CN115150768B - 人体生理信号采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种人体生理信号采集系统，包括多个无线通信配件，不同的所述无线通信配件所采用的无线通信类型不相同，所述无线通信配件设有用于与外部设备进行无线数据传输的器件，以及一个用于有线传输数据的第一连接端；采集主机，包括采集单元、微控制器和接口单元，其中所述采集单元用于采集人体生理信号，所述接口单元设有一个第二连接端，用于连接所述无线通信配件的所述第一连接端，所述微控制器根据当前连接的所述无线通信配件的无线通信类型控制所述采集单元采集人体生理信号，并通过所述无线通信配件向外部设备无线传输所述人体生理信号。

Description

人体生理信号采集系统
技术领域
本发明涉及医疗设备领域，具体涉及一种人体生理信号采集系统。
背景技术
人体的生理信号采集与监测是医疗类电子设备非常重要的功能之一。对于各种具有生理信号采集功能的装置，如医用监护仪器、可穿戴设备、脑机接口设备等，其核心是将来自各类传感器的生理信号收集、处理并向外部传输。例如，可穿戴智能手环将用户的脉率、运动等信息采集和传输至手机等移动终端，心电图机、脑电图机、多导睡眠监测仪等医用监护仪器或脑机接口设备将患者的各项生理数据采集和传输至电脑。
目前的各类生理信号采集装置，一般采用单一通信方式与外部设备连接。例如，仅支持与外部设备有线数据传输的信号采集装置，连接线的长度限制了用户必须在外部设备附近操作或使用；仅支持与外部设备通过某种无线数据传输方式（如蓝牙或Wi-Fi）通信的信号采集装置，信息传输速率、系统功耗、通信可靠性、抗干扰等诸多性能往往无法兼顾。
单一通信方式无法满足不同场景的需求。同时，固定的数据传输方式通常限制了能够与特定信号采集装置实现通信的外部设备种类，如仅能将数据传输至电脑、仅能将数据传输至移动终端、仅能将数据传输至云端公网等。
限制生理信号采集装置支持传输模式数量的关键因素是不同的传输方案所需的电路组成与结构差异巨大，无法通过同一电子系统实现多种传输模式。如在同一采集装置中集成多种数据传输模式，需要针对不同的模式分别搭建传输系统，造成装置的物理尺寸和复杂度显著增大，且不同传输系统之间可能相互干扰而影响性能，尤其对于尺寸和重量要求严苛的穿戴式、便携式和小型家用设备而言是不可接受的。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种人体生理信号采集系统，包括：多个无线通信配件，不同的所述无线通信配件所采用的无线通信类型不相同，所述无线通信配件设有用于与外部设备进行无线数据传输的器件，以及一个用于有线传输数据的第一连接端；采集主机，包括采集单元、微控制器和接口单元，其中所述采集单元用于采集人体生理信号，所述接口单元设有一个第二连接端，用于连接所述无线通信配件的所述第一连接端，所述微控制器根据当前连接的所述无线通信配件的无线通信类型控制所述采集单元采集人体生理信号，并通过所述无线通信配件向外部设备无线传输所述人体生理信号。
可选地，所述多个无线通信配件包括Wi-Fi通信配件、蓝牙通信配件和蜂窝网络通信配件中的至少两种；所述无线通信配件包括通信天线和通信数据处理芯片。
可选地，所述微控制器用于在所述无线通信配件连接后，发送询问信息；所述无线通信配件在收到所述询问信息后反馈答复信息，所述答复信息包括设备类型信息、采样频率信息和放大器配置信息；所述微控制器根据所述采样频率信息和所述放大器配置信息控制所述采集单元采集人体生理信号，根据所述设备类型信息确定通信协议，并进一步根据通信协议类型确定单个数据包中的生理信号的数量，进而对人体生理信号进行打包。
可选地，所述采集主机在未连接所述无线通信配件时交替执行休眠状态和监听状态，当在所述监听状态的过程中连接所述无线通信配件时，结束当前的监听状态后转为唤醒状态，并发送所述询问信息。
可选地，所述休眠状态的持续时间t1大于所述监听状态的持续时间t2，自所述无线通信配件连接所述采集主机至所述采集主机发出所述询问信息的延迟时间tdelay1≤t1+t2。
可选地，所述采集主机在发出所述询问信息后计时，若计时时间tdelay2超过tdelay1未收到所述答复信息，则重新发送所述询问信息。
可选地，所述无线通信配件还用于接收外部设备在接收到人体生理信号数据包后反馈的确认数据包，所述采集主机在接收到所述确认数据包后打包并发送下一人体生理信号数据。
可选地，所述系统还包括：
有线通信配件，一端连接所述采集主机的所述第二连接端，另一端连接外部设备，进而发送采集的人体生理信号。
可选地，所述采集单元包括一个第三连接端，用于连接生物电极。
可选地，所述采集主机还包括加速度计，用于测量所述采集主机的佩戴者的加速度数据。
可选地，所述人体生理信号为脑电信号。
可选地，所述无线通信配件和所述采集主机分别设有可充电电源单元。
本申请还提供一种脑电采集系统，包括：上述采集系统系统；以及脑电帽，包括帽体和分布在所述帽体上的多个电极，所述多个电极的引线汇总为一条脑电帽连线，连接所述采集主机的采集单元。
根据本发明实施例提供的人体生理信号采集系统，将用于与外部设备进行无线通信的部件作为配件，其采集主机与无线通信配件为可拆卸连接，用户可以根据外部设备所支持的通信类型、使用场景、生理数据发送对象和用途等，选择或更换合适的无线通信方式，本系统既能够兼顾多种无线通信类型，又不需要将多种无线通信模块集成在同一设备中，从而有利于缩小整个系统的尺寸，使其更适合作为人体可穿戴、佩戴和随身携带的生理信号采集设备。
根据本发明实施例提供的脑电采集系统，脑电脑的电极通过引线汇总为一条数据线接入上述采集系统，采集主机、无线通信配件和脑电帽都可以佩戴在人体上，使用本系统采集脑电信号，用户可以更自由地活动，便于长时间监测脑电信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中的生理信号采集系统的结构图；
图2为本发明实施例中的采集主机与无线通信配件的插接状态图；
图3为本发明实施例中的采集主机与有线通信配件的插接状态图；
图4为本发明实施例中的生理信号采集系统的一种应用场景示意图；
图5为本发明实施例中的生理信号采集系统的另一种应用场景示意图；
图6为本发明实施例中的生理信号采集系统的第三种应用场景示意图；
图7为本发明实施例中的生理信号采集系统的第四种应用场景示意图；
图8为本发明实施例中的生理信号采集系统的内部器件示意图；
图9为本发明实施例中的生理信号采集系统的采集和通信流程图；
图10为本发明实施例中的生理信号采集系统的通信时序图；
图11为本发明实施例中的脑电采集系统的结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供一种人体生理信号采集系统，包括多个无线通信配件和一个采集主机。
本系统中不同的无线通信配件所采用的无线通信类型不相同，无线通信配件设有用于与外部设备进行无线数据传输的器件，以及一个用于连接采集主机的第一连接端。在一个具体实施例中，本系统提供三种无线通信配件，如图1所示分别为蓝牙通信配件201、Wi-Fi通信配件202和蜂窝网络通信配件203，蜂窝网络具体可以是4g/5g网络。三种配件中分别设有蓝牙天线及芯片、Wi-Fi天线及芯片、蜂窝网络天线及芯片等。在其它实施例中，也可以提供上述三种无线通信配件中的任意两种，或者还可以提供如近场通信、射频线圈通信等其它类型的无线通信配件。
采集主机包括采集单元、微控制器和接口单元，其中采集单元用于采集人体生理信号，比如心电信号、脑电信号或者脉搏信号等等；接口单元设有一个第二连接端，用于连接无线通信配件的第一连接端，微控制器根据当前连接的无线通信配件的无线通信类型控制采集单元采集人体生理信号，并通过无线通信配件向外部设备无线传输人体生理信号。
采集单元具体可以包括用于连接外部的采集部件的生理信号接收端口，比如连接外部电极电位等；也可以是本身设有采集部件（比如是生物电极、光电式传感器等），此外还可以设置滤波器/差分放大器、模数转换电路（AD采样）等辅助部件。
采集主机可连接多个无线通信配件中的任一个，二者连接后使整个系统具有相应的对外无线通信的能力。在如图1所示的实施例中，采集主机10与蓝牙通信配件201连接后，本系统即可与较近的外部设备通过蓝牙连接，并根据蓝牙通信协议对数据长度的要求等，采集并发送人体生理信号；类似的，采集主机10与Wi-Fi通信配件202连接后，本系统即可与同一局域网内的外部设备通过Wi-Fi连接，并根据Wi-Fi协议对数据长度的要求等，采集并发送人体生理信号；采集主机10与蜂窝网络通信配件203连接后，本系统即可与远程的外部设备通过移动网络连接，并根据蜂窝网络通信协议对数据长度的要求等，采集并发送人体生理信号。
如图2所示，本实施例的采集主机10与无线通信配件20通过插头和插口连接，即第一连接端200采用插头形式，第二连接端100采用插口形式（比如是USB规格的插头和插口）。进一步地，该实施例中采集主机10和无线通信配件20的壳体外形被设置为一个较为规则的几何形状，具体采集主机10和无线通信配件20组合状态下形成一个扁圆柱体，这使得该系统的连接状态比较稳固，在佩戴在人体上时不容易断开连接状态。在其它实施例中，采集主机10和无线通信配件20也可以设置为其它形状，或者采用数据线连接。
根据本发明实施例提供的人体生理信号采集系统，将用于与外部设备进行无线通信的部件作为配件，其采集主机与无线通信配件为可拆卸连接，用户可以根据外部设备所支持的通信类型、使用场景、生理数据发送对象和用途等，选择或更换合适的无线通信方式，本系统既能够兼顾多种无线通信类型，又不需要将多种无线通信模块集成在同一设备中，从而有利于缩小整个系统的尺寸，使其更适合作为人体可穿戴、佩戴和随身携带的生理信号采集设备。
在可选的实施例中，本系统还提供有线通信配件，其一端连接采集主机的第二连接端，另一端连接外部设备，进而发送采集的人体生理信号。如图3所示，有线通信配件30的外形与无线通信配件20相同，其一端为插头，连接采集主机10的插口，另一端由数据线连接外部设备，也即采集主机10支持与外部设备进行有线数据传输。
如图4所示，采集主机10和无线通信配件20插接并协同工作时，本系统可与多种终端进行无线数据传输，包括但不限于计算机401、与该系统配套的专用终端设备402、平板电脑403、手机404。除此之外，该系统还可与集成有对应无线传输模块的专用接收器405进行数据传输，再由专用接收器405通过USB等接口将数据传输至终端设备。终端设备接收到来自该装置的数据后，可将数据再次上传至云端公网50。
如图5所示，当选用Wi-Fi通信配件202时, 该系统可将信号数据经路由器406上传至云端公网50；如图6所示，当选用蜂窝网络通信配件203时，该系统可将信号数据直接上传至云端公网50。
如图7所示，与采集主机10插接的是有线通信配件30，有线通信配件30将接收自采集主机10的信号通过传输线缆将信号数据传输至各终端设备，并可进一步上传至云端公网。
图8和图9示出了一个优选实施例。在该实施例中，用户可以选择采集主机10通过有线通信配件20或者通过无线通信配件30连接外部设备。因此采集主机10需要对第二连接端接入的对象进行判断，并按照相匹配的方式采集和发送数据。一种可选的实施方式是在采集主机10上设置按钮，由用户控制切换数据传输模式，即有线传输模式、无线传输模式的具体通信类型，比如用户通过一个按钮选定当前采用Wi-Fi传输模式，同时正确地插入Wi-Fi通信配件202；或者用户通过该按钮选定当前采用有线传输模式，同时使用数据线直接连接外部设备。
作为优选的实施方式，可由采集主机10根据当前接入第二连接端的对象进行自适应设置。采集主机10首先可以对是否直接通过数据线连接外部设备进行识别，具体可通过有线通信配件中的接口电路实现触发和识别，如果识别到第二连接端连接了有线通信配件，则进入有线传输模式，在此模式下则单次采样人体生理信号后即时传输至外部设备；否则，进一步对连接的对象进行判断。
由于蓝牙通信配件201、Wi-Fi通信配件202和蜂窝网络通信配件203采用不同的对外通信方式，这些通信方式的数据传输格式不同，所以采集主机10需要针对当前连接的某种无线通信配件采取相应的数据传输格式，也就是采集主机10与无线通信配件之间实现匹配。
在一个优选的实施例中，采集主机10和无线通信配件20配合执行以下操作：
由采集主机10的微控制器向当前连接的无线通信配件20发送询问信息。
无线通信配件20在收到询问信息后反馈答复信息，答复信息包括设备类型信息、采样频率信息和放大器配置信息，其中设备类型信息具体可以是编码，除此之外还可以包括一些基本信息如包属性信息、启动码和CRC校验码等。
采集主机10的微控制器根据放大器配置信息和采样频率信息控制采集单元采集人体生理信号。采样频率一般设置为250次/秒到30000次/秒。对于本发明实施例提供的无线通信配件，其发送的应答信息中的采样频率设置为250次/秒~1000次/秒之间。
放大器配置包括前端放大器放大倍数设置和前端偏置极性配置，具体根据本系统所要采集的生理信号类型而定，对于相对微弱的生理信号设置更大的放大倍数来，反之设置较小的放大倍数。
放大器配置信息可以是预先设定的，也可以通过与外部设备进行通信进行设定或修改。比如在图4-图6所示应用场景中，当无线通信配件20连接采集主机10后，用户可通过近程的外部设备，通过蓝牙或者Wi-Fi连接无线通信配件20；或者通过远程的外部设备，比如服务器通过蜂窝网络连接蜂窝网络通信配件203，对放大器配置进行设定。这使得本系统具有较强的扩展性，修改放大器配置即可满足不同类型生理信号的采集场景需求。
采集主机10根据设备类型信息确定通信协议，并进一步根据通信协议类型确定单个数据包中的生理信号的数量，进而对人体生理信号进行打包。由于接入的无线通信配件的无线传输协议的最长包长度受到协议本身的限制，则采集主机进一步判定接入模块的具体无线通信协议，并根据不同协议进行数据采样和打包。
进一步地，采集主机10将根据通信协议类型确定单个数据包中的生理数据数量n，也就是每采集n次生理信号后打包并传递给无线通信配件20，进而发出数据包。比如若当前连接的是Wi-Fi通信配件202，则每采集n1次生理信号后进行数据打包和发送；若当前连接的是蓝牙通信配件201，则每采集n2次生理信号后进行数据打包和发送；若当前连接的是蜂窝网络通信配件203，则每采集n3次生理信号后进行数据打包和发送，n1、n2和n3决定了一个数据包的长度，受到通信协议的单数据包最大长度的限制，一般n1≥n3＞n2。单数据包的采集生理信号的次数n满足以下数学关系：
Figure 131466DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 314186DEST_PATH_IMAGE002
表示所采用通信协议下允许的最大单包数据长度，Wi-Fi协议一般为1500字 节，低功耗蓝牙协议一般为512字节;
Figure 641393DEST_PATH_IMAGE003
代表数据中包头所含的包属性、时间戳和包号的字节 长度，
Figure 771023DEST_PATH_IMAGE004
为单次采样信息的比特位数。
通过上述公式可以最大限度地利用通信带宽实现高采样率。应用到产品中，可以预先确定上述次数n并保存在无线通信配件中，也可以由采集主机10根据通信协议类型获取上述L、l和B，并计算出次数n。
无线通信配件接收到数据包后，向外部设备发送数据包，具体内容包括包属性、时间戳包号、数据长度、n1或n2或n3个人体生理信号数据、CRC校验码。之后，无线通信配件20还用于接收外部设备针对生理信号数据包反馈的确认数据包，具体包括包属性、时间戳包号、确认码和CRC校验码。采集主机10在接收到确认数据包后，打包并发送下一人体生理信号数据，按照此方式连续发送数据包，直至收到停止指令或者断开连接。
针对有线数据传输场景，信号数据量几乎不受到传输带宽的影响，可以在高采样速率下工作，因此可以设置更高的采样速率，比如1000次/秒~30000次/秒。具体可以由有线连接的外部设备直接向采集主机10发送应答信息，其中包括上述采样频率和放大器配置等。
本系统作为小型可穿戴设备，采集主机和无线通信配件中分别设置有可充电电源模块，包括电池、充电电路、电源管理电路等。这两个部件为可拆卸连接，用户可以根据需求拆下或者更换无线通信配件，针对此情况还需要考虑设备功耗与响应速度的平衡性。
如图10所示，在一个实施例中，采集主机10在未连接无线通信配件20时交替执行休眠状态和监听状态，当在监听状态的过程中连接无线通信配件20时，结束当前的监听状态后转为唤醒状态，并发送上述询问信息。在本实施例中采集主机10的接口单元具体包括接口电路和接口触发唤醒电路，由接口单元唤醒微控制器。
休眠状态的持续时间t1大于监听状态的持续时间t2，优选为t1远大于t2。自无线通信配件连接采集主机至采集主机发出询问信息的延迟时间tdelay1≤t1+t2。
采集主机在发出询问信息后计时，若计时时间tdelay2超过tdelay1未收到答复信息，则重新发送询问信息。如果tdelay2未超过tdelay1收到答复以及开始采集命令（所需时间为t4），再经过时间tdelay3识别配件类型之后开始采集人体生理信号并打包为数据包、发送数据包。
为了提高响应速度，综合考虑功耗的问题，延迟时间tdelay1不超过100毫秒，即每秒休眠和监听轮询不小于10次。采集主机监听到第二连接端接入的某种对象后进行询问，接入对象收到询问要求后进行答复，期间若延迟tdelay2大于100ms，则再次发送询问要求，延迟tdelay2远低于tdelay1，以实现设备内部程序的判定稳定性。
作为穿戴系统，采集主机还包括加速度计，用于测量采集主机的佩戴者的加速度数据。加速度数据可以作为辅助判断所采集的人体生理信号是否正常的依据，或者用来结合人体生理信号综合判断佩戴者的状态是否正常。作为举例，比如采集主机可以将采集的脑电信号和相应时间时佩戴者的加速度数据一并发送至外部设备，由外部设备监测佩戴者是否出现异常身体状况（比如癫痫发作）。
图11示出一种脑电采集系统，该系统包括以上实施例中的采集主机10和无线通信配件20，在本实施例中采集主机10本身不包括感测部件，而是采集单元设有一个连接端口（第三连接端110）。
本系统设有脑电帽，包括帽体60和分布在帽体上的多个电极601，多个电极601的引线602汇总为一条脑电帽连线603，连接采集主机10的采集单元，与采集单元的端口插接。如图11所示，用户可以随身佩戴脑电帽、采集主机10和无线通信配件20，并且可以根据数据发送对象、网络环境等因素，更换合适的无线通信配件20（比如蓝牙通信配件201、Wi-Fi通信配件202和蜂窝网络通信配件203中的任一个）。
根据本发明实施例提供的脑电采集系统，脑电脑的电极通过引线汇总为一条数据线接入上述采集系统，采集主机、无线通信配件和脑电帽都可以佩戴在人体上，使用本系统采集脑电信号，用户可以更自由地活动，便于长时间监测脑电信号。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种人体生理信号采集系统，其特征在于，包括：
多个无线通信配件，包括Wi-Fi通信配件、蓝牙通信配件和蜂窝网络通信配件，其中不同的所述无线通信配件所采用的无线通信类型不相同，所述无线通信配件设有用于与外部设备进行无线数据传输的器件，具体包括通信天线和通信数据处理芯片，以及一个用于有线传输数据的第一连接端；
采集主机，包括采集单元、微控制器和接口单元，其中所述采集单元用于采集人体生理信号，所述接口单元设有一个第二连接端，用于连接所述无线通信配件的所述第一连接端，所述微控制器根据当前连接的所述无线通信配件的无线通信类型控制所述采集单元采集人体生理信号，并通过所述无线通信配件向外部设备无线传输所述人体生理信号；
所述采集主机在未连接所述无线通信配件时交替执行休眠状态和监听状态，当在所述监听状态的过程中连接所述无线通信配件时，结束当前的监听状态后转为唤醒状态，并发送询问信息；
所述无线通信配件在收到所述询问信息后反馈答复信息，所述答复信息包括设备类型信息、采样频率信息和放大器配置信息；所述微控制器根据所述采样频率信息和所述放大器配置信息控制所述采集单元采集人体生理信号，根据所述设备类型信息确定通信协议，并进一步根据通信协议类型确定单个数据包中的生理信号的数量，进而对人体生理信号进行打包；
所述采集主机根据通信协议类型获取通信协议下允许的最大单包数据长度
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、数据中 包头所含的包属性、时间戳和包号的字节长度
Figure 911434DEST_PATH_IMAGE002
和单次采样信息的比特位数B，并计算出单 个数据包中的生理信号的数量n，所述采集主机每采集n次生理信号后打包并传递给无线通 信配件，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，
若当前连接的是Wi-Fi通信配件，则每采集n1次生理信号后进行数据打包和发送；若当前连接的是蓝牙通信配件，则每采集n2次生理信号后进行数据打包和发送；若当前连接的是蜂窝网络通信配件，则每采集n3次生理信号后进行数据打包和发送，n1≥n3＞n2。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述休眠状态的持续时间t1大于所述监听状态的持续时间t2，自所述无线通信配件连接所述采集主机至所述采集主机发出所述询问信息的延迟时间tdelay1≤t1+t2。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述采集主机在发出所述询问信息后计时，若计时时间tdelay2超过tdelay1未收到所述答复信息，则重新发送所述询问信息。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无线通信配件还用于接收外部设备在接收到人体生理信号数据包后反馈的确认数据包，所述采集主机在接收到所述确认数据包后打包并发送下一人体生理信号数据。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于，还包括：
有线通信配件，一端连接所述采集主机的所述第二连接端，另一端连接外部设备，进而发送采集的人体生理信号。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于，所述采集单元包括一个第三连接端，用于连接生物电极。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于，所述采集主机还包括加速度计，用于测量所述采集主机的佩戴者的加速度数据。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于，所述人体生理信号为脑电信号。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于，所述无线通信配件和所述采集主机分别设有可充电电源单元。
10.一种脑电采集系统，其特征在于，包括：
权利要求1-9中任一项所述的系统；以及
脑电帽，包括帽体和分布在所述帽体上的多个电极，所述多个电极的引线汇总为一条脑电帽连线，连接所述采集主机的采集单元。
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