RO130091B1 - Echipament pentru măsurarea biosemnalelor - Google Patents

Description

Invenția se referă la un echipament pentru măsurarea biosemnalelor de pe suprafața pielii, de nivel scăzut, acoperite de zgomot.

Datorită impedanței de contact variabile, existenței tensiunilor de polarizare la nivel de contact, fluctuației imprevizibile a tensiunii de decalaj, precum și nivelului de zgomot comparabil cu nivelul semnalului util, interfața piele-electrod poate cauza numeroase probleme. Posibilitatea de extragere a cât mai multor informații din semnale depinde de calitatea metodelor și a soluțiilor utilizate în echipamentul de măsurare a biosemnalelor.

Se cunosc mai multe tipuri de echipamente pentru măsurarea biosemnalelor prin metode neinvazive [M. Teplan, Fundamentals of EEG measurement, Measurement Science Review, Voi. 2, Sec. 2, 2002, Slovak Academy of Sciences, Institute of Measurement Science], De asemenea, se cunosc mai multe dispozitive de măsurare a biosemnalelor prezentate în diferite brevete de invenții [WO 9737590, “EEG based activation system”, 16.10.1997], [WO 2005094674, “Active, multiplexed digital electrodes for EEG, ECG and EMG applications”, 13.10.2005], [US 5206602, “Biomedical amplifier circuit”, 27.04.1993], [US 2011066054 A1, “Method and electronic medical device for simultaneously measuring an impedance and a biopotential signal”, 07.03.2011], [US 2002113651 A1, “Instrumentation amplifier”, 22.08.2002], Acestea diferă între ele în modul de condiționare a semnalului analogic, rejecția perturbațiiIor exterioare, monitorizarea parametrilor tehnici, conversia analog-numerică a semnalului măsurat, procesarea numerică a informației. Aceste soluții prezintă dezavantajul unei sensibilități mai mari la zgomotele externe, la artefactele de măsurare (de exemplu, la artefactele de mișcare), la semnalele de mod comun puternice (de exemplu, rețeaua electrică de alimentare de 50 Hz). Pe de altă parte, aceste echipamente prezintă module electronice (logică cablată) cu parametri fixați la proiectare și/sau nu utilizează semnale de reacție sau de control din partea unității centrale. Echipamentul nu mai poate fi modificat în vederea obținerii altor funcțiuni, decât prin reproiectare integrală. Structura este rigidă, aparatul fiind specializat strict pentru un tip de algoritm de măsurare.

Problema pe care o rezolvă invenția constă în rejecția puternică a perturbațiilor rețelei de alimentare, și compensarea variațiilor semnalului util datorită artefactelor de mișcare. Alte probleme rezolvate de invenție constau în: corectarea rapidă a saturației amplificatorului pentru artefacte de tensiune la intrare, și reducerea zgomotului introdus de canalul analogic, prin procesări numerice și reacție negativă; rejecția suplimentară a tensiunii de alimentare, prin sinteza direct digitală a tensiunii sinusoidale de 50 Hz, și scăderea acesteia din semnalul măsurat pe baza unui algoritm implementat software; programarea nivelului câștigului de tensiune, respectiv, caracteristica de filtrare a canalului de măsurare; rejecția suplimentară a perturbațiilor tensiunii de alimentare (a perturbațiilor de mod comun), prin aplicarea semnalului de mod comun pe tensiunile de alimentare ale amplificatorului instrumental de măsurare.

Echipamentul pentru măsurarea biosemnalelorde nivel scăzut, de pe suprafața pielii, acoperite de zgomot, conform invenției, este prevăzut cu un amplificator de instrumentație cu intrare diferențială, la care se aplică biosemnalul prelevat cu electrozii de măsurare (electrodul activ, respectiv, electrodul de referință), și trecut printr-un filtru de impulsuri electromagnetice. Semnalul de mod comun se aplică la intrarea unui amplificator operațional în montaj repetor de tensiune, ieșirea căruia se aplică la intrarea unor sumatoare în vederea rejectării din tensiunile de alimentare a perturbațiilor de mod comun, respectiv, se aplică unui sumator pentru formarea semnalului DRL, prin intermediul unui amplificator operațional.

RO 130091 Β1

Semnalul de la ieșirea amplificatorului instrumental se aplică la intrarea unui sumator pentru 1 corecția suplimentară a perturbațiilor rețelei de alimentare de 50 Hz. în continuare semnalul util se aplică la intrarea unui amplificator cu câștig programabil, iar semnalul analogic obținut 3 la ieșirea acestuia este convertit în semnal digital, cu ajutorul unui modulator delta-sigma și al unui filtru digital programabil. Un al doilea amplificator instrumental este utilizat pentru a 5 măsura semnalul de control obținut în urma suprapunerii peste semnalul de mod comun al electrodului DRL, a semnalului generat de o sursă de tensiune sinusoidală cu frecvența de 7 10 kHz. Semnalul de la ieșirea celui de-al doilea amplificator instrumental este trecut printr-un filtru activ trece bandă de 10 kHz, și se aplică împreună cu semnalul sursei de 9 tensiune sinusoidale la intrările unui demodulator sincron. Semnalul de la ieșirea demodulatorului (măsura variației impedanței electrod piele) este convertit în semnal digital 11 de către un convertor analog digital. Controlul echipamentului, reglările numerice, respectiv, prelucrările numerice ale semnalelor măsurate sunt rezolvate de către unitatea centrală de 13 procesare, realizată cu un microcontroler de complexitate medie, cu număr limitat de terminale, și cu generator de tact precis, comandat de un cristal de cuarț. în afară de 15 prelucrarea semnalelor măsurate, procesorul UCP generează semnalul de comandă pentru comutarea prin intermediul unui comutator a constantei de timp de integrare a primului 17 amplificator instrumental; generează, prin sinteza direct digitală a tensiunii sinusoidale de 50Hz, semnalul care se aplică, prin intermediul unui convertor analog digital și a unui filtru 19 trece bandă de 50Hz, sumatorului de la ieșirea primului amplificator instrumental; generează semnalul de comandă și control pentru modulatorul delta-sigma; generează semnalul de 21 comandă și control pentru amplificatorul cu câștig programabil.

Echipamentul pentru măsurarea biosemnalelor de nivel scăzut de pe suprafața pielii, 23 acoperite de zgomot, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:

- obținerea unui factor de rejecție a semnalului de mod comun deosebit de mare; 25

- obținerea compensării avansate a artefactelor de mișcare;

- posibilitatea de calibrare a offsetului tensiunii de intrare și a câștigului de tensiune; 27

- monitorizarea online a stării electrozilor aplicați pe piele;

- rejecția ridicată a perturbațiilor tensiunii de rețea (50Hz);29

- precizia mare de măsurare, rezoluția de conversie analog-digitală foarte mare (22-24 biți);31

- posibilitatea utilizării echipamentului în diferite aplicații, prin simpla schimbare a programului microcontrolerului (a algoritmului de comandă și control);33

- posibilitatea integrării echipamentului în sisteme mobile de măsurare;

- posibilitatea utilizării echipamentului în sistemele dedicate interfețelor 35 creier-calculator (BCI).

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu fig. 1 și 2, ce 37 reprezintă:

- fig. 1, schema bloc a echipamentului pentru măsurarea de pe suprafața pielii a 39 biosemnalelor de nivel scăzut, acoperite de zgomot;

- fig. 2, schema electronică generală a unui echipament pentru măsurarea de pe 41 suprafața pielii a biosemnalelor de nivel scăzut, acoperite de zgomot.

Echipamentul de măsurare a biosemnalelor conform invenției este prevăzut cu un 43 amplificator de instrumentație AI1 1, la care se aplică biosemnalul prelevat cu electrozii de măsurare EA (electrod activ) și ER (electrod de referință), și trecut prin filtrul de impulsuri 45 electromagnetice FILT IEM 3. Semnalul de mod comun SMC se aplică la intrarea unui amplificator operațional în montaj repetor de tensiune AOR 4, ieșirea căruia se aplică 47

RO 130091 Β1 sumatoarelor S1 6 și S2 7, pentru rejecția suplimentară din tensiunile de alimentare a perturbațiilorde mod comun, respectiv, sumatorului S3 8, pentru formarea semnalului DRL, prin amplificatorul operațional AO 5. Semnalul de la ieșirea Al 1 1 se aplică sumatorului S4 9 pentru corecția suplimentară a perturbațiilor rețelei de alimentare de 50 Hz. în continuare, semnalul util se aplică la intrarea amplificatorului cu câștig programabil ACP10, iar semnalul analogic obținut la ieșire este convertit în semnal digital s3 cu ajutorul modulatorului delta sigma 14 și al filtrului digital programabil 15. Un al doilea amplificator instrumental AI2 2 este utilizat pentru a măsura semnalul de control obținut în urma suprapunerii peste semnalul de mod comun al electrodului DRL, a semnalului generat de o sursă de tensiune sinusoidală cu frecvența de 10 kHz, STS 10 kHz 19. Semnalul de la ieșirea amplificatorului AI2 2 se trece printr-un filtru activ trece bandă de 10 kHz, FATB 10 kHz 16, și se aplică împreună cu semnalul STS 10 kHz 19 unui demodulator sincron 17. Semnalul de la ieșirea demodulatorului 17 (măsura variației impedanței electrod piele) este convertit în semnal digital s6 de către convertorul analog digital CAD 18. Controlul echipamentului, reglările numerice, respectiv, prelucrările numerice ale semnalelor măsurate sunt rezolvate de către unitatea centrală de procesare UCP 20, realizată cu un microcontroler de complexitate medie, cu număr limitat de terminale, și cu generator de tact precis, comandat de un cristal de cuarț Q 21. în afară de prelucrarea semnalelor măsurate s3 și s6, procesorul UCP 20 generează semnalul de comandă s1 pentru comutarea prin comuntatorul K1 11 a constantei de timp a circuitului de integrare din bucla de reacție a amplificatorului AI1 1; generează semnalul s2 prin sinteza direct digitală a tensiunii sinusoidale de 50 Hz, care se aplică sumatorului S4 9 prin intermediul convertorului analog digital 13 CDA și al filtrului trece bandă 12 de 50 Hz; generează semnalul de comandă și control s4 pentru modulatorul delta-sigma 14; generează semnalul de comandă și control s5 pentru amplificatorul ACP 10.

Claims (6)

1. Revendicări 1

   1. Echipament de măsurare biosemnale, caracterizat prin aceea că este alcătuit 3 dintr-un amplificator Al 1 (1) pentru amplificarea unui semnal diferențial prelevat de pe un electrod activ (EA) și un electrod de referință (ER), și un amplificator AI2 (2) pentru 5 amplificarea unui semnal de control obținut în urma suprapunerii peste semnalul de mod comun (SMC) al unui electrod DRL, a semnalului generat de o sursă de tensiune sinusoidală 7 (19), cu frecvența de 10 kHz, semnalul de mod comun (SMC) suprapunându-se peste tensiunile de alimentare ale primului amplificator instrumental Al 1 (1). 9
2. 2. Echipament de măsurare biosemnale, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, în vederea corectării rapide a saturației amplificatorului instrumental în cazul 11 artefactelor la intrare, se modifică constanta de timp a circuitului de integrare din bucla de reacție a amplificatorului instrumental Al 1 (1) folosit pentru amplificarea semnalului diferențial 13 prelevat de pe electrozi (EA, ER).
3. 3. Echipament de măsurare biosemnale, conform revendicării 1, caracterizat prin 15 aceea că, pentru detectarea variațiilor impedanței de contact electrod-piele, se folosește un demodulator sincron (17) urmat de un convertor analod-digital (18) și un filtru de mediere 17 adaptiv, realizat prin software, la intrările demodulatorului (17) aplicându-se semnalul unei surse de tensiune sinusoidală (19), respectiv, semnalul de reacție măsurat după aplicarea 19 semnalului sursei de tensiune sinusoidală (19) pe electrodul DRL.
4. 4. Echipament de măsurare biosemnale, conform revendicării 1, caracterizat prin 21 aceea că, pentru conversia analog-digitală a semnalului măsurat, se utilizează un modulator delta-sigma cu supraeșantionare (14), urmat de un filtru digital trece jos (15) cu frecvența de 23 tăiere programabilă, și un decimator realizat prin software.
5. 5. Echipament de măsurare biosemnale, conform revendicării 1, caracterizat prin 25 aceea că rejectarea suplimentară a perturbației introduse de tensiunea rețelei de alimentare, conversia ei digital-analogică și scăderea ei din semnalul măsurat pe baza unui algoritm 27 implementat software se realizează prin sinteza direct digitală a tensiunii sinusoidale de

   50 Hz. 29
6. 6. Echipament de măsurare biosemnale, conform revendicărilor 1, 2, 3 și 4, caracterizat prin aceea că toate comenzile și reglările modulelor funcționale ale echipa- 31 meniului de măsurare, comanda comutatorului pentru schimbarea constantei de timp de integrare, controlul filtrului digital programabil, controlul modulatorului delta-sigma, controlul 33 convertoarelor analog-digitale și digital-analogice se realizează la nivelul aceluiași microcontroler încorporat. 35