CN113655257A - 一种子宫肌电爆发波信号模拟仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种子宫肌电爆发波信号模拟仪，属于信号模拟技术领域；根据实际人体子宫肌电信号的特点，通过对输入的两路正弦信号进行整流和调幅运算后，再经过一增益小于1的运放电路，得到初始的爆发波信号，随后由增益自动控制系统对输入信号进行采样，结合当前模拟仪各部分的参数，根据预设的输入、输出关系计算运放电路的增益补偿值。通过调整反馈电阻，改变运放电路增益，使得模拟仪输出的爆发波幅值可根据输入信号的幅值改变，从而达到通过输入信号对输出信号进行控制的目的。本模拟仪输出的爆发波信号有幅值和频率可控的优点。
Description
技术领域
本发明属于信号模拟技术领域，涉及一种子宫肌电爆发波信号模拟仪。
背景技术
最近几十年中，流产、早产和先天缺陷的胎儿数量不断增加。据世界卫生组织公布的资料显示，全世界每天约有1000名妇女死于与妊娠或分娩有关的并发症，而这些并发症大多数是可以预防的。早产是新生儿死亡的最常见，最直接原因。不论对产妇还是胎儿来说，监测孕妇妊娠和分娩时的子宫活动显得尤为重要。
子宫收缩是由动作电位形式的电活动，即子宫肌电引起的，该动作电位以一定速度通过子宫肌层细胞传播，足够数量细胞的传播就会引起子宫肌层协调的机械收缩。因此，可以通过放置在孕妇腹部表面的电极记录子宫的电活动过程，从而监测子宫活动。这种方法是无创的，而且监测过程中孕妇不会出现严重的不适感。目前关于子宫肌电与宫缩之间的关系、子宫肌电与早产的关系等研究均取得了一定成果。但在进行相关的科研及设备开发、调试、检测时，缺少可控的子宫肌电信号作为参考，导致科研中提出的方法无法在硬件层面准确的定量分析，设备无法进行精确的定量调试、校准和检测。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种子宫肌电爆发波信号模拟仪。通过对输入的正弦信号进行整流、调幅和放大，得到初始爆发波信号，并通过增益自动控制系统改变运放电路的反馈电阻，自动调整运放电路增益，定量控制输出的爆发波幅值，从而得到幅值可控的爆发波信号。此模拟仪输出的电信号可直接用于后续研究，弥补了在相关的科研和设备开发、生产过程中缺少可控的爆发波信号以供定量分析和调试的不足。
本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：
本发明提供一种子宫肌电爆发波信号模拟仪，模拟仪可分为整流电路、乘法电路、运放电路、增益自动控制系统、人体阻抗网络和纽扣电极六部分。其中，整流电路与乘法电路的输入端相连，乘法电路的输出端与运放电路的输入端相连，运放电路的输出端与人体阻抗网络相连。同时，运放电路与增益自动控制系统相连，由增益自动控制系统定量改变运放电路中的反馈电阻阻值。人体阻抗网络与纽扣电极相连，最终的爆发波信号通过纽扣电极输出。模拟仪由两组5V的镍氢充电电池串联，作为正负电源供电。
研究表明，子宫肌电信号在时域上表现为“爆发波”的形式，频域上可分为快波和慢波。慢波与子宫内压同步，与子宫肌电的传播有关；快波与子宫平滑肌的兴奋性有关，是决定子宫收缩力的主要因素。快波以调幅信号的形式叠加在慢波上。根据此特点，本发明需要外接两路输入信号，其中，信号X代表快波，信号Y代表慢波，均为正弦信号。
本发明先通过整流电路，利用二极管的单项导通性，配合合适的电阻分压，对信号Y进行半波整流，去掉输入正弦信号Y的负半周。信号Y经过半波整流后，与信号X一同输入乘法电路，乘法电路对输入的两路信号作调幅运算。在输入信号Y的正半周，乘法电路会输出以慢波为包络，快波频率为峰值频率的爆发波信号；而在输入信号Y的负半周，乘法电路的输出接近0。经过调幅运算后，从乘法电路输出的信号在形态上已经具备爆发波信号的特点。通过上述技术方案可以明显看出本发明的优点和积极的技术效果。
由于乘法电路输出的爆发波幅值一般为伏特级，而实际人体子宫肌电信号的爆发波幅值小于2毫伏，为了使输出的信号更接近实际人体的子宫肌电信号，还需要使用增益小于1的运放电路将乘法电路输出信号的幅值缩小到毫伏级。
由于输入信号的频率较小，随着输入信号频率的变化，乘法电路的幅频响应并不是固定不变或线性变化的。同时受到产生输入信号的信号发生器的性能等因素影响，模拟仪输出的爆发波幅值无法单纯根据运放电路增益和人体阻抗网络结构确定。所以本发明所要进一步解决的技术问题是，对输出的爆发波幅值进行准确的定量调整。
在原有结构的基础上，增加一增益自动控制系统，代替运放电路中的反馈电阻。此系统由单片机和若干继电器、电阻组成。通过对输入信号进行分析，结合内部预存的频率响应特性，调整接入电路的反馈电阻阻值，从而改变运放电路增益，使模拟仪的输入、输出信号满足预设的定量关系，即输出的爆发波信号幅值为输入信号X幅值的1/1000。
增益自动控制系统的具体工作流程如下：单片机同时对两路正弦信号X和Y进行采样，通过计算信号X在相邻两个过零点之间的最大/小值得到其幅值，通过计算相邻两个过零点之间经过时间的2倍，得到信号X的周期。同理可得到信号Y的幅值和周期。运放电路输出的信号，在信号Y一个周期内的最大幅值，即为此时输出的爆发波幅值。自动控制系统根据当前输入信号的幅值和周期，结合预存在单片机中的乘法电路频响特点，按照预设的输出爆发波信号幅值与输入信号X幅值的关系，计算运放电路的增益补偿值，计算方法为A＝1/(1000*K*Am(fX,fY)*Y)-A1，其中A1为当前运放电路的增益，Am为乘法电路频响特性对应的增益，K为人体阻抗网络分压系数。并根据阈值判断是否需要对运放电路增益进行调整。
若需要调整增益，则单片机将增益补偿值换算成运放电路反馈电阻阻值，计算方法为R2＝R1*(A1+A)/A1，其中R1为当前接入运放电路的反馈电阻阻值。单片机根据反馈电阻阻值，改变输出电平，控制与之相连的继电器通断，从而改变接入运放电路的反馈电阻阻值，达到调整增益的效果。
至此，一次增益调整完成，此时模拟仪输出的爆发波信号即满足预设的输入、输出关系。不断重复上述过程，即可根据输入信号的变化，自动定量调整输出信号中爆发波的幅值。
运放电路输出的信号加载到人体阻抗网络上。人体阻抗网络结合实际人体阻抗特点及临床采集情景，模拟采集点(腹部)、参考点(右髂骨)和接地点(左髂骨)之间的体表电阻抗，并用纽扣电极将这三个点的电压引出，方便连接后一级电路或采集设备。采集电极和参考电极之间的电位差即为本发明的输出信号。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2为本发明的电路结构及连接方式。
图3为本发明的增益自动控制系统电路结构。
图4为本发明的增益自动控制系统处理流程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体结构进行更详细的说明。
一种子宫肌电爆发波信号模拟仪，包括整流电路、乘法电路、运放电路、增益自动控制系统、人体阻抗网络和纽扣电极六部分。
在前述技术方案基础上，根据实际子宫肌电信号的特点，输入的正弦信号X的频率可在0.1-3Hz之间，Y的频率可在0.005-0.03Hz之间。为了保证模拟仪的各部分能够正常工作，输入信号X和Y的幅值应在合理范围内。
由于输入信号的频率很低，当输入信号的幅度保持不变，随着频率的增加，乘法器芯片的幅频响应并不是稳定不变的，而是会跟着增大。所以，乘法器芯片输出信号的幅值不仅和输入信号的幅值有关，还和频率有关。为了能够定量控制模拟仪输出的爆发波幅值，需要对幅度衰减进行补偿。这部分功能通过增益自动控制系统实现。该系统首先对输入乘法电路的两路信号X、Y进行采样，计算其频率，然后根据预存在系统内的幅频响应特点，计算需要通过运放电路补偿的增益。需要另外指出的是，因为信号Y的频率范围远小于信号X的频率范围，若信号Y的频率变化对乘法电路输出信号幅值的影响可忽略不计，则只需考虑对信号X引起的幅值衰减进行补偿。
在此基础上，再根据“输出的爆发波幅值为信号X幅值的1/1000”这一关系，结合人体阻抗网络的结构，计算得到运放电路增益及相应的反馈电阻阻值。对接入电路的反馈电阻做出调整后，即可从纽扣电极上得到具有相应幅值和频率成分的输出信号。
需要注意的是，在使用本模拟仪输出的信号时，可能由后级电路引入基线漂移、工频干扰等噪声。根据频谱分析，采用本发明所使用的方法模拟的爆发波信号的峰值频率为输入信号X的频率，故可根据X的频率，在进行后续信号处理时使用带通滤波器去除噪声。
以上所举仅为本发明示意性的实施例，并非用以限制本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应包括在本专利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种子宫肌电爆发波信号模拟仪，其特征在于：模拟仪分为整流电路、乘法电路、运放电路、增益自动控制系统、人体阻抗网络和纽扣电极六部分；其中，整流电路与乘法电路的输入端相连，乘法电路的输出端与运放电路的输入端相连，运放电路的输出端与人体阻抗网络相连；同时，运放电路与增益自动控制系统相连，由增益自动控制系统定量改变运放电路中的反馈电阻阻值；人体阻抗网络与纽扣电极相连，最终的爆发波信号通过纽扣电极输出。
2.根据权利要求1所述的一种子宫肌电爆发波信号模拟仪，其特征在于：模拟仪由两组5V的镍氢充电电池串联，作为正负电源供电。
3.根据权利要求1所述的一种子宫肌电爆发波信号模拟仪，其特征在于：子宫肌电信号在时域上表现为“爆发波”的形式，频域上可分为快波和慢波；慢波与子宫内压同步，与子宫肌电的传播有关；快波与子宫平滑肌的兴奋性有关，是决定子宫收缩力的主要因素；快波以调幅信号的形式叠加在慢波上；需要外接两路输入信号，其中，信号X代表快波，信号Y代表慢波，均为正弦信号。
4.根据权利要求3所述的一种子宫肌电爆发波信号模拟仪，其特征在于：通过整流电路，利用二极管的单项导通性，配合合适的电阻分压，对信号Y进行半波整流，去掉输入正弦信号Y的负半周；信号Y经过半波整流后，与信号X一同输入乘法电路，乘法电路对输入的两路信号作调幅运算；在输入信号Y的正半周，乘法电路会输出以慢波为包络，快波频率为峰值频率的爆发波信号；而在输入信号Y的负半周，乘法电路的输出接近0；经过调幅运算后，从乘法电路输出的信号在形态上已经具备爆发波信号的特点。
5.根据权利要求1所述的一种子宫肌电爆发波信号模拟仪，其特征在于：由于乘法电路输出的爆发波幅值为伏特级，而人体子宫肌电信号的爆发波幅值小于2毫伏，为使输出的信号更接近实际人体的子宫肌电信号，还需要使用增益小于1的运放电路将乘法电路输出信号的幅值缩小到毫伏级。
6.根据权利要求5所述的一种子宫肌电爆发波信号模拟仪，其特征在于：由于输入信号的频率较小，随着输入信号频率的变化，乘法电路的幅频响应并不是固定不变或线性变化的；同时受到产生输入信号的信号发生器的性能等因素影响，模拟仪输出的爆发波幅值无法单纯根据运放电路增益和人体阻抗网络结构确定；对输出的爆发波幅值进行准确的定量调整。
7.根据权利要求1所述的一种子宫肌电爆发波信号模拟仪，其特征在于：增益自动控制系统代替运放电路中的反馈电阻；增益自动控制系统由单片机和若干继电器、电阻组成；通过对输入信号进行分析，结合内部预存的频率响应特性，调整接入电路的反馈电阻阻值，从而改变运放电路增益，使模拟仪的输入、输出信号满足预设的定量关系，即输出的爆发波信号幅值为输入信号X幅值的1/1000。
8.根据权利要求1或7所述的一种子宫肌电爆发波信号模拟仪，其特征在于：增益自动控制系统的具体工作流程如下：单片机同时对两路正弦信号X和Y进行采样，通过计算信号X在相邻两个过零点之间的最大/小值得到其幅值，通过计算相邻两个过零点之间经过时间的2倍，得到信号X的周期；同理可得到信号Y的幅值和周期；运放电路输出的信号，在信号Y一个周期内的最大幅值，即为此时输出的爆发波幅值；自动控制系统根据当前输入信号的幅值和周期，结合预存在单片机中的乘法电路频响特点，按照预设的输出爆发波信号幅值与输入信号X幅值的关系，计算运放电路的增益补偿值，计算方法为A＝1/(1000*K*Am(fX,fY)*Y)-A1，其中A1为当前运放电路的增益，Am为乘法电路频响特性对应的增益，K为人体阻抗网络分压系数；并根据阈值判断是否需要对运放电路增益进行调整。
9.根据权利要求8所述的一种子宫肌电爆发波信号模拟仪，其特征在于：若需要调整增益，则单片机将增益补偿值换算成运放电路反馈电阻阻值，计算方法为R2＝R1*(A1+A)/A1，其中R1为当前接入运放电路的反馈电阻阻值；单片机根据反馈电阻阻值，改变输出电平，控制与之相连的继电器通断，从而改变接入运放电路的反馈电阻阻值，达到调整增益。
10.根据权利要求9所述的一种子宫肌电爆发波信号模拟仪，其特征在于：一次增益调整完成，模拟仪输出的爆发波信号即满足预设的输入、输出关系；不断重复即可根据输入信号的变化，自动定量调整输出信号中爆发波的幅值；
运放电路输出的信号加载到人体阻抗网络上；人体阻抗网络结合实际人体阻抗特点及临床采集情景，模拟采集点腹部、参考点右髂骨和接地点左髂骨之间的体表电阻抗，并用纽扣电极将三个点的电压引出，方便连接后一级电路或采集设备；采集电极和参考电极之间的电位差即为输出信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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