CN112022156A - 一种实时去除刺激伪迹的生物电信号采集系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实时去除电刺激伪迹的生物电信号采集系统及方法。首先建立刺激伪迹数据库；其后，在进行电刺激时，探测电极将与原始刺激伪迹混合的生物电信号传输至信号探测前端进行预处理，以防止输出饱和，并将与残存刺激伪迹混合的电信号传至信号处理单元，该单元从刺激伪迹数据库中筛选出模板，利用模板消去法去除残余的刺激伪迹，提取出生物电信号并存储至输出信号存储单元；最后将当前的刺激伪迹依更新规则更新至刺激伪迹数据库；电源模块为信号处理单元供电；信号处理单元控制功能电刺激器输出恒电流，通过刺激电极传至生物组织。本发明能够在肌肉或是神经电刺激中实时去除参数动态改变的刺激伪迹，提取出肌电或神经信号。

Description

一种实时去除刺激伪迹的生物电信号采集系统及方法
技术领域
本发明涉及生物电信号采集技术，特别是涉及一种实时去除变频变脉宽电刺激产生的刺激伪迹的生物电信号采集系统及方法。
背景技术
闭环的肌肉电刺激控制装置与闭环的脑机接口需要在对神经肌肉接头或神经施加电刺激的同时监测同一位点的肌电信号或神经信号，并将此类生物电信号作为反馈，从而提高整个系统控制的鲁棒性。但是伴随着电刺激产生的伪迹信号远高于生物电信号会使生物电信号探测前端饱和致使无法采集生物电信号。
在频率与脉宽固定的电刺激下，刺激伪迹的时域特征与频域特征趋于稳定。所以，目前大多数去刺激伪迹系统都是针对固定频率和脉宽的刺激伪迹，并且能成功去除电刺激伪迹提取生物电信号。然而在肌肉电刺激控制中，有研究表明，变频变脉宽的电刺激相比于固定脉宽与刺激频率的电刺激可以有效减缓肌肉疲劳。可是动态变化的电刺激同时会引起刺激伪迹在时域和频域的动态变化，使得去刺激伪迹更为困难。
发明内容
发明目的：本发明的一个目的是提供一种能够在变频变脉宽的电刺激下实时去除动态变化刺激伪迹的生物电信号采集系统。
本发明的另一个目的是提供一种基于上述系统的生物电信号采集方法。
技术方案：本发明的实时去除刺激伪迹的生物电信号采集系统，包括：
第一探测电极、第二探测电极和第三探测电极，用于传导生物电信号至生物电信号探测前端；
生物电信号探测前端，用于去处刺激伪迹片段中的饱和阶段，并将最终输出的模拟信号传至生物电信号处理单元；
生物电信号处理单元，用于去除当前刺激伪迹，然后将输出信号存储至输出信号存储单元，并将当前刺激伪迹更新至刺激伪迹数据库；
输出信号存储单元，用于存储当前滤除刺激伪迹的生物电信号；
刺激伪迹数据库，用于存储记录下的含有刺激伪迹的生物电信号片段；
电源模块，用于对生物电信号处理单元供电；
功能电刺激器，受生物电信号处理单元的控制进行恒流电刺激；
第一刺激电极和第二刺激电极，用于将功能电刺激器输出的电流传到至生物组织。
优选的，去刺激伪迹生物电信号探测前端包括：
第一光耦隔离开关、第二光耦隔离开关和第三光耦隔离开关，分别用于在刺激时断开仪表放大器与第一探测电极、第二探测电极和第三探测电极的连接；刺激前0.6ms断开，刺激后2ms后闭合；
仪表放大器，用于对生物电信号的第一级放大，增益15dB；
第一CMOS开关，用于运动伪迹去除电路与快速恢复电路的选择，刺激前0.6ms选通快速恢复电路，电容和积分负反馈电路运算放大器构成快速恢复通电路，用于在刺激后对仪表放大器的快速恢复；
刺激后5ms选通运动伪迹去除电路，电容、电阻和积分负反馈电路运算放大器为运动伪迹去除电路，用于刺激后生物组织运动产生的低频信号；
第二CMOS开关，用于接通或断开仪表放大器与一级放大电路的连接；刺激前0.6ms断开，刺激后5ms闭合；
一级放大电路，增益20dB，用于放大生物电信号；
高通滤波器与低通滤波器，用于提取生物电信号的主频率；通带可调30～470Hz；
二级放大电路，增益可调26dB，用于放大生物电信号，并输出模拟信号。
优选的，生物电信号探测前端包括：第一光耦隔离开关、第二光耦隔离开关、第三光耦隔离开关、仪表放大器、第一CMOS开关、电阻、电容、积分负反馈电路运算放大器、第二CMOS开关、一级放大电路、高通滤波器、低通滤波器和二级放大电路，第一光耦隔离开关串联在第一探测电极和仪表放大器的第一差分输入端之间，第二光耦隔离开关串联在第二探测电极和仪表放大器的右腿驱动电路输入端之间，第三光耦隔离开关串联在第三探测电极和仪表放大器的第二差分输入端之间，仪表放大器的输出端分为两路，一路通过第二CMOS开关依次串联连接有一级放大电路、高通滤波器、低通滤波器和二级放大电路，二级放大电路的输出端最终输出模拟信号；另一路通过第一CMOS开关选择连接电阻的一端或积分负反馈电路运算放大器的输入端，电阻的另一端与积分负反馈电路运算放大器的输入端相连，电容的两端分别连接积分负反馈电路运算放大器的输入端和输出端，积分负反馈电路运算放大器的输出端与仪表放大器的控制输入端连接。
第一探测电极和第三探测电极用于传导生物电信号至仪表放大器，第二探测电极用于对生物组织提供参考电压，提高共模抑制比。
优选的，功能电刺激器包括：
第四光耦隔离开关，在刺激前0.6ms断开，刺激后立即闭合，用于第一刺激电极和第二刺激电极的迅速放电；
第五光耦隔离开关和第六光耦隔离开关，在刺激前0.6ms闭合，刺激后立即断开，用于将恒流电刺激器的电流传导至第一刺激电极和第二刺激电极；
恒流电刺激器，用于产生电荷平衡的双相电刺激。
优选的，功能电刺激器包括第四光耦隔离开关、第五光耦隔离开关、第六光耦隔离开关和恒流电刺激器，第四光耦隔离开关两端分别连接第一刺激电极和第二刺激电极，第五光耦隔离开关串联在第一刺激电极和恒流电刺激器的第一输出端之间，第六光耦隔离开关串联在第二刺激电极和恒流电刺激器的第二输出端之间。
基于上述实时去除刺激伪迹的生物电信号采集系统的信号采集方法，包括以下步骤：
(S1)刺激伪迹片段的获取，将两个刺激时间点之间的信号作为刺激伪迹片段；
(S2)在刺激伪迹数据库中对模板进行筛选，按刺激时间降序排列，选出时间上最为相近的N个模板，最后将这N个模板进行尾端的截取保持与待处理信号长度的一致；
(S3)利用模板消去法，将步骤(S2)中筛选出的N个模板对当前刺激伪迹进行刺激伪迹的滤除；
(S4)更新刺激伪迹数据库，将当前刺激伪迹按照自身伪迹的长度归类到对应的分档进行存储，若该分档已经存满，则将刺激时间最久远的伪迹替换为新入库的刺激伪迹；
(S5)去除刺激伪迹的生物电信号输出，存储至输出信号存储单元。
其中，刺激伪迹数据库的建立方法为：
电刺激的刺激间隔按步长1.5ms，从50ms逐步缩减到20ms，刺激强度在5mA～15mA随机选取，循环三次进行生物组织电刺激，同时采集刺激伪迹数据，此时产生的刺激伪迹数据正好将刺激伪迹数据库填满。
原理说明：
在电刺激前，首先对生物组织按照刺激伪迹数据库的建立方法建立刺激伪迹数据库。每次电刺激时，生物电信号采集前端都会预处理探测电极传来的原始刺激伪迹与生物电信号混合的电信号，防止生物电信号采集前端输出饱和。生物电信号采集前端会利用空白法，电刺激隔离开关，以及非线性负反馈电路削弱刺激伪迹，最后输出残存的刺激伪迹与生物电信号混合的电信号至生物电信号处理单元。生物电信号处理单元根据模板筛选规则从刺激伪迹数据库中筛选出6个刺激伪迹，然后对当前伪迹进行模板消除法去除残存的刺激伪迹，提取生物电信号，并将提取的生物电信号传输至生物信号存储单元。最后将当前的刺激伪迹按照刺激伪迹数据库的更新规则更新至刺激伪迹数据库。
有益效果：与现有技术相比，本发明采用结合空白法，电刺激隔离开关与非线性负反馈电路的生物电信号采集前端的设计，缩短了刺激伪迹引起的饱和阶段到探测基准线的恢复时间；采用了电刺激伪迹数据库的设计，将刺激伪迹按照刺激间隔，刺激时间实时更新至刺激伪迹数据库中，为后续去伪迹算法提供更为相关的刺激伪迹模板；设计了一种模板匹配的方法，根据需要去除刺激伪迹的信号刺激间隔与刺激时间，在刺激伪迹数据库中提取刺激时间最为相近，且刺激间隔长于当前刺激伪迹的6个刺激伪迹作为模板。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图；
图2是本发明中生物电信号采集前端的结构示意图；
图3是本发明中功能电刺激器的输出段的结构示意图；
图4是本发明中生物电信号采集前端中光耦隔离开关的时序图；
图5是本发明方法流程图；
图6是刺激伪迹数据库的结构示意图；其中，(a)是刺激伪迹数据库结构示意图；(b)是刺激伪迹数据格式示意图；
图中：1是第一探测电极，2第二探测电极，3是第三探测电极，4是生物电信号探测前端，5是生物电信号处理单元，6是输出信号存储单元，7是刺激伪迹数据库，8是电源模块，9是功能电刺激器，10是第一刺激电极，11是第二刺激电极，41是第一光耦隔离开关，42是第二光耦隔离开关，43是第三光耦隔离开关，44是是仪表放大器，45是第一CMOS开关，45-A为快速恢复通路，45-B为运动伪迹去除通路，46是电阻，47是电容，48是积分负反馈电路运算放大器，49是第二CMOS开关，410是一级放大电路，411是高通滤波器，412是低通滤波器，413是二级放大电路，91是第四光耦隔离开关，92是第五光耦隔离开关，93是第六光耦隔离开关，94是恒流电刺激器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的实时去除电刺激伪迹的生物电信号采集系统，能够在功能性电刺激或是神经电刺激中，实时去除参数动态改变的刺激伪迹，提取出肌电信号或是神经信号。该系统中生物电信号探测前端与功能电刺激器中的光耦隔离开关、通路选择开关(CMOS开关)在生物电信号处理单元的控制下能够去除刺激伪迹中的饱和阶段。刺激伪迹的筛选规则能够从刺激伪迹数据库中筛选出相关性最高的6个刺激伪迹模板。刺激伪迹的去除采用了模板消去法。刺激伪迹数据库采用了分档更新的规则将最新的刺激伪迹片段更新至刺激伪迹数据库。刺激电极，探测电极可根据具体的应用环境进行选择。
本发明去刺激伪迹生物电信号采集系统的实施结构如图1所示，包含3个探测电极1、2、3，生物电信号探测前端4，生物电信号处理单元5，输出信号存储单元6，刺激伪迹数据库7，电源模块8，功能电刺激器9和两个刺激电极10、11。
探测电极与生物电信号探测前端4用于采集探测点(神经或肌肉)的生物电信号，其中生物电信号探测前端4能够在生物电信号处理单元5的控制下预处理含有刺激伪迹的生物电信号，空白掉探测信号中因刺激伪迹导致的饱和阶段。
生物电信号处理单元5从生物电信号探测前端4获取刺激伪迹片段，当获得刺激伪迹片段后，生物电信号处理单元5先从刺激伪迹数据库7调取刺激间隔、刺激时间点最为相近的6个刺激伪迹作为模板，对当前刺激伪迹进行伪迹去除。去除刺激伪迹完毕后，将输出信号存储至输出信号存储单元6，并将当前刺激伪迹更新至刺激伪迹数据库7。
输出信号存储单元6用于存储去刺激伪迹后的生物电信号。
刺激伪迹数据库7用于存储刺激伪迹，为生物电信号处理单元5提供模板。
电源模块8为生物电信号单元5供电。
功能电刺激器9与刺激电极10、11用于刺激采集点附近的生物组织。
如图2所示，生物电信号探测前端4的电路结构包括3个光耦隔离开关41、42和43，仪表放大器44，两个CMOS开关45和49，电阻46，电容47，积分负反馈电路运算放大器48，一级放大电路410，高通滤波器411，低通滤波器412和二级放大电路413；第一光耦隔离开关41串联在第一探测电极1和仪表放大器44的第一差分输入端之间，第二光耦隔离开关42串联在第二探测电极2和仪表放大器44的右腿驱动电路输入端之间，第三光耦隔离开关43串联在第三探测电极3和仪表放大器44的第二差分输入端之间，仪表放大器44的输出端分为两路，一路通过第二CMOS开关49与一级放大电路410的输入端相连，另一路通过第一CMOS开关45选择连通快速回复通路45-A或选择连通运动伪迹去除通路45-B，当第一CMOS开关45连通快速回复通路45-A时，第一CMOS开关45通过电阻46与积分负反馈电路运算放大器48的输入端连接，积分负反馈电路运算放大器48的输出端与仪表放大器44的控制输入端连接，电容47的两端分别连接仪表放大器的控制输入端和积分负反馈电路运算放大器48的输入端；当第一CMOS开关45连通运动伪迹去除通路45-B时，第一CMOS开关45直接与积分负反馈电路运算放大器48的输入端相连，电容47的两端分别连接仪表放大器44的控制输入端和积分负反馈电路运算放大器48的输入端；一级放大电路410的输出端与高通滤波器411的输入端相连，高通滤波器411的输出端与低通滤波器412的输入端相连，低通滤波器412的输出端与二级放大电路413的输入端相连，二级放大电路413的输出端最终输出模拟信号。
如图3所示，功能电刺激器的输出段电路包括3个光耦隔离开关91、92和93，以及恒流电刺激器94，第四光耦隔离开关91的两端分别连接第一刺激电极10和第二刺激电极11，第五光耦隔离开关92串联在第一刺激电极10和恒流电刺激器的第一输出端之间，第六光耦隔离开关93串联在第二刺激电极11和恒流电刺激器的第二输出端之间。
如图4所示，在电刺激时，刺激前0.6ms，光耦隔离开关41、42和43断开生物电信号探测前端4与探测电极1，2，3的连接；第四光耦隔离开关91断开，第五光耦隔离开关92、第六光耦隔离开关93闭合，并分别接入第一刺激电极10和第二刺激电极11，接通恒流刺激器94的刺激通路；第一CMOS开关45拨至45-B，充电电阻46归零，加快电容47的反向充电，此时积分负反馈电路运算放大器48构成的反馈电路高通截止频率为11kHz；第二CMOS开关49断开，生物电信号探测前端4进入保持模式。刺激后，第四光耦隔离开关91闭合对第一刺激电极和第二刺激电极进行放电，第五光耦隔离开关92、第六光耦隔离开关93分别断开恒流电刺激器94与第一刺激电极10和第二刺激电极11的连接，2ms后第一光耦隔离开关41、第二光耦隔离开关42和第三光耦隔离开关43闭合接通仪表放大器44的探测通路；25ms后，第一CMOS开关45拨至45-A，充电电阻46恢复，此时高通截止频率为7.5Hz，用于滤除运动伪迹；第二CMOS开关49闭合，生物电信号探测前端4进入采样模式。刺激脉冲可采用0.8ms时长的电荷平衡的电脉冲。差分信号经上述的开关时序调节的电路滤除刺激伪迹中的饱和阶段，经仪表放大器44放大输出，增益15dB，再经第一级放大电路410，增益20dB，后经高通滤波器411与低通滤波器412，频带30～470Hz，最后经第二级放大电路413，增益26dB，输出最终的模拟信号。
如图5所示，生物电信号采集及处理流程为：生物电信号处理单元5先获取到刺激伪迹片段，再从刺激伪迹数据库7中筛选6个刺激伪迹的模板，然后利用模板消去法去除刺激伪迹。当去刺激伪迹算法执行完毕后，将当前获取的刺激伪迹片段更新至刺激伪迹数据库7，最后输出去刺激伪迹后的生物电信号。
如图6(a)和6(b)所示，刺激伪迹数据库可容纳60条刺激伪迹模板，分10档。每档相隔3ms，包含6个伪迹。刺激伪迹数据库会实时将最新的刺激伪迹更新入库。刺激伪迹数据格式包括刺激伪迹长度、刺激时间和刺激伪迹数据。
刺激伪迹数据库的建立方法为：
电刺激的刺激间隔按步长1.5ms，从50ms逐步缩减到20ms，刺激强度在5mA～15mA随机选取，循环三次进行生物组织电刺激，同时采集刺激伪迹数据。此时产生的刺激伪迹数据正好将刺激伪迹数据库填满。
模板筛选规则：
在进行模板消除时需要先筛选出信号长度长于待处理信号的模板，再按刺激时间降序排列，选出时间上最为相近的6个模板。最后将这6个模板进行尾端的截取保持与待处理信号长度的一致。
模板的选取个数不限于6个，可以根据实际去伪迹效果进行增减。
刺激伪迹数据库更新规则：
刺激伪迹按照刺激伪迹的长度归类到对应的分档进行存储，若该分档已经存满则将刺激时间最久远的刺激伪迹替换为新入库的刺激伪迹。分档更新可以避免某个频率的刺激伪迹过多而塞满整个刺激伪迹数据库导致刺激伪迹数据库中的刺激伪迹模板单一。

Claims (7)

1.一种实时去除刺激伪迹的生物电信号采集系统，其特征在于，包括：
第一探测电极(1)、第二探测电极(2)和第三探测电极(3)，用于传导生物电信号至生物电信号探测前端(4)；
生物电信号探测前端(4)，用于去处刺激伪迹片段中的饱和阶段，并将最终输出的模拟信号传至生物电信号处理单元(5)；
生物电信号处理单元(5)，用于去除当前刺激伪迹，然后将输出信号存储至输出信号存储单元(6)，并将当前刺激伪迹更新至刺激伪迹数据库(7)；
输出信号存储单元(6)，用于存储当前滤除刺激伪迹的生物电信号；
刺激伪迹数据库(7)，用于存储记录下的含有刺激伪迹的生物电信号片段；
电源模块(8)，用于对生物电信号处理单元(5)供电；
功能电刺激器(9)，受生物电信号处理单元(5)的控制进行恒流电刺激；
第一刺激电极(10)和第二刺激电极(11)，用于将功能电刺激器(9)输出的电流传到至生物组织。
2.根据权利要求1所述的实时去除刺激伪迹的生物电信号采集系统，其特征在于，去刺激伪迹生物电信号探测前端包括：
第一光耦隔离开关(41)、第二光耦隔离开关(42)和第三光耦隔离开关(43)，分别用于在刺激时断开仪表放大器(44)与第一探测电极(1)、第二探测电极(2)和第三探测电极(3)的连接；
仪表放大器(44)，用于对生物电信号的第一级放大；
第一CMOS开关(45)，用于运动伪迹去除电路与快速恢复电路的选择，刺激前选通快速恢复电路，电容(47)和积分负反馈电路运算放大器(48)构成快速恢复通电路，用于在刺激后对仪表放大器的快速恢复；
刺激后选通运动伪迹去除电路，电容(47)、电阻(46)和积分负反馈电路运算放大器(48)为运动伪迹去除电路，用于刺激后生物组织运动产生的低频信号；
第二CMOS开关(49)，用于接通或断开仪表放大器(44)与一级放大电路(410)的连接；
一级放大电路(410)，用于放大生物电信号；
高通滤波器(411)与低通滤波器(412)，用于提取生物电信号的主频率；
二级放大电路(413)，用于放大生物电信号，并输出模拟信号。
3.根据权利要求1所述的实时去除刺激伪迹的生物电信号采集系统，其特征在于，生物电信号探测前端包括：第一光耦隔离开关(41)、第二光耦隔离开关(42)、第三光耦隔离开关(43)、仪表放大器(44)、第一CMOS开关(45)、电阻(46)、电容(47)、积分负反馈电路运算放大器(48)、第二CMOS开关(49)、一级放大电路(410)、高通滤波器(411)、低通滤波器(412)和二级放大电路(413)，第一光耦隔离开关(41)串联在第一探测电极(1)和仪表放大器(44)的第一差分输入端之间，第二光耦隔离开关(42)串联在第二探测电极(2)和仪表放大器(44)的右腿驱动电路输入端之间，第三光耦隔离开关(43)串联在第三探测电极(3)和仪表放大器(44)的第二差分输入端之间，仪表放大器(44)的输出端分为两路，一路通过第二CMOS开关(49)依次串联连接有一级放大电路(410)、高通滤波器(411)、低通滤波器(412)和二级放大电路(413)，二级放大电路(413)的输出端最终输出模拟信号；另一路通过第一CMOS开关(45)选择连接电阻(46)的一端或积分负反馈电路运算放大器(48)的输入端，电阻(46)的另一端与积分负反馈电路运算放大器(48)的输入端相连，电容(47)的两端分别连接积分负反馈电路运算放大器(48)的输入端和输出端，积分负反馈电路运算放大器(48)的输出端与仪表放大器(44)的控制输入端连接。
4.根据权利要求1所述的实时去除刺激伪迹的生物电信号采集系统，其特征在于，功能电刺激器(9)包括：
第四光耦隔离开关(91)，在刺激前断开，刺激后立即闭合，用于第一刺激电极(10)和第二刺激电极(11)的迅速放电；
第五光耦隔离开关(92)和第六光耦隔离开关(93)，在刺激前闭合，刺激后立即断开，用于将恒流电刺激器(94)的电流传导至第一刺激电极(10)和第二刺激电极(11)；
恒流电刺激器(94)，用于产生电荷平衡的双相电刺激。
5.根据权利要求1所述的实时去除刺激伪迹的生物电信号采集系统，其特征在于，功能电刺激器(9)包括第四光耦隔离开关(91)、第五光耦隔离开关(92)、第六光耦隔离开关(93)和恒流电刺激器(94)，第四光耦隔离开关(91)两端分别连接第一刺激电极(10)和第二刺激电极(11)，第五光耦隔离开关(92)串联在第一刺激电极(10)和恒流电刺激器(94)的第一输出端之间，第六光耦隔离开关(93)串联在第二刺激电极(11)和恒流电刺激器(94)的第二输出端之间。
6.基于权利要求1至5任一项所述的实时去除刺激伪迹的生物电信号采集系统的信号采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)刺激伪迹片段的获取，将两个刺激时间点之间的信号作为刺激伪迹片段；
(S2)在刺激伪迹数据库(7)中对模板进行筛选，按刺激时间降序排列，选出时间上最为相近的N个模板，最后将这N个模板进行尾端的截取保持与待处理信号长度的一致；
(S3)利用模板消去法，将步骤(S2)中筛选出的N个模板对当前刺激伪迹进行刺激伪迹的滤除；
(S4)更新刺激伪迹数据库(7)，将当前刺激伪迹按照自身伪迹的长度归类到对应的分档进行存储，若该分档已经存满，则将刺激时间最久远的伪迹替换为新入库的刺激伪迹；
(S5)去除刺激伪迹的生物电信号输出，存储至输出信号存储单元(6)。
7.根据权利要求6所述的实时去除刺激伪迹的生物电信号采集系统的信号采集方法，其特征在于，刺激伪迹数据库的建立方法为：
刺激序列的刺激间隔按步长1.5ms，从50ms逐步缩减到20ms，刺激强度在5mA～15mA随机选取，循环三次进行生物组织电刺激，同时采集刺激伪迹数据，此时产生的刺激伪迹数据正好将刺激伪迹数据库填满。
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