CN118078298A - 一种生物电信号智能采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一般地涉及生物电检测领域。更具体地，本发明涉及一种生物电信号智能采集装置。包括：激励源，其输出端分别连接至所述多路生物电信号采集装置的各个采样电极以增强采集的生物电信号的幅度，其输入端连接至供电电路；所述多路生物电信号采集装置，其输出端连接至复用开关电路，以将采集的生物电信号输送至复用开关电路；所述复用开关电路，其输出端连接至信号调理电路；所述信号调理电路其输出端连接至模数转换电路的输入端；所述主控芯片，连接至所述复用开关电路的受控端，还连接至模数转换电路。采用本发明的生物电信号智能采集装置大大降低了多路生物电信号采集电路的成本，且提高了采集的生物电信号的信噪比和共模抑制比。
Description
技术领域
本发明一般地涉及生物电检测领域。更具体地，本发明涉及一种生物电信号智能采集装置。
背景技术
生物电信号是由生物体内部产生的电流和电势变化，用于传递信息和调节生物体的生理功能。这些信号是生命活动的一种表现形式，反映了生物体内部各种生理过程和状态。生物电信号的种类繁多，包括神经信号、肌电信号、心电信号和脑电信号等。神经信号是由神经细胞产生和传递的电信号，负责在神经系统中传递感觉和激活肌肉。肌电信号则是由肌肉细胞产生的电信号，用于控制和调节肌肉的收缩和放松。心电信号由心脏细胞产生，用于调节心脏的跳动，而脑电信号则是由大脑神经元产生的，用于控制和调节大脑的认知和运动功能。在医疗领域，通过采集、分析和解读人体的生物电信号，可以了解人体的生理状态、疾病情况以及神经系统的活动模式，为疾病的诊断、治疗和康复提供重要依据。
现有的生物电信号采集装置一般通过电极接触人体皮肤来获取皮肤表面的肌电信号，但由于生物电信号比较微弱，又存在许多干扰信号，导致现有的生物电信号智能采集装置存在结构复杂以及采集的生物电信号信噪比低以及共模抑制比低的技术问题；此外，在某些情况下需要同时采集人体多个部位的生物电信号进行检测，此时就需要在多个信号传输通道分别设置运算放大器，导致生物电信号采集装置成本高，功耗大的技术问题。
发明内容
为解决上述一个或多个技术问题，本发明在如下方面中提供方案。
在第一方面中，本发明提供了一种生物电信号智能采集装置，包括：激励源，其输出端分别连接至所述多路生物电信号采集装置的各个采样电极以增强采集的生物电信号的幅度，其输入端连接至供电电路；所述多路生物电信号采集装置，其输出端连接至复用开关电路，以将采集的生物电信号输送至复用开关电路；所述复用开关电路，其输出端连接至信号调理电路，将与主控芯片下发的地址指令对应的生物电信号输入至所述信号调理电路；所述信号调理电路，用于提高生物电信号的信噪比和共模抑制比，其输出端连接至模数转换电路的输入端；所述主控芯片，连接至所述复用开关电路的受控端，以向所述复用开关电路下发地址指令，还连接至模数转换电路，用于接收模数转换电路输出的数字信号并对其进行频率补偿。
在一个实施例中，所述模数转换电路采用∑-Δ型模数转换器，所述信号调理电路包括并联差分放大器，并联差分放大器的输出端分别连接至差分滤波电路的输入端以及共模信号提取驱动电路的输入端，共模信号提取驱动电路的输出端连接至差分滤波电路的公共端，差分滤波电路的输出端连接至∑-Δ型模数转换器的输入端。
在一个实施例中，所述差分滤波电路包括第一电阻、第二电阻、第一电容以及第二电容，其中第一电阻的一端连接至第一电容的第一端，第一电阻的另一端连接至第二电容的第一端，第一电容的第二端连接至第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接至第二电容的第二端。
在一个实施例中，所述信号调理电路还包括设置在并联差分放大器输入端与复用开关电路输出端之间的高通滤波电路，所述高通滤波电路包括第三电容和第一运算放大器，第三电容的一端通过第四电容连接至第一运算放大器的同相输入端，并通过第六电阻连接至第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的反相输入端通过第四电阻接地，并通过第三电阻连接至第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的同相输入端通过第五电阻接地，第一运算放大器的输出端为所述前置滤波电路的输出端。
在一个实施例中，所述信号调理电路还包括串联在一起的防雷保护电路和瞬态电压保护电路。
在一个实施例中，在模数转换电路和主控芯片之间还连接有数字隔离器。
在一个实施例中，在所述采样电极与所述共模信号提取驱动电路的输出端之间连接有右腿驱动电路。
在一个实施例中，所述供电电路包括储能电池以及与之连接的电源管理芯片。
本发明的有益效果为：本发明的生物电信号智能采集装置通过采用复用开关电路配合主控芯片下发的地址指令，可对多路生物电信号采集装置采集的多路生物电信号进行逐一选取并先后输入至信号调理电路中进行处理，从而减少了运算放大器的使用数量，大大降低了多路生物电信号采集电路的成本，且电路结构简单，稳定性好，功耗低；通过设置信号调理电路提高生物电信号的共模抑制比，从而提高了采集的生物电信号的质量，以便更加准确地对生物电信号进行分析处理；生物电信号通常非常微弱，且容易受到外部噪声和干扰的影响，通过将激励源与采样电极连接，以便增强生物电信号的幅度从而提高生物电信号的信噪比，进一步提高了采集的生物电信号的质量。
进一步地，通过使并联差分放大器和∑-Δ型模数转换器相互配合，进一步提高了生物电信号的共模抑制比。
进一步地，在模数转换电路和主控芯片之间设置数字隔离器，可以防止潜在的电气噪声、电压浮动等问题对生物电信号智能采集装置造成干扰和损坏。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
图1是本发明的实施例的生物电信号智能采集装置结构示意图；
图2是本发明的实施例的信号调理电路结构示意图；
图3是本发明的实施例的差分滤波电路电路原理图；
图4是本发明的实施例的高通滤波电路电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。
下面结合附图来详细描述本发明的具体实施方式。
生物电信号智能采集装置实施例：
如图1所示，本发明的生物电信号智能采集装置，包括激励源以及多路生物电信号采集装置，所述激励源的输出端分别连接至所述多路生物电信号采集装置的各个采样电极，其输入端连接至供电电路；所述多路生物电信号采集装置的输出端连接至复用开关电路，复用开关电路的输出端连接至信号调理电路，复用开关电路的受控端连接至主控芯片，以接收主控芯片下发的地址指令并将与所述地址指令对应的生物电信号输入至所述信号调理电路，所述信号调理电路用于提高生物电信号的信噪比和共模抑制比，输出端连接至模数转换电路的输入端，模数转换电路连接至所述主控芯片，以将经过调理后的生物电信号的模拟信号转换为数字信号并发送至主控芯片，所述主控芯片还用于对模数转换电路输出的数字信号进行频率补偿。
多路生物电信号采集装置包括多组电极，不同的电极用于采集人体不同部位的皮肤表面的生物电信号。在一个实施例中，多路生物电信号采集装置还包括心电信号采集装置。
复用开关电路允许通过单个开关或多个开关的组合来选择和切换多个输入信号中的一个或多个到输出端，该电路特别适用于需要从多个信号源中选择一个信号进行处理的场景，例如多路数据传输、信号路由或传感器信号选择等。通过在多路生物电信号采集装置和信号调理电路之间设置复用开关电路，以便从多路生物电信号中选择一路进行信号处理。
主控芯片内存有数字频谱补偿程序，依据所述数字频谱补偿程序对模数转换电路输出的数字信号进行频率补偿，从而可消除模数转换器在通带内的不平坦。进而使采集的生物电信号更接近原始信号，提高信号的保真度。
本发明的生物电信号智能采集装置的工作原理为：首先，利用多路生物电信号采集电路采集人体不同部位的生物电信号，控制芯片向复用开关电路下发地址指令，复用开关电路依据地址指令将对应的生物电信号发送至信号调理电路进行调理，信号调理电路输出向模数转换电路输出高信噪比和高共模抑制比的生物电信号，模数转换电路将双通道的肌电信号转换成数字信号，模数转换器转换完成同时产生一个中断信号，该信号通知控制芯片可以进行AD值读取，控制芯片实时对数字信号进行读取以及频率补偿。
本发明的生物电信号智能采集装置通过采用复用开关电路配合主控芯片下发的地址指令，可对多路生物电信号采集装置采集的多路生物电信号进行逐一选取并先后输入至信号调理电路中进行处理，从而减少了运算放大器的使用数量，大大降低了多路生物电信号采集电路的成本，且电路结构简单，稳定性好；通过设置信号调理电路提高生物电信号的共模抑制比，从而提高了采集的生物电信号的质量，以便更加准确地对生物电信号进行分析处理；生物电信号通常非常微弱，且容易受到外部噪声和干扰的影响，通过将激励源与采样电极连接，以便增强生物电信号的幅度从而提高生物电信号的信噪比，进一步提高了采集的生物电信号的质量。
如图2所示，在一个实施例中，模数转换电路采用∑-Δ型模数转换器，所述信号调理电路包括并联差分放大器，并联差分放大器的输出端分别连接至差分滤波电路的输入端以及共模信号提取驱动电路的输入端，共模信号提取驱动电路的输出端连接至差分滤波电路的公共端，差分滤波电路的输出端连接至模数转换器的输入端。
共模信号提取驱动电路利用取出的共模信号对并联差分放大器的公共端进行驱动，可以避免并联差分滤波电路的两个并联滤波单元之间由于不对称造成的共模变差模产生的干扰。
由于并联差分放大器输出的信号具有较大的共模抑制比，∑-Δ型模数转换器的共模抑制比也很大，两者配合之下，进一步提高了生物电信号的共模抑制比。
如图3所示，在一个实施例中，所述差分滤波电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1以及第二电容C2.，其中第一电阻R1的一端连接至第一电容C1的第一端，第一电阻R1的另一端连接至第二电容C2的第一端，第一电容C1的第二端连接至第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接至第二电容C2的第二端。
如图4所示，在一个实施例中，所述信号调理电路还包括设置在并联差分放大器输入端与复用开关电路输出端之间的高通滤波电路，所述高通滤波电路包括第三电容C3和第一运算放大器OP1，第三电容C3的一端通过第四电容C4连接至第一运算放大器OP1的同相输入端，并通过第六电阻R6连接至第一运算放大器OP1的输出端，第一运算放大器OP1的反相输入端通过第四电阻接地，并通过第三电阻R3连接至第一运算放大器OP1的输出端，第一运算放大器OP1的同相输入端通过第五电阻接地，第一运算放大器OP1的输出端为所述前置滤波电路的输出端。
通过在并联差分放大器前设置高通滤波电路，可以更加彻底地滤除采集的信号中的低频成分，进一步提高了采集的生物电信号的信噪比。
为了防止采集生物电信号时的静电干扰，在一个实施例中，所述信号调理电路还包括串联在一起的防雷保护电路和瞬态电压保护电路。当电极采集到静电后，瞬态电压保护会将能量导向地面，然后防雷保护电路快速将能量吸收，从而进一步提高了采集的生物电信号的质量。
瞬态电压保护电路可采用TVS二极管，即瞬态电压抑制二极管。该种二极管是一种用于保护电器设备免受导线引入的电压尖峰破坏的电子零件。这种二极管的主要功能是在电路中提供瞬态过电压保护，防止电器设备因电压波动或尖峰而受损。
为了防止潜在的电气噪声、电压浮动等问题对生物电信号智能采集装置造成干扰和损坏，在一个实施例中，在模数转换电路和主控芯片之间还连接有数字隔离器。
数字隔离器可以将输入信号与输出信号之间的电气连接隔离开来，防止潜在的电气噪声、地线干扰、电压浮动等问题对系统造成干扰或损害。数字隔离器可以确保信号传输的完整性和准确性，降低传输错误的风险。
在一个实施例中，在所述采样电极与所述共模信号提取驱动电路的输出端之间连接有右腿驱动电路。
在生理电势测量中，右腿驱动电路常用于生理小信号的检测，如心电、脑电等。其主要作用是抑制电极传输线上的共模干扰，提升共模抑制比CMRR。通过反向放大共模信号并反馈回人体，右腿驱动电路可以有效地降低共模电压，从而提高信号质量。
在一个实施例中，所述供电电路包括储能电池以及与之连接的电源管理芯片。
为了便于对本发明的生物电信号智能采集装置进行控制，所示主控芯片通信连接至人机交互设备。
为了对生物电信号智能采集装置采集的信息进行传输，所述主控芯片的IO管脚连接至USB转串口模块，USB转串口模块连接至USB接口。
通过设置USB输出接口，方便与其他医疗仪器或智能终端设备之间的通信和数据传输，由于是采用有线传输可以保障通信信号的质量。
在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
根据本说明书的上述描述，本领域技术人员还可以理解如下使用的术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”、“中心”、“纵向”、“横向”、“顺时针”或“逆时针”等指示方位或位置关系的术语是基于本说明书的附图所示的方位或位置关系的，其仅是为了便于阐述本发明的方案和简化描述的目的，而不是明示或暗示所涉及的装置或元件必须要具有所述特定的方位、以特定的方位来构造和进行操作，因此上述的方位或位置关系术语不能被理解或解释为对本发明方案的限制。
另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。
虽然本说明书已经示出和描述了本发明的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本发明的过程中，可以采用对本文所描述的本发明实施例的各种替代方案。
Claims (8)
1.一种生物电信号智能采集装置，其特征在于，包括：
激励源，其输出端分别连接至所述多路生物电信号采集装置的各个采样电极以增强采集的生物电信号的幅度，其输入端连接至供电电路；
所述多路生物电信号采集装置，其输出端连接至复用开关电路，以将采集的生物电信号输送至复用开关电路；
所述复用开关电路，其输出端连接至信号调理电路，将与主控芯片下发的地址指令对应的生物电信号输入至所述信号调理电路；
所述信号调理电路，用于提高生物电信号的信噪比和共模抑制比，其输出端连接至模数转换电路的输入端；
所述主控芯片，连接至所述复用开关电路的受控端，以向所述复用开关电路下发地址指令，还连接至模数转换电路，用于接收模数转换电路输出的数字信号并对其进行频率补偿。
2.如权利要求1所述的生物电信号智能采集装置，其特征在于，所述模数转换电路采用∑-Δ型模数转换器，所述信号调理电路包括并联差分放大器，并联差分放大器的输出端分别连接至差分滤波电路的输入端以及共模信号提取驱动电路的输入端，共模信号提取驱动电路的输出端连接至差分滤波电路的公共端，差分滤波电路的输出端连接至∑-Δ型模数转换器的输入端。
3.如权利要求2所述的生物电信号智能采集装置，其特征在于，所述差分滤波电路包括第一电阻、第二电阻、第一电容以及第二电容，其中第一电阻的一端连接至第一电容的第一端，第一电阻的另一端连接至第二电容的第一端，第一电容的第二端连接至第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接至第二电容的第二端。
4.如权利要求2所述的生物电信号智能采集装置，其特征在于，所述信号调理电路还包括设置在并联差分放大器输入端与复用开关电路输出端之间的高通滤波电路，所述高通滤波电路包括第三电容和第一运算放大器，第三电容的一端通过第四电容连接至第一运算放大器的同相输入端，并通过第六电阻连接至第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的反相输入端通过第四电阻接地，并通过第三电阻连接至第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的同相输入端通过第五电阻接地，第一运算放大器的输出端为所述前置滤波电路的输出端。
5.如权利要求1所述的生物电信号智能采集装置，其特征在于，所述信号调理电路还包括串联在一起的防雷保护电路和瞬态电压保护电路。
6.如权利要求1所述的生物电信号智能采集装置，其特征在于，在模数转换电路和主控芯片之间还连接有数字隔离器。
7.如权利要求1所述的生物电信号智能采集装置，其特征在于，在所述采样电极与所述共模信号提取驱动电路的输出端之间连接有右腿驱动电路。
8.如权利要求1～7任意一项所述的生物电信号智能采集装置，其特征在于，所述供电电路包括储能电池以及与之连接的电源管理芯片。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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