RO130037B1 - Echipament pentru achiziţia biosemnalelor cu reţea de electrozi activi - Google Patents

Description

Invenția se referă la un echipament pentru achiziția biosemnalelor cu rețea de electrozi activi, care utilizează pentru măsurarea biosemnalelor electrozi activi, iar încorporat în carcasa electrodului se află o parte a circuitului electronic de condiționare a biosemnalului prelevat, unde electrozii activi reprezintă nodurile unei rețele de comunicații de date.

Se cunosc mai multe echipamente pentru măsurarea biosemnalelor simultan în mai multe puncte. Acestea diferă între ele prin modul de prelevare și condiționare a semnalului măsurat, modul de transmisie a informațiilor, configurația comunicației, protocolul de comunicații, planificarea proceselor. Aceste soluții prezintă dezavantajul unei complexități ridicate, grad redus de utilizare a timpului procesor, echilibru fragil între planificarea controlată de timp și cea controlată de evenimente, și timp de transmisie a datelor neoptimizat.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în optimizarea și eficientizarea timpului de transmisie a datelor, concomitent cu diminuarea perturbațiilor și a zgomotelor.

Echipamentul pentru achiziția biosemnalelor cu rețea de electrozi activi se constituie din mai mulți electrozi activi care formează o rețea distribuită de noduri de măsurare, având o configurație de tip cluster la nivelul magistralei de linie, clusterul electrozilor activi comunică cu structurile superioare prin intermediul nodului central, care este un procesor de operare cu rolul de poartă de acces, un dispozitiv de control cu funcție de cuplor, electrozii activi care formează nodurile rețelei de măsurare sunt conectați în paralel, folosind 6 semnale electrice care alcătuiesc împreună magistrala de linie a rețelei de măsurare.

Electrodul activ este format din semnalul de intrare EAi care, împreună cu semnalul de referință REF, se aplică, prin intermediul unui filtru trece sus, la intrarea unui amplificator instrumental, a cărui ieșire este aplicată prin intermediul unui filtru activ trece bandă la o intrare a unui alt amplificator instrumental, la cealaltă intrare se aplică modulului tensiunea de referință furnizată de către generator, la ieșirea celui de-al doilea amplificator instrumental se aplică, prin intermediul unui filtru trece jos, la intrarea amplificatorului cu câștig programabil, ieșirea căruia se aplică la intrarea unui convertor analog-digital de tip Sigma-Delta; semnalul de mod comun SMC furnizat de către amplificatorul instrumental este trecut printr-un amplificator operațional în montaj repetor și însumat cu un rezistor R la semnalul de magistrală SSMC, modulul tensiune de referință furnizează potențialul de referință canalului analogic de condiționare a biosemnalului măsurat, iar pentru transmiterea la procesorul de operare a datelor obținute la ieșirea convertorului analog-digital, respectiv pentru a programa câștigul amplificatorului, se folosește un canal serial de transmisie de date pe două fire, cu linia de date IIC_DAT și semnalul de ceas IIC_CLKProcesorul de operare este format dintr-un semnal de intrare de referință ER care prelevează semnalul ce se aplică la intrarea unui amplificator operațional repetor, la ieșirea căruia se obține semnalul de referință REF al magistralei de linie, suma semnalelor de mod comun SSMC se aplică la intrarea negativă a amplificatorului operațional, la intrarea pozitivă aplicându-se tensiunea de referință furnizată de către modulul generatorului de tensiune de referință, semnalul de ieșire al amplificatorului operațional se aplică electrodului DRL, care se aplică pe pielea corpului, procesorul de operare mai este prevăzut cu o sursă de alimentare ce furnizează și tensiunea de alimentare U_AUM+ și U_AUM_ pentru magistrala de linie, o unitate centrală de procesare cu microcontroler, care controlează magistrala de linie prin intermediul canalului serial de comunicații, care poate să fie, de exemplu, de tip MC, în același timp, unitatea centrală comunică serial cu modulul de transmisie radio prin circuitul de tip antenă cu cuplorul de rețea.

Cuplorul de rețea este format dintr-un modul de transmisie radio ce comunică prin circuitul de tip antenă cu procesorul de operare, o unitate centrală de procesare cu microcontroler, care, prin intermediul canalului serial de comunicații, controlează funcția USB ce comunică cu un modul gazdă USB al unui calculator PC, acesta furnizând tensiunea de alimentare necesară funcționării cuptorului și un bloc de memorie de date, în vederea stocării temporale a datelor vehiculate pe magistrală.

RO 130037 Β1

Echipamentul pentru achiziția biosemnalelor cu rețea de electrozi activi prezintă 1 următoarele avantaje:

- costuri de cablare reduse, instalare și întreținere ușoară; 3

- interfațare ușoară între modulele echipamentului de măsurare;

- miniaturizare și portabilitate ridicată; 5

- reducerea dimensiunilor fizice ale echipamentului de măsurare;

- posibilitatea integrării echipamentului în sisteme mobile de măsurare; 7

- posibilitatea utilizării echipamentului în sistemele dedicate interfețelor creier-calculator (BCI). 9

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției, în legătură și cu fig. 1 ...5, care reprezintă: 11

- fig. 1, schema bloc a echipamentului pentru achiziția biosemnalelor cu rețea de electrozi activi; 13

- fig. 2, structura rețelei distribuite de elecrozi activi pentru măsurarea biosemnalelor;

-fig. 3, schema bloc detaliată a unui electrod activ de măsurare a biosemnalelor care 15 reprezintă un nod în rețeaua de achiziție a biosemnalelor;

- fig. 4, schema bloc detaliată a procesorului de operare; 17

- fig. 5, schema bloc detaliată a unui cuplor activ pentru controlul traficului de rețea.

Datorită impedanței de contact variabile, a existenței tensiunilor de polarizare la nivel 19 de contact, a fluctuației imprevizibile a tensiunii de decalaj, precum și a nivelului de zgomot comparabil cu nivelul semnalului util, măsurarea biosemnalelor la nivelul pielii poate cauza 21 numeroase probleme. Limitările metodelor de explorare ale acestor biosemnale, deci posibilitatea de extragere a cât mai multor informații din semnale, depinde de calitatea metodelor 23 și a soluțiilor utilizate în circuitul de măsurare a biosemnalelor. Structura unui circuit de măsurare a biosemnalelor este formată din 6 blocuri funcționale: 25

1. Electrozi neinvazivi folosiți pentru prelevarea biosemnalelor: reprezintă interfața dintre mediul biologic și aparatul de măsurare care trebuie să asigure impedanță de contact 27 cât mai redusă și mai stabilă, tensiune de polarizare între metal și piele cât mai redusă, respectiv fluctuația în timp a polarizării electrodului cât mai redusă. 29

2. Condiționarea analogică a biosemnalului: se realizează printr-un lanț de amplificare și filtrare analogică, ce are ca efect aducerea semnalului la parametrii (amplitudine, 31 frecvență) optimi ai convertorului analog-digital, respectiv reducerea zgomotelor și compensarea erorilor introduse de electrozi. 33

3. Condiționarea digitală a biosemnalului: se realizează în primă fază prin convertorul analog-digital, care transformă semnalul analogic continuu, în semnal discret digitizat în timp 35 și valoare. Transformările aplicate sunt: eșantionarea (discretizare în timp), cuantificarea (discretizare în amplitudine), respectiv digitizarea (codare binară) a semnalului. 37

4. Procesorul numeric: execută o preprocesare a semnalelor digitale obținute, înainte de transmiterea lor la un modul central de analiză, prelucrare, stocare, interpretare și utilizare 39 globală a datelor. De asemenea, modulul procesor are rolul de a coordona funcționarea întregului lanț de achiziție de semnale. 41

5. Datele preprocesate trebuie să ajungă la destinație folosind un canal de comunicație adecvat, utilizând un protocol eficient de comunicație de date. în condițiile unui echi- 43 pament mobil de măsurare, canalul de comunicație trebuie să fie fără fir.

Circuitul electric care se plasează pe suprafața corpului, la nivelul pielii în cazul 45 măsurării biosemnalelor prin metode neinvazive, poate fi clasificată, în funcție de structura electronică conținută, în una din următoarele categorii de circuite: 47

a) Electrod pasiv de măsurare: electrod de măsurare a biosemnalelor, care nu conține componente electronice, numai firul metalic de contact, prin care se conectează la 49 un circuit electronic de condiționare aflat la o distanță oarecare de punctul de măsurare.

RO 130037 Β1

b) Electrod activ de măsurare: electrod pentru măsurarea biosemnalelor, care conține (încorporat în carcasa electrodului) o parte a circuitului electronic de condiționare a biosemnalului prelevat.

c) Senzor inteligent de măsurare: electrod pentru măsurarea biosemnalelor, care conține (încorporat în carcasa electrodului), pe lângă circuitul electronic de condiționare analogică și digitală a biosemnalului prelevat, și o unitate centrală de procesare realizată cu un microcontroler de mică sau medie complexitate, care conferă inteligență tehnică circuitului.

d) Nod independent de măsurare: electrod pentru măsurarea biosemnalelor, care conține (încorporat în carcasa electrodului), pe lângă circuitul electronic de condiționare analogică și digitală a biosemnalului prelevat, respectiv unitatea centrală de procesare realizată cu un microcontroler de mică sau medie complexitate, care conferă inteligență tehnică circuitului și un circuit de transmisie fără fir a datelor achiziționate, pe baza unui protocol de comunicare încorporat în firmware.

e) Modul inteligent de măsurare: nod independent de măsurare a biosemnalelor care este încorporat în carcasa electrodului, pe lângă circuitul electronic de condiționare analogică și digitală a biosemnalului prelevat; unitatea centrală de procesare realizată cu un microcontroler de medie sau mare complexitate, care conferă inteligență tehnică circuitului; circuit și protocol de transmisie fără fir a datelor achiziționate care mai conține și un circuit și protocol de autotestare, autocalibrare și modificare a principalilor parametri tehnici (amplificare, bandă de frecvență, poli de filtrare, frecvența de eșantionare etc.)

f) Echipament de măsurare: modul inteligent complex de măsurare a biosemnalelor, sau rețea de senzori inteligenți, noduri independente, sau module inteligente de măsurare biosemnale.

Echipamentul pentru achiziția biosemnalelor cu rețea de electrozi activi, conform invenției, se încadrează în categoria b), electrod activ de măsurare.

în majoritatea cazurilor de măsurare a biosemnalelor, acestea sunt prelevate simultan din mai multe puncte de măsurare, de la 3...12 puncte în cazul măsurărilor EMG, până la 60...120 puncte de măsurare în cazul măsurărilor EEG și ECG. Proiectarea unui sistem distribuit de măsurare modern implică utilizarea unor tehnici și modele adecvate de comunicație, adaptate cerințelor specifice din mediul biologic. Informațiile pot fi transmise în două moduri:

- prin conexiuni (legături cablate) dedicate, între circuitul electric care se plasează pe suprafața corpului și echipamentul ierarhic superior (sistemul de prelucrare, interpretare, control, calculator);

- prin rețea de comunicație ce leagă toate elementele unui sistem de măsurare a biosemnalelor. Aceasta poate să fie realizată prin conectarea elementelor din rețea cu sau fără fir (wireless).

Comunicația în rețea prezintă o serie de avantaje în comparație cu transmisia prin legături dedicate: costuri de cablare mai mici, o singură interfață pe dispozitiv, instalare și întreținere ușoară, și extindere facilă. Există mecanisme de detecție și de corecție a erorilor de transmisie, datele transmise pot fi complexe, iar transmisia se poate face la distanțe mai mari. Echipamentele conectate în rețea trebuie să dispună însă de o inteligență minimă pentru a putea implementa protocolul de comunicație. Un nod de rețea se compune dintr-un circuit inteligent (microcontroler, procesor de semnal sau procesor de semnale mixte), unul sau mai multe circuite de măsurare și un circuit specializat de transmisie și recepție a datelor. în circuitul inteligent se înscrie un program care implementează protocolul de comunicație în rețea și procedura de achiziție și stocare temporară a datelor. Topologia de tip magistrală unică este varianta cea mai utilizată pentru aplicații de măsurare, deoarece conectarea nodurilor este ușoară prin legarea în paralel a canalelor de comunicație.

RO 130037 Β1

Echipamentul pentru achiziția biosemnalelor cu rețea de electrozi activi conform 1 invenției este alcătuit din mai mulți electrozi activi care formează o rețea distribuită de noduri de măsurare, având o configurație de tip grup (cluster) la nivelul magistralei de linie, clusterul 3 electrozilor activi comunică cu structurile superioare prin intermediul nodului central printr-un canal de comunicații cu fir, iar nodul central comunică cu structurile superioare printr-un 5 canal de comunicații fără fir. în cadrul clusterului, nodurile comunică între ele pe aceeași magistrală cu fir, structura superioară a echipamentului de achiziții de biosemnale fiind un 7 dispozitiv cuplor conectat la un calculator central.

Echipamentul pentru achiziția de biosemnale cu rețea de electrozi activi conform 9 invenției (fig. 1) este alcătuit din mai mulți electrozi activi 1...128 (fig. 3), care formează o rețea distribuită de noduri de măsurare, având o configurație de tip grup (cluster) la nivelul 11 magistralei de linie (fig. 2). Clusterul electrozilor activi comunică cu structurile superioare prin intermediul nodului central 129, care este un procesor de operare cu rolul de trecere 13 (gateway) printr-un canal de comunicații cu fir, iar nodul central comunică cu structurile superioare printr-un canal de comunicație fără fir (fig. 4). în cadrul clusterului, nodurile comunică 15 între ele pe aceeași magistrală cu fir, pentru a schimba informații de sincronizare, calibrare, stabilire a nivelului de referință și a derivațiilorîn cazul măsurătorilor bipolare. Structura supe- 17 rioară a echipamentului de achiziții de biosemnale este un calculator de tip PC, dar poate fi un calculator de proces, un PLC (Programmable Logic Controller), o interfață HMI (Human 19 Mashine Interface), o interfață BCI (Brain Computer Interface), sau un dispozitiv de control bazat pe microcontroler, sau FPGA. Dispozitivul de control poate să fie un dispozitiv cuplor 21 130, dacă la rândul lui este conectat la un calculator 131 central. în acest caz, cuplorul are rolul de trecere (gateway) între magistrala de comunicație cu nodurile de măsurare, respectiv 23 canalul de comunicație cu calculatorul. Cuplorul 130 controlează și gestionează traficul de rețea, cu sau fără ajutorul calculatorului 131, pe baza unui protocol implementat, realizează 25 adaptarea fizică a semnalelor între două standarde de linie diferite, adaptarea de protocol și eventual izolarea galvanică a celor două linii de comunicații (fig. 5). Cuplorul 130 poate să 27 fie de tip pasiv (fără inteligență proprie), dacă realizează doar o adaptare fizică și este supervizat de calculator 131, sau poate să fie activ (cu inteligență proprie), în cazul în care este 29 capabil să realizeze adaptarea de protocol și funcția temporală de server de date. în acest caz, cuplorul 130 degrevează calculatorul 131 de detaliile protocolului cu rețeaua distribuită 31 de electrozi activi, comunicația între calculatorul 131 și cuplorul 130 fiind implementată utilizând un protocol simplu punct la punct. 33

Electrozii activi care formează nodurile rețelei de măsurare, respectiv procesorul de operare, sunt conectați în paralel, folosind 6 semnale electrice care alcătuiesc împreună 35 magistrala de linie a rețelei de măsurare: suma semnalelor de mod comun SSMC. Aceasta reprezintă valoarea însumată a semnalelor de mod comun SMC furnizate de către fiecare 37 electrod activ conectat în rețea: semnalul de referință REF care reprezintă valoarea semnalului prelevat de către electrodul de referință ER și trecut printr-un amplificator opera- 39 țional repetor în vederea reducerii impedanței, semnalele canalului serial de comunicație IIC_DAT și IIC_CLK și tensiunea de alimentare U_AUM+ și U_AUM_. 41

Electrodul activ, care reprezintă un nod al rețelei de măsurare, este format din electrodul 1 EAi. Semnalul provenit de la acesta, împreună cu semnalul de referință REF sunt 43 aplicate, prin intermediul unui filtru 2 trece sus, la intrarea unui amplificator 4 instrumental, a cărui ieșire este aplicată prin intermediul unui filtru 5 activ trece bandă la o intrare a unui 45 alt amplificator 6 instrumental. La cealaltă intrare se aplică o tensiune de referință furnizată de către generatorul 11 tensiune de referință. Ieșirea celui de-al doilea amplificator 6 instru- 47 mental se aplică prin intermediul unui filtru 7 trece jos, la intrarea unui amplificator 8 cu câștig

RO 130037 Β1 programabil, ieșirea căruia se aplică la intrarea unui convertor 9 analog-digital de tip Sigma-Delta. Semnalul de mod comun SMC furnizat de către amplificatorul 4 instrumental este trecut printr-un amplificator 3 operațional în montaj repetor și însumat cu un rezistor R, la semnalul de magistrală SSMC. Generatorul 11 tensiune de referință furnizează potențialul de referință canalului analogic de condiționare a biosemnalului măsurat. Pentru transmiterea la procesorul de operare a datelor obținute la ieșirea convertorului 9 analog-digital, respectiv pentru a programa câștigul amplificatorului 8, se folosește un canal 10 serial de transmisie de date pe două fire, de exemplu notate IIC, cu linia de date IIC_DAT și semnalul de ceas nc_CLK.

Procesorul de operare, care reprezintă nodul central al rețelei de măsurare, este format din electrodul 21 de referință ER care prelevează semnalul de referință ce se aplică la intrarea unui amplificator 22 operațional repetor, la ieșirea căruia se obține semnalul de referință REF al magistralei de linie. Suma semnalelor de mod comun SSMC se aplică la intrarea negativă a amplificatorului 23 operațional. La intrarea pozitivă se aplică tensiunea de referință furnizată de către generatorul 25 de tensiune de referință. Semnalul de ieșire al amplificatorului 23 se aplică electrodului 4 DRL, care se aplică pe pielea corpului. Procesorul de operare este prevăzut cu o sursă 26 de alimentare cu baterie sau cu alimentare exterioară, care furnizează și tensiunea de alimentare U_AUM+ și U_AL,_M_ pentru magistrala de linie. De asemenea, procesorul de operare este prevăzut cu o unitate 27 centrală de procesare cu microcontroler, care controlează magistrala de linie prin intermediul canalului 28 serial de comunicații, care poate să fie de tip MC. în același timp, unitatea 27 centrală comunică serial cu modulul 29 de transmisie radio, pentru comunicarea fără fir- prin circuitul 30 de tip antenă - cu cuplorul de rețea pentru transmisia datelor achiziționate și vehicularea semnalelor de comandă, control și sincronizare.

Cuplorul de rețea este format din modulul 32 de transmisie radio, pentru comunicarea fără fir - prin circuitul 31 antenă - cu procesorul de operare, în vederea recepționării datelor achiziționate și vehicularea semnalelor de comandă, control și sincronizare. Cuplorul de rețea este prevăzut cu o unitate 33 centrală de procesare cu microcontroler, care, prin intermediul canalului 34 serial de comunicații, controlează funcția 35 USB care comunică cu modulul gazdă USB al unui calculator 38 PC. Modulul gazdă furnizează, prin intermediul funcției 35 USB, tensiunea de alimentare necesară funcționării cuptorului. Unitatea 33 centrală controlează un bloc 37 de memorie de date, în vederea stocării temporale a datelor vehiculate pe magistrala fără fir.

Claims (4)

1. Revendicări 1

   1. Echipament pentru achiziția biosemnalelorcu rețea de electrozi activi, caracterizat 3 prin aceea că este alcătuit din mai mulți electrozi activi care formează o rețea distribuită de noduri de măsurare, având o configurație de tip cluster la nivelul magistralei de linie, clusterul 5 electrozilor activi comunicând cu structurile superioare prin intermediul nodului central, care este un procesor de operare cu rolul de poartă de acces, un dispozitiv de control cu funcție 7 de cuplor, iar electrozii activi care formează nodurile rețelei de măsurare sunt conectați în paralel, folosind 6 semnale electrice care alcătuiesc împreună magistrala de linie a rețelei 9 de măsurare.
2. 2. Echipament pentru achiziția biosemnalelor cu rețea de electrozi activi, conform 11 revendicării 1, caracterizat prin aceea că electrodul activ este format din semnalul (1) de intrare EAi care, împreună cu semnalul de referință REF, se aplică prin intermediul unui filtru 13 (2) trece sus, la intrarea unui amplificator (4) instrumental, a cărui ieșire este aplicată prin intermediul unui filtru (5) activ trece bandă la o intrare a unui alt amplificator (6) instrumental, 15 la cealaltă intrare se aplică modulului (11) tensiunea de referință furnizată de către generator, la ieșirea celui de-al doilea amplificator (6) instrumental se aplică prin intermediul unui filtru 17 (7) trece jos, la intrarea amplificatorului (8) cu câștig programabil, ieșirea căruia se aplică la intrarea unui convertor (9) analog-digital de tip Sigma-Delta, semnalul de mod comun SMC 19 furnizat de către amplificatorul (4) instrumental este trecut printr-un amplificator (3) operațional în montaj repetor și însumat cu un rezistor R la semnalul de magistrală SSMC, modulul 21 (11) tensiune de referință furnizează potențialul de referință canalului analogic de condiționare a biosemnalului măsurat, iar pentru transmiterea la procesorul de operare a datelor 23 obținute la ieșirea convertorului (9) analog-digital, respectiv pentru a programa câștigul amplificatorului (8), se folosește un canal (11) serial de transmisie de date pe două fire, cu 25 linia de date IIC_DAT și semnalul de ceas IIC_CLK.
3. 3. Echipament pentru achiziția biosemnalelor cu rețea de electrozi activi, conform 27 revendicării 1, caracterizat prin aceea că procesorul de operare este format dintr-un semnal (21) de intrare de referință ER care prelevează semnalul ce se aplică la intrarea unui ampli- 29 ficator (22) operațional repetor, la ieșirea căruia se obține semnalul de referință REF al magistralei de linie, suma semnalelor de mod comun SSMC se aplică la intrarea negativă 31 a amplificatorului (23) operațional, la intrarea pozitivă aplicându-se tensiunea de referință furnizată de către modulul (25) generatorul de tensiune de referință, semnalul de ieșire al 33 amplificatorului (23) operațional se aplică electrodului (24) DRL, care se aplică pe pielea corpului, procesorul de operare mai este prevăzut cu o sursă (26) de alimentare ce furni- 35 zează și tensiunea de alimentare U_AUM+ și U_AL,_M_ pentru magistrala de linie, o unitate centrală de procesare (27) cu microcontroler, care controlează magistrala de linie prin intermediul 37 canalului (28) serial de comunicații, care poate să fie, de exemplu, de tip MC, iar în același timp, unitatea (27) centrală comunică serial cu modulul (29) de transmisie radio prin circuitul 39 (11) de tip antenă cu cuplorul de rețea.
4. 4. Echipament pentru achiziția biosemnalelor cu rețea de electrozi activi, conform 41 revendicării 1, caracterizat prin aceea că respectivul cuplor de rețea este format dintr-un modul (32) de transmisie radio ce comunică prin circuitul (31) de tip antenă cu procesorul de 43 operare, o unitate (33) centrală de procesare cu microcontroler, care, prin intermediul canalului (34) serial de comunicații, controlează funcția USB (35) ce comunică cu un modul gazdă 45

   USB al unui calculator PC (38), acesta furnizând tensiunea de alimentare necesară funcționării cuptorului și un bloc (37) de memorie de date, în vederea stocării temporale a datelor 47 vehiculate pe magistrală.