CN117982148A - 应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法以及系统。所述方法通过将脑电信号两两组合并进行斩波调制,将调制后的双路脑电信号均传递至对应通路的全差分信号放大器的同相输入端,所有的反相输入端统一接参考电极的基准信号,对各组双路脑电信号进行信号放大,使得输入阻抗均衡,有效解决了正负端输入阻抗不匹配的问题,提高了脑电信号的共模抑制比。
Description
技术领域
本申请涉及脑电信号技术领域,特别是涉及一种应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法及系统。
背景技术
脑科学研究一直是生物科学的重点研究领域。近年来,许多研究开始集中在脑电信号分析方法上以了解大脑活动的工作机制。为得到更加真实和全面的数据,生物电信号通常需要多条采集通道进行采集。
传统的脑电信号采集系统中将生物电信号在放大器正负端同时进行斩波调制,而由于放大器负端已经因为接入参考电极而引起了输入阻抗衰减,在负端进行斩波再次引起了输入阻抗的衰减,造成放大器正负端的输入阻抗不匹配,使得系统共模抑制比降低。
发明内容
基于此,有必要针对上述技术问题,提供一种能够解决放大器正负端输入阻抗不匹配的应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法以及系统。
第一方面,本申请提供了一种应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法。所述方法包括:
获取穿戴于颅外的微电极脑电检测设备上工作电极采集到的脑电信号,将所述脑电信号按照相邻电极的最短距离进行两两组合,得到多组双路脑电信号;同时采集所述微电极脑电检测设备上参考电极的基准信号;
分别将各组所述双路脑电信号输入对应的斩波调制单元进行双路斩波调制,并将斩波调制后的各组双路脑电信号输入到对应的各路全差分信号放大模块的同相输入端,以及将所述基准信号输入各所述全差分信号放大模块的反相输入端进行信号放大,得到各组双路脑电信号的放大信号;
将各组所述双路脑电信号的放大信号传输至差分差值放大模块进行信号交叉比较,输出得到各组交叉比较后的脑电信号;
将各组所述交叉比较后的脑电信号分别输入到对应的斩波解调单元进行斩波解调,并将斩波解调后的脑电信号输入低通滤波器进行噪声滤波,输出得到目标脑电信号。
在其中一个实施例中,所述将各组所述交叉比较后的脑电信号分别输入到对应的斩波解调单元进行斩波解调包括:
将各组所述交叉比较后的脑电信号分别输入到对应的斩波解调单元,控制各所述斩波解调单元将斩波频率大于设定第一阈值的脑电信号解调至原始的信号频段。
在其中一个实施例中,所述将各组所述交叉比较后的脑电信号分别输入到对应的斩波解调单元还包括:
控制各所述斩波解调单元将频率小于设定第二阈值的谐波噪声信号斩波调制至所述第一阈值。
在其中一个实施例中,所述输出得到目标脑电信号之后,所述方法还包括:
将所述目标脑电信号输入模数转换器,输出得到所述目标脑电信号的数字信号。
在其中一个实施例中,所述各组交叉比较后的脑电信号为各组所述双路脑电信号的差值。
在其中一个实施例中,所述全差分信号放大模块包括全差分放大器,所述全差分放大器的固定增益为80dB,带宽为50k赫兹,截止频率为0.5-50k赫兹。
在其中一个实施例中,所述低通滤波的截止频率为220赫兹。
第二方面,本申请还提供了一种多通道双路斩波系统,实现如上述第一方面所述的应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波系统。所述系统包括:
斩波调制单元、全差分信号放大模块、差分差值放大模块、斩波解调单元以及低通滤波器,
每组双路脑电信号所对应的工作电极连接一个所述斩波调制单元,所述斩波调制单元用于对双路脑电信号进行斩波调制;
每个所述斩波调制单元的各输出端连接一个所述全差分信号放大模块,所述全差分信号放大模块的正相输入端连接斩波调制后的各路脑电信号、负相输入端连接基准信号,用于对各路脑电信号进行信号放大,得到各组双路脑电信号的放大信号;
同一组双路脑电信号所对应的两个全差分信号放大模块的输出端连接至一个差分差值放大模块,所述差分差值放大模块用于将所述各组双路脑电信号的放大信号进行信号交叉比较,输出得到各组交叉比较后的脑电信号;
每个差分差值放大模块的输出端连接一个所述斩波解调单元,所述斩波解调单元用于对所述交叉比较后的脑电信号进行斩波解调;
每个斩波解调单元的输出端连接一个所述低通滤波器,所述低通滤波器用于对斩波解调后的脑电信号进行噪声滤波,输出得到目标脑电信号。
在其中一个实施例中,所述多通道双路斩波系统还包括模数转换器,每个低通滤波器的输出端连接一个所述模数转换器,用于将所述目标脑电信号转换为数字信号。
第三方面,本申请还提供了一种微电极脑电检测系统。所述微电极脑电检测系统包括工作电极、参考电极以及上述第二方面所述的多通道双路斩波系统。
上述应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法以及系统,通过将脑电信号两两组合并进行斩波调制,将调制后的双路脑电信号均传递至对应通路的全差分信号放大器的同相输入端,所有的反相输入端统一接参考电极的基准信号,对各组双路脑电信号进行信号放大,使得输入阻抗均衡,有效解决了正负端输入阻抗不匹配的问题,提高了脑电信号的共模抑制比。
附图说明
图1为一个实施例中多通道双路斩波系统的结构框图;
图2为一个实施例中一种多通道双路斩波系统的信号线路框图;
图3为一个实施例中应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本申请进行进一步详细说明。应当理解,此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。
除非另作定义,本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制,可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形,意图在于覆盖不排他的包含;例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元,而是可以还包括没有列出的步骤或单元,或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接,而是可以包括电气的连接,不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,“A和/或B”可以表示:单独存在A,同时存在A和B,单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象,不代表针对对象的特定排序。
本申请实施例提供的应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法,可以应用于如图1所示的多通道双路斩波系统中。其中,所述多通道斩波系统多组双路斩波子系统。脑电信号经过多通道斩波系统后将模拟信号转换为数字信号,输入到数字信号处理单元对脑电信号进行处理分析。所述数字信号处理单元为DSP(Digital Signal Processor)。
如图2所示,提供一种多通道双路斩波系统的信号线路框图,每一组双路斩波子系统包括至少一个斩波调制单元101、至少两个全差分信号放大模块102、至少一个差分差值放大模块103、至少一个斩波解调单元104、至少一个低通滤波器105以及至少一个模数转换器106。
每组双路脑电信号所对应的工作电极连接一个所述斩波调制单元101,所述斩波调制单元101用于对双路脑电信号进行斩波调制。
每个所述斩波调制单元101的各输出端均连接一个所述全差分信号放大模块102,所述全差分信号放大模块102的正相输入端连接斩波调制后的各路脑电信号、负相输入端连接基准信号,用于对各路脑电信号进行信号放大,得到各组双路脑电信号的放大信号。
更具体地,所述全差分信号放大模块包括全差分放大器Ai、输入电容Cini与Cini+1、反馈电容Cfbi与Cfbi+1、以及伪电阻Rfbi与Rfbi+1。输入电容Cini与Cini+1分别连接在所述全差分放大器Ai的正、反相输入端;反馈电容Cfbi一端连接差分放大器Ai的正相输入端,另一端连接连接差分放大器Ai的正相输出端;反馈电容Cfbi+1一端连接差分放大器Ai的反相输入端,另一端连接连接差分放大器Ai的反相输出端;伪电阻Rfbi并联在反馈电容Cfbi两端,伪电阻Rfbi+1并联在反馈电容Cfbi+1两端。所述全差分放大器Ai的固定增益为80dB,带宽为50k赫兹,截止频率为0.5-50k赫兹。输入电容Cini与Cini+1均为20pF,反馈电容Cfbi与Cfbi+1均为200fF,直流偏置由置于全差分放大器Ai输入输出端之间两个大小为100G欧姆的伪电阻Rfbi与Rfbi+1提供。
同一组双路脑电信号所对应的两个全差分信号放大模块102的输出端连接至同一个差分差值放大模块103,所述差分差值放大模块103用于将所述各组双路脑电信号的放大信号进行信号交叉比较,输出得到各组交叉比较后的脑电信号。
每个差分差值放大模块103的输出端连接一个所述斩波解调单元104,所述斩波解调单元104用于对所述交叉比较后的脑电信号进行斩波解调。
每个斩波解调单元104的输出端连接一个所述低通滤波器105,所述低通滤波器105用于对斩波解调后的脑电信号进行噪声滤波,输出得到目标脑电信号。
更具体地,所述低通滤波的截止频率为220赫兹。
每一个低通滤波器105的输出端连接一个模数转换器106,所述将所述目标脑电信号转换为数字信号。
上述多通道双路斩波系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中,也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中,以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中,如图3所示,提供了一种应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法,以该方法应用于图1中的多通道双路斩波系统为例进行说明,包括以下步骤:
步骤302,获取穿戴于颅外的微电极脑电检测设备上工作电极采集到的脑电信号,将所述脑电信号按照相邻电极的最短距离进行两两组合,得到多组双路脑电信号;同时采集所述微电极脑电检测设备上参考电极的基准信号。
具体地,所述微电极脑电检测设备包括多个通道的工作电极,将两个相邻距离最短的工作电极所采集到的脑电信号进行组合,得到多组双路脑电信号。所述微电极脑电检测设备还包括参考电极,将参考电极采集到的脑电信号作为基准信号。
步骤304,分别将各组所述双路脑电信号输入对应的斩波调制单元进行双路斩波调制,并将斩波调制后的各组双路脑电信号输入到对应的各路全差分信号放大模块的同相输入端,以及将所述基准信号输入各所述全差分信号放大模块的反相输入端进行信号放大,得到各组双路脑电信号的放大信号。
具体地,在各组双路脑电信号输入到对应的全差分信号放大模块进行信号放大之前,先将每一组双路脑电信号输入到同一个斩波调制单元中进行转录斩波调制,将其调制至斩波频率,以避开放大器低频部分的噪声,得到斩波调制后的各组双路脑电信号。将一组斩波调制后的双路脑电信号分别输入到每一个通路所对应的全差分信号放大模块的同相输入端,同时将基准信号输入各全差分信号放大模块的反相输入端,即所有全差分信号放大模块的反相输入端所接入的基准信号不进行斩波调制。
步骤306,将各组所述双路脑电信号的放大信号传输至差分差值放大模块进行信号交叉比较,输出得到各组交叉比较后的脑电信号。
具体地,将各组所述双路脑电信号的放大信号传输至差分差值放大模块进行信号交叉比较,去除基准信号,得到各组交叉比较后的脑电信号。其中,所述各组交叉比较后的脑电信号为各组所述双路脑电信号的差值。
步骤308,将各组所述交叉比较后的脑电信号分别输入到对应的斩波解调单元进行斩波解调,并将斩波解调后的脑电信号输入低通滤波器进行噪声滤波,输出得到目标脑电信号。
具体地,将各组所述交叉比较后的脑电信号分别输入到对应的斩波解调单元进行斩波解调,由于斩波解调过程中会引入各类谐波噪声,因此将斩波解调后的脑电信号输入低通滤波器进行噪声滤波,输出得到目标脑电信号。
上述应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法中,通过将脑电信号两两组合并进行斩波调制,将调制后的双路脑电信号均传递至对应通路的全差分信号放大器的同相输入端,所有的反相输入端统一接参考电极的基准信号,对各组双路脑电信号进行信号放大,使得输入阻抗均衡,有效解决了正负端输入阻抗不匹配的问题,提高了脑电信号的共模抑制比。
在一个实施例中,所述将各组所述交叉比较后的脑电信号分别输入到对应的斩波解调单元进行斩波解调包括:
将各组所述交叉比较后的脑电信号分别输入到对应的斩波解调单元,控制各所述斩波解调单元将斩波频率大于设定第一阈值的脑电信号解调至原始的信号频段。
其中,第一阈值为25kHZ。双路脑电信号进行斩波调制时被斩波调制到第一阈值,因此在解调时,将各组所述交叉比较后的脑电信号分别输入到对应的斩波解调单元,控制各斩波解调单元将斩波频率大于设定第一阈值的脑电信号解调至原始的信号频段。
更进一步地,控制各所述斩波解调单元将频率小于设定第二阈值的谐波噪声信号斩波调制至所述第一阈值。
具体地,斩波解调单元会将各类频率小于设定第二阈值的低频段谐波噪声斩波调制到高频段25kHZ处,以此将脑电信号与噪声分离,提高信噪比。
在一个示例实施例中,提供一种应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法,以32通道的微电极脑电检测设备为例,具体包括以下步骤:
步骤401,将穿戴于颅外的微电极脑电检测设备的工作电极采集到的脑电信号We1-We32按照相邻电极的最短距离进行两两组合后,输入对应的斩波调制单元进行双路斩波调制,将双路脑电信号斩波调制至25k赫兹。同时采集参考电极上的基准信号。
步骤402,将斩波调制后的各组双路脑电信号输入到对应的各路全差分信号放大模块的同相输入端以及将基准信号输入各全差分信号放大模块的反相输入端,对斩波调制后的高频信号进行放大。
其中各路全差分信号放大模块中的放大器采用精密仪器放大器设计,放大器Ai的增益设计为80dB,带宽为50kHZ,截止频率为0.5-50 kHZ。输入电容Cini均为20pF,反馈电容Cfbi均为200fF,直流偏置由置于放大器输入输出端之间两个大小为100G欧姆的伪电阻Rfbi提供。各放大器的增益Gain为:
,
步骤403,将各组所述双路脑电信号的放大信号传输至差分差值放大模块进行信号交叉比较,去除基准信号,得到各组交叉比较后的脑电信号。
步骤404,将各组交叉比较后的脑电信号分别输入到对应的斩波解调单元,控制各斩波解调单元将斩波频率大于25k赫兹的脑电信号解调至原始的信号频段。同时将各类频率小于设定第二阈值的低频段谐波噪声斩波调制到高频段25kHZ处。
步骤405,经过斩波解调后的脑电信号包含高频谐波噪声,将斩波解调后的脑电信号输入截止频率设置为220赫兹的低通滤波器进行噪声滤波,输出得到目标脑电信号。
步骤406,将目标脑电信号输入模数转换器,输出得到目标脑电信号的数字信号。其中,模数转换器的精度为10Bit。
应该理解的是,虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示,但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明,这些步骤的执行并没有严格的顺序限制,这些步骤可以以其它的顺序执行。而且,如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段,这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成,而是可以在不同的时刻执行,这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行,而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
基于同样的发明构思,本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法的微电极脑电检测系统。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似,故下面所提供的一个或多个微电极脑电检测系统实施例中的具体限定可以参见上文中对于应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法的限定,在此不再赘述。
在一个实施例中,所述微电极脑电检测系统包括工作电极、参考电极以及如上述图1所述所述的多通道双路斩波系统。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程,是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中,该计算机程序在执行时,可包括如上述各方法的实施例的流程。其中,本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用,均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory,ROM)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(ReRAM)、磁变存储器(Magnetoresistive Random Access Memory,MRAM)、铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory,FRAM)、相变存储器(Phase Change Memory,PCM)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory,RAM)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限,RAM可以是多种形式,比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory,SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory,DRAM)等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等,不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等,不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法,其特征在于,所述方法包括:
获取穿戴于颅外的微电极脑电检测设备上工作电极采集到的脑电信号,将所述脑电信号按照相邻电极的最短距离进行两两组合,得到多组双路脑电信号;同时采集所述微电极脑电检测设备上参考电极的基准信号;
分别将各组所述双路脑电信号输入对应的斩波调制单元进行双路斩波调制,并将斩波调制后的各组双路脑电信号输入到对应的各路全差分信号放大模块的同相输入端,以及将所述基准信号输入各所述全差分信号放大模块的反相输入端进行信号放大,得到各组双路脑电信号的放大信号;
将各组所述双路脑电信号的放大信号传输至差分差值放大模块进行信号交叉比较,输出得到各组交叉比较后的脑电信号;
将各组所述交叉比较后的脑电信号分别输入到对应的斩波解调单元进行斩波解调,并将斩波解调后的脑电信号输入低通滤波器进行噪声滤波,输出得到目标脑电信号。
2.根据权利要求1所述的应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法,其特征在于,所述将各组所述交叉比较后的脑电信号分别输入到对应的斩波解调单元进行斩波解调包括:
将各组所述交叉比较后的脑电信号分别输入到对应的斩波解调单元,控制各所述斩波解调单元将斩波频率大于设定第一阈值的脑电信号解调至原始的信号频段。
3.根据权利要求2所述的应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法,其特征在于,所述将各组所述交叉比较后的脑电信号分别输入到对应的斩波解调单元还包括:
控制各所述斩波解调单元将频率小于设定第二阈值的谐波噪声信号斩波调制至所述第一阈值。
4.根据权利要求1所述的应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法,其特征在于,所述输出得到目标脑电信号之后,所述方法还包括:
将所述目标脑电信号输入模数转换器,输出得到所述目标脑电信号的数字信号。
5.根据权利要求1所述的应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法,其特征在于,所述各组交叉比较后的脑电信号为各组所述双路脑电信号的差值。
6.根据权利要求1所述的应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法,其特征在于,所述全差分信号放大模块包括全差分放大器,所述全差分放大器的固定增益为80dB,带宽为50k赫兹,截止频率为0.5-50k赫兹。
7.根据权利要求1所述的应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法,其特征在于,所述低通滤波的截止频率为220赫兹。
8.一种实现如权利要求1至权利要求7任一项所述的应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法的多通道双路斩波系统,其特征在于,所述多通道双路斩波系统包括:斩波调制单元、全差分信号放大模块、差分差值放大模块、斩波解调单元以及低通滤波器,
每组双路脑电信号所对应的工作电极连接一个所述斩波调制单元,所述斩波调制单元用于对双路脑电信号进行斩波调制;
每个所述斩波调制单元的各输出端连接一个所述全差分信号放大模块,所述全差分信号放大模块的正相输入端连接斩波调制后的各路脑电信号、负相输入端连接基准信号,用于对各路脑电信号进行信号放大,得到各组双路脑电信号的放大信号;
同一组双路脑电信号所对应的两个全差分信号放大模块的输出端连接至一个差分差值放大模块,所述差分差值放大模块用于将所述各组双路脑电信号的放大信号进行信号交叉比较,输出得到各组交叉比较后的脑电信号;
每个差分差值放大模块的输出端连接一个所述斩波解调单元,所述斩波解调单元用于对所述交叉比较后的脑电信号进行斩波解调;
每个斩波解调单元的输出端连接一个所述低通滤波器,所述低通滤波器用于对斩波解调后的脑电信号进行噪声滤波,输出得到目标脑电信号。
9.根据权利要求8所述的多通道双路斩波系统,其特征在于,所述多通道双路斩波系统还包括模数转换器,每个低通滤波器的输出端连接一个所述模数转换器,用于将所述目标脑电信号转换为数字信号。
10.一种微电极脑电检测系统,其特征在于,所述微电极脑电检测系统包括工作电极、参考电极以及如权利要求8至权利要求9任一项所述的多通道双路斩波系统。
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CN202410403241.4A Pending CN117982148A (zh) | 2024-04-03 | 2024-04-03 | 应用于生物电信号采集芯片的多通道双路斩波方法及系统 |
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Citations (2)
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CN113225024A (zh) * | 2021-03-25 | 2021-08-06 | 南京邮电大学 | 一种面向高阻源测量的低噪声电压放大调理电路 |
CN113827249A (zh) * | 2021-09-28 | 2021-12-24 | 之江实验室 | 一种消除脑电信号采集系统多通道增益误差的方法 |
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2024
- 2024-04-03 CN CN202410403241.4A patent/CN117982148A/zh active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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