CN1316940C

CN1316940C - 生物电检测电路及其检测方法

Info

Publication number: CN1316940C
Application number: CNB2004100190835A
Authority: CN
Inventors: 林凌; 李刚
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2024-04-26
Also published as: CN1568891A

Abstract

本发明公开了一种生物电检测电路及其检测方法，属于物电检测领域，尤其是应用在医疗仪器上的生物电测量技术。生物电检测电路包括通过导线依次连接的用于采集生物电信号的电极、具有过压保护和简单滤波功能的输入保护电路、∑-Δ型模数转换器和存有数字频谱补偿程序的智能控制装置，智能控制装置用于对∑-Δ型模数转换器输出的数字信号进行频率补偿。生物电检测方法，包括采集生物电信号和对采集的生物电信号进行滤波数字滤波等步骤。本发明的生物电检测电路通过数字频谱补偿程序对数字信号进行频率补偿，可避免∑-Δ型模数转换器频响差的影响，同时利用∑-Δ型模数转换器的高分辨率、高输入阻抗检测生物电，结构极为简单、不需调试、性能优异。

Description

生物电检测电路及其检测方法

技术领域

本发明涉及生物电检测领域，尤其是应用在医疗仪器上的生物电测量技术。

背景技术

生物电的检测在医学研究和临床诊断上具有重要的应用价值，已有许多生物电检测仪器在临床上得到广泛的应用，如心电图机、脑电图机等等。但由于生物电信号微弱，又常常存在许许多多的严重干扰信号，许多人仍然在进行生物电信号的检测方法和电路的研究。刘松等人提出了一种监护仪用心电放大器(医疗卫生装备.1995年第2期，3～6)，A.C.MettingVan Riji等(High-quality recording of bio-electric events.Med.& Bio.Eng.& Comput.，1990，28：389-397、D.W.McRobbie等(Rapid recovery physiological preamplifier withoutAC coupling capacitor.Med.& Bio.Eng.& Comput.，1990，28：198-200等(I.A.Dotsinsky，et al.，Multi-channel DC amplifier for a microprocessor electrocardiograph.Med.&Bio.Eng.& Comput.，1991，29：324-329)也提出了多种生物电信号检测放大器或电路的设计。李刚等提出了多种生物电放大器(一种低噪声前置放大器的设计，中国医疗器械杂志，第13卷第1期，1989：18-19；12导D/AC反馈型心电信号放大器的研究，仪器仪表学报，第21卷第5期，pp124-126，2000年10月；高性能多通道生物电放大器，天津大学学报，第33卷第5期，2000年9月；高共模抑制比前置放大器，中国专利，申请号：02129065.2)。

上述各种形式的生物电放大器在不同程度上存在结构复杂、工艺性差和性能尚不够理想等问题。许多新型∑-Δ型模数转换器具有高达24位的转换分辨率和10⁸Ω的输入阻抗以及差动输入模式，可以用于微弱低频信号的直接采集，但∑-Δ型模数转换器存在速度慢、频响差的不足，直接采用∑-Δ型模数转换器检测生物电信号时往往存在着较严重的失真。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服上述现有技术的不足，提供一种直接转换生物电信号并且失真小的生物电检测电路，实现电路简单、动态范围大、输入阻抗高、不需调试、工艺性好、性能优异的无放大器生物电信号检测电路；本发明所要解决的另一技术问题是，提供直接转换生物电信并且失真小的生物电检测方法。

为了解决上述技术问题是，本发明的生物电检测电路，它包括通过导线依次连接的用于采集生物电信号的电极、具有过压保护和简单滤波功能的输入保护电路、∑-Δ型模数转换器和存有数字频谱补偿程序的智能控制装置，智能控制装置用于对∑-Δ型模数转换器输出的数字信号进行频率补偿。

作为上述技术方案的一种改进，所述智能控制装置运行数字频谱补偿程序时，执行如下步骤：

a、采集∑-Δ型模数转换器输出的数字信号，并判断是否已采集N个数据，若判断结果为否，则继续进行该步骤；

b、若a步骤的判断结果为是，则对数据进行一次补偿计算，即对采集的N个数据数据进行付立叶变换，得到N个数据的频谱；

c、把频谱与补偿函数相乘；

d、对c步骤得到的乘积进行反付立叶变换，得到补偿后的数字信号并输出。

作为上述技术方案的另一种改进，所述智能控制装置运行数字频谱补偿程序时，执行如下步骤：

a、采集∑-Δ型模数转换器输出的数字信号，并判断是否已采集1个新数据，若判断结果为否，则继续进行该步骤；

b、若a步骤的判断结果为是，则对数据进行补偿计算，即计算h_(i)·x_(n-1)；

c、求和计算得到得到补偿后的数字信号y_(n)；

d、判断是否计算完N个数据，若判断结果为否，则返回b步骤；

e、若d步骤的判断结果为是，退出。

所述的N为1024。

所述存有数字频谱补偿程序的智能控制装置是CPU微处理器。

所述存有数字频谱补偿程序的智能控制装置是微控制器。

所述存有数字频谱补偿程序的智能控制装置是微型计算机。

本发明的第一种生物电检测方法，包括采集生物电信号和对采集的生物电信号进行滤波步骤，其特征在于，它还包括以下步骤：

c、把频谱与补偿函数相乘；

本发明的第二种生物电检测方法，包括采集生物电信号和对采集的生物电信号进行滤波步骤，其特征在于，它还包括以下步骤：

c、求和计算得到得到补偿后的数字信号y_(n)；

e、若d步骤的判断结果为是，退出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、本发明的生物电检测电路通过数字频谱补偿程序对数字信号进行频率补偿，可避免∑-Δ型模数转换器频响差影响，输出的数字信号失真小；2、利用∑-Δ型模数转换器的高分辨率、高输入阻抗检测生物电，直接转换生物电信号，实现无信号调理放大的生物电数据采集，从而实现了一种结构极为简单、不需调试、性能优异和工艺性极好的生物电检测方法和电路。

附图说明

图1为本发明生物电检测电路的系统构成方框图；

图2为本发明的第一种生物电检测方法的数字频谱补偿程序方框图；

图3为本发明的第二种生物电检测方法的数字频谱补偿程序方框图；

图4为补偿前、后的频谱特性同曲线图。

附图标记：1为电极，2为导联线，3为输入保护电路，4为∑-Δ型模数转换器，5为CPU微处理器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

本发明生物电检测电路的实施例一：

如图1所示，生物电检测电路包括电极1、导联线2、输入保护电路3、∑-Δ型模数转换器4和智能控制装置，上述组成部件通过导线依次。其中电极1的用于采集生物电信号，输入保护电路3具有过压保护和简单滤波功能，∑-Δ型模数转换器用于把模拟的生物电信号转换成高分辨率的数字信号，智能控制装置存有数字频谱补偿程序，用于对∑-Δ型模数转换器输出的数字信号进行频率补偿。本实施例中的智能控制装置为CPU微处理器5。运行数字频谱补偿程序时，CPU微处理器5执行如下步骤：

a、采集∑-Δ型模数转换器输出的数字信号，并判断是否已采集1024个数据，若判断结果为否，则继续进行该步骤；

c、把频谱与补偿函数相乘；

d、对c步骤得到的乘积进行反付立叶变换，得到实偿后的数字信号并输出。

本发明生物电检测电路的实施例二：

与本发明生物电检测电路的实施例一相比，区别仅在于用微控制器代替CPU微处理器5作为智能控制装置。

本发明生物电检测电路的实施例三：

与本发明生物电检测电路的实施例一相比，区别仅在于用微型计算机代替CPU微处理器5作为智能控制装置。

生物电信号由电极和导联输入，经过输入保护电路再输入到∑-Δ型模数转换器，由∑-Δ型模数转换器把模拟的生物电信号转换成高分辨率的数字信号，通过数字信号滤波器即数字频谱补偿程序，对生物电信号进行频率补偿，最后得到一定带宽的、通带响应平坦的生物电信号。

本发明的工作原理如下，信号的采集是通过一组生物电极完成的，它采集的是生物电信号，信号通过导联线传输到为输入保护电路，输入保护电路的作用是防止出现过高的电压损坏电路和进行简单的滤波，而后信号由∑-Δ型模数转换器转换成高分辨率的数字信号，该数字信号通过智能控制装置，如CPU微处理器、微控制器或微型计算机内存储的数字频谱补偿程序，进行数字信号滤波处理，依据∑-Δ型模数转换器的频响特性和所要求信号响应特性对生物电信号进行频率补偿，最后得到一定带宽的、通带响应平坦的生物电信号，见图4。

本发明结合和充分发挥∑-Δ型模数转换器和数字滤波器的特点，实现了一种直接转换生物电信号并且失真小的生物电检测电路及其方法，实现电路简单、动态范围大、输入阻抗高、不需调试、工艺性好、性能优异的无放大器生物电信号检测电路。可实现生物电信号检测系统的集成化、数字化和自适应化。

本发明第一种生物电检测方法的实施例：

图2所示本发明的一种生物电检测方法的数字频谱补偿程序方框图，根据SINC³滤波器的幅频特性，使用FFT方法直接在频域进行补偿，然后计算其反傅立叶变换，得到补偿后的数据。将每1024个心电数据分成一段，设为x_(n)，对它做1024点的FFT，结果为X_(k)。用∑-ΔADC的传递函数(即SINC³滤波器的幅频特性)构造频域补偿函数H(k)(即SINC³滤波器的幅频特性与补偿函数H_(k)的乘积在通带内是平坦的)，则补偿后的信号y_(n)为：

y(n)＝IFFT(X(k)×H(k))＝IFFT(FFT(x(n))×H(k))

式中：IFFT是反快速傅立叶变换(FFT)，x_(n)是∑-ΔADC得到的信号，X_(k)是x_(n)的频谱，H_(k)是∑-ΔADC的传递函数(即SINC³滤波器的幅频特性)。实现上式的计算机流程图见图2。

微处理器在每采集到1024个数据后进行一次补偿计算：先计算新采集到的1024个数据的频谱(计算FFT)，再把频谱与补偿函数相乘，最后对乘积作IFFT，得到补偿后的1024个数据。也可以是每采集到512、2048或4096个数据后进行一次补偿计算。图4为补偿前、后的频谱特性同曲线图。

本实施例中，生物电检测方法包括采集生物电信号和对采集的生物电信号进行滤波步骤，还包括以下步骤：

b、若a步骤的判断结果为是，则对数据进行一次补偿计算，即对采集的1024个数据数据进行付立叶变换，得到N个数据的频谱；

c、把频谱与补偿函数相乘；

其中，采集生物电信号的步骤由上述检测电路的电极实现；对采集的生物电信号进行滤波步骤的由上述检测电路的输入保护电路实现；a至d步骤由上述检测电路的存有数字频谱补偿程序的CPU微处理器5实现。

如生物电检测电路中，智能控制装置为微控制器或微型计算机，则上述a至d步骤由存有数字频谱补偿程序的微控制器或微型计算机实现。

本发明第二种生物电检测方法的实施例：

图3所示本发明另一种生物电检测方法的数字频谱补偿程序方框图，该方法是通过FIR滤波器，用该滤波器与原始数据进行卷积运算。若要有好的补偿效果，一般FIR滤波器的系数会越多，计算量就越大。设滤波器参数为h_(k)，个数为N，则FIR滤波输出为：

y(n)＝h(0)·x(n)+h(1)·x(n-1)+...+h(N-1)·x(n-(N-1))

对于每一个y_(n)都要计算N次乘法和N次加法。对频域补偿函数补以线性相位后做IFFT即可得出补偿函数的时域冲击响应h_(k)。若由图3-13所示补偿函数求出h_(k)，由于陷波带宽很窄，h_(k)将会很长；若去掉陷波，只进行SINC³补偿，虽然取较少数目的h_(k)即可进行很好的补偿，但同时未滤除干净的50Hz干扰也会进一步增大。因此我们首先对原始心电信号进行四点平均滤波，此时50Hz基本滤除干净，但四点平均也造成了信号频带带宽的下降，这时也要同时对其进行补偿，设计FIR滤波器如图3-15所示。该FIR滤波器为255个整系数滤波器，且滤波器放大了256倍(与原始信号卷积后要除以256，直接舍弃最低字节即可)，其频谱特性如图3-16。可见，该FIR滤波器不仅能对SINC³进行补偿，同时能够补偿由于四点平均造成的幅值下降。

另外，该滤波器为整系数滤波器，在运算时仅进行整数乘法和加法运算。并且该FIR滤波器左右对称，由此可将卷积公式进行简化，即

y (n) = {Σ_{i = 0}^{(N - 1) / 2 - 1} [x (n + i) + x (n + (N - 1) - i)] \times h (i)]}

+ x (n + (N - 1) / 2) \times h ((N - 1) / 2)

N＝255，n＝0，1，2，3...

在h_(k)中，有很多为1字节数，其中有些是1，2，-1，-2等简单数据，因此，根据这些数可简单的进行运算，不使用统一的乘法运算，这样可大大加快运算速度。使用该滤波器对心电信号进行滤波后结果如图3-17。

本实施例中，生物电检测方法包括采集生物电信号和对采集的生物电信号进行滤波步骤，其特征在于，它包括以下步骤：

c、求和计算得到得到补偿后的数字信号y_(n)；

e、若d步骤的判断结果为是，退出；

其中，采集生物电信号的步骤由上述检测电路的电极实现；对采集的生物电信号进行滤波步骤的由上述检测电路的输入保护电路实现；a至d步骤由上述检测电路的存有数字频谱补偿程序的CPU微处理器实现。

Claims

1、一种生物电检测电路，它包括通过导线依次连接的用于采集生物电信号的电极、具有过压保护和简单滤波功能的输入保护电路、∑-Δ型模数转换器和存有数字频谱补偿程序的智能控制装置，智能控制装置用于对∑-Δ型模数转换器输出的数字信号进行频率补偿，其特征在于，所述智能控制装置运行数字频谱补偿程序时，执行如下步骤：

c、把频谱与补偿函数相乘；

2、根据权利要求1所述的一种生物电检测电路，其特征在于，所述智能控制装置运行数字频谱补偿程序时，执行如下步骤：

b、若a步骤的判断结果为是，则对数据进行补偿计算，即计算h(i)·x(n-1)；

c、求和计算得到得到补偿后的数字信号y(n)；

e、若d步骤的判断结果为是，退出。

3、根据权利要求1所述的一种生物电检测电路，其特征在于，所述的N为1024。

4、根据权利要求1所述的一种生物电检测电路，其特征在于，所述存有数字频谱补偿程序的智能控制装置是CPU微处理器。

5、根据权利要求1所述的一种生物电检测电路，其特征在于，所述存有数字频谱补偿程序的智能控制装置是微控制器。

6、根据权利要求1所述的一种生物电检测电路，其特征在于，所述存有数字频谱补偿程序的智能控制装置是微型计算机。

7、一种生物电检测方法，包括采集生物电信号和对采集的生物电信号进行滤波步骤，其特征在于，它还包括以下步骤：

c、把频谱与补偿函数相乘；

8、一种生物电检测方法，包括采集生物电信号和对采集的生物电信号进行滤波步骤，其特征在于，它还包括以下步骤：

c、求和计算得到得到补偿后的数字信号y(n)；

e、若d步骤的判断结果为是，退出。