过ADC，将混有噪声的胃电信号由模拟信号转换成数字信号，所述数字信号被传送至单片机模块进行输出。

2.如权利要求1所述的便携式微型无线胃电采集器，其特征是，所述拉普拉斯电极为一种同心圆电极，它实际获得的是中心点电位的二阶微分，其信号随偶极子到体表的距离的4次方而迅速衰减，从而将深层的生物电源的作用滤掉。

3.如权利要求1所述的便携式微型无线胃电采集器，其特征是，所述拉普拉斯电极为一种同心双极电极，包括一个中心圆片和一个与之同心的铜环状电极，拉普拉斯电极基底为绝缘材料，中心圆片和与之同心的外环固着于基底，在使用时直接覆于体表进行胃电信号的采集，其中，电极的中心圆片作为信号的正输入端，与之同心的外环作为信号的负输入端，通过测量中心电极和外环电极平均值之间的差再乘以一个常数，得到一个拉普拉斯电位的近似值，计算公式如下所示：

4.如权利要求1所述的便携式微型无线胃电采集器，其特征是，拉普拉斯电极参数的确定：

(1)首先，确定待测生物电的幅值、带宽，以及该生物电源距离体表的深度范围Z_min和Z_max，并确定测量误差所要求的精度，即误差Re所能容忍的最大值Re_max；

r_o＝r_i+w,b＝r_i (3)

5.如权利要求1所述的便携式微型无线胃电采集器，其特征是，预处理电路包括直流放大模块，对拉普拉斯检测电极采集到的信号进行直流放大，再通过RC低通滤波器进行低通滤波，然后输入到超高精度的模数转换器ADC，即24/32位模数转换器ADC，所述单片机内设置有高通滤波模块，采用数字信号处理算法实现高通滤波，或者采用单片机结合数字信号处理芯片DSP实现高通滤波，或者单片机输出到设置有高通滤波模块的计算机实现高通滤波。

6.如权利要求1所述的便携式微型无线胃电采集器，其特征是，单片机自带有蓝牙模块，通过该模块将测量结果数据以无线方式进行输出。