体表生物电无线采集装置.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102488510 A (43)申请公布日 2012.06.13 CN 102488510 A *CN102488510A* (21)申请号 201110409319.6 (22)申请日 2011.12.11 A61B 5/04(2006.01) (71)申请人 天津大学 地址 300072 天津市南开区卫津路 92 号 (72)发明人 万柏坤 高旋 许敏鹏 李文 綦宏志 明东 (74)专利代理机构 天津市北洋有限责任专利代 理事务所 12201 代理人 刘国威 (54) 发明名称 体表生物电无线采集装置 (57) 摘要 本发明属于体表生物电采集领域。为提供一 种体表

2、生物电无线采集装置， 解决生物电有线的 采集方式束缚被试活动范围的问题。为达到上述 目的， 本发明采取的技术方案是， 体表生物电无线 采集装置， 结构为 ： 体表生物电电极采集的信号 经过第一级前置放大高通滤波、 第二级低通滤波 放大输出到单刀双掷开关， 单刀双掷开关选择经 过第三级低通滤波放大或直接输出到电压抬升电 路然后送入自带 AD 转换的单片机中进行模数转 换， 单片机将转换后的信号用无线收发模块无线 传输到计算机中， 用 LabVIEW 软件实现体表生物 电信号的显示和存储。本发明主要应用于体表生 物电采集场合。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 7

3、页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 7 页 1/1 页 2 1. 一种体表生物电无线采集装置， 其特征是， 结构为 ： 体表生物电电极采集的信号经 过第一级前置放大高通滤波、 第二级低通滤波放大通过陷波电路输出到单刀双掷开关， 单 刀双掷开关选择经过第三级低通滤波放大、 另一个陷波电路或直接输出到电平抬升电路 然后送入自带 AD 转换的单片机中进行模数转换， 单片机将转换后的信号用无线发模块无 线传输到无线接收芯片， 无线接收芯片再通过另一单片机传输到计算机中， 在计算机中用 LabVIEW 软件实现体表生物电信号的显示和存

4、储， 前置放大电路、 两个低通滤波电路、 两个 陷波电路、 电平抬升电路、 单片机和无线发模块的参考地连到一起 ； 无线接收芯片和另一单 片机参考地连到一起。 2. 如权利要求 1 所述的装置， 其特征是， 第二级低通滤波放大电路的构成为一个放大 器， 前置放大高通滤波的输出连接到该放大器反相输入端， 由并接的电阻、 电容形成负反 馈， 放大器的输出接下级电路。 3. 如权利要求 1 所述的装置， 其特征是， 第二级低通滤波放大与单刀双掷开关间设置 有陷波电路， 陷波电路由串接的两个放大器组成， 两个放大器反相输入端作信号输入， 第一 个放大器输出端与反相输入端之间由电阻进行反馈， 该输出端通

5、过一个电容、 一个可调电 阻、 一个电阻接地。 4. 如权利要求 1 所述的装置， 其特征是， 电压抬升电路由放大器构成， 该放大器同相输 入端接信号输入， 一个经过电阻分压的直流电压也接入同相输入端。 权 利 要 求 书 CN 102488510 A 2 1/3 页 3 体表生物电无线采集装置 技术领域 0001 本发明属于体表生物电采集领域， 涉及一种体表生物电无线采集装置。 背景技术 0002 目前， 生物电放大器都是采用有线的采集方式。在一些特殊的场合下如运动员的 生理检测， 宇航员在训练中的体表生物电采集， 病人自由活动时的体表生物电测量必须摆 脱电线的束缚， 采用无线的采集方式。无

6、线比有线具有系统灵活方便， 有效抑制共模干扰， 浮地设计保证人体安全等优点。但目前没有此类技术方案的报道。 发明内容 0003 本发明旨在克服现有技术的不足， 摆脱电线的束缚， 提供一种体表生物电无线采 集装置， 解决生物电有线的采集方式束缚被试活动范围的问题。为达到上述目的， 本发明 采取的技术方案是， 体表生物电无线采集装置， 结构为 ： 体表生物电电极采集的信号经过第 一级前置放大高通滤波、 第二级低通滤波放大通过陷波电路输出到单刀双掷开关， 单刀双 掷开关选择经过第三级低通滤波放大、 另一个陷波电路或直接输出到电平抬升电路然后送 入自带 AD 转换的单片机中进行模数转换， 单片机将转换

7、后的信号用无线发模块无线传输 到无线接收芯片， 无线接收芯片再通过另一单片机传输到计算机中， 在计算机中用 LabVIEW 软件实现体表生物电信号的显示和存储， 前置放大电路、 两个低通滤波电路、 两个陷波电 路、 电平抬升电路、 单片机和无线发模块的参考地连到一起 ； 无线接收芯片和另一单片机参 考地连到一起。 0004 第二级低通滤波放大电路的构成为一个放大器， 前置放大高通滤波的输出连接到 该放大器反相输入端， 由并接的电阻、 电容形成负反馈， 放大器的输出接下级电路。 0005 陷波电路由串接的两个放大器组成， 两个放大器反相输入端作信号输入， 第一个 放大器输出端与反相输入端之间由电

8、阻进行反馈， 该输出端通过一个电容、 一个可调电阻、 一个电阻接地。 0006 电平抬升电路由放大器构成， 该放大器同相输入端接信号输入， 一个经过电阻分 压的直流电压也接入同相输入端。 0007 本发明具有如下技术效果 ： 0008 本发明是在 Web 服务领域的相关技术基础上， 提出的一种新型的面向移动终端的 应用商店框架， 极大地改善了用户体验。该发明采用用户租赁的运作方式， 用户不再需要 下载安装 / 升级应用， 只需按所需功能， 拖拽应用的快捷方式到桌面即可， 实现真正意义上 的即买即用。同时， 用户还可以对多个应用的快捷方式进行组合搭配， 自定制个性化的类 Mashup 混搭应用。

9、 0009 总之， 本发明使得应用程序不再受操作系统平台的限制， 管理更加方便， 终端上也 不再需要不断地升级应用， 节省电力， 延长终端的使用寿命， 给用户带来酷炫体验。并从理 论和实际应用方面证明了本发明的优越性。 说 明 书 CN 102488510 A 3 2/3 页 4 附图说明 0010 图 1 为本发明的功能框图。 0011 图 2 前置放大电路。两个生物电电极作为差分电极可以用来采集脑电、 肌电和心 电， 脑电时参考电极接耳后乳突 ； 肌电接所测肌肉远端骨头凸起处 ； 心电差分电极放置于 左右手腕处， 参考电极接右腿脚踝。 0012 图 3 低通滤波放大电路图。 0013 图

10、450Hz 工频陷波电路图。 0014 图 5 电平抬升电路。 0015 图 6 为无线收发流程图。 0016 图 7nRF24L01 与 msp430f149 接口电路。 0017 图 8 系统采集界面。 0018 图 9 本发明装置采集的一组静息脑电信号时域与频谱图。 0019 图 1020Hz 闪烁频率时本发明装置采集脑电信号低通滤波后时域与频谱图。 0020 图 1120Hz 闪烁频率时中科新拓公司生物电放大器低通滤波后脑电信号时域与频 谱图。 0021 图 12 正常心电信号。图中， Q 波 ： 除 aVR 导联外， 正常人 Q 波时间小于 0.04 秒， Q 波振幅小于同导联中 R

11、 波的 1/4， 正常人 V1、 V2导联不应出现 Q 波， 但偶尔可呈现 QS 波。 0022 图 13 本装置采集到的心电信号幅频图。 0023 图 14 本装置采集到的股二头肌由静息状态变为运动状态的肌电信号幅频图。 具体实施方式 0024 体表生物电电极采集的信号经过放大滤波和电压抬升送入自带 AD 转换的 msp430f149 单片机中进行模数转换并将信号用无线收发模块 nRF24L01 无线传输到计算机 中， 用 LabVIEW 软件实现体表生物电信号的显示和存储。体表生物电有各自的幅值特点， 需 要放大的倍数不能固定。心电和肌电的幅值可以达到 1mV， 放大的倍数选择 1000

12、倍就能满 足需要 ； 脑电的幅值最高只能达到 100V， 需要更大的放大倍数 10000 倍来实现信号采集 功能。本文采用一个单刀双掷开关放在放大电路的两级放大与三级放大之间。需要三级放 大时则选择， 否则开关直接连接到输出。 0025 6.1EEG 采集 0026 本文自制放大器和北京中科新拓有限公司的 UB-D8FS 型号放大器同时采集同一 脑部区域的20Hz闪烁频率的SSVEP脑电信号， 与用自制放大器采集的一组静息脑电进行频 谱比较， 如图 9-11。 0027 图 9-11 自制放大器静息脑电及自制放大器与新拓放大器同时 SSVEP 实验采集的 脑电数据频谱对比。 0028 通过上述

13、各图能够证明本放大器与新拓放大器采集到的脑电信号的频谱特征基 本相似。 两者能量最大值都在10Hz， 能量值都是3000， 而且在10Hz附近都有两处高的峰值 ； 在 20Hz 处都能有明显的能量高峰， 大小都是 10000 的数量级。同时两个放大器的频谱能量 分布基本相似。两组放大器对 10 个不同被试的多组样本进行上述 SSVEP 实验， 在 20Hz 处 说 明 书 CN 102488510 A 4 3/3 页 5 都能有明显的能量高峰， 同时两个放大器的频谱能量分布基本相似。新拓放大器在临床和 科研试验中得到了广泛应用， 与新拓放大器的脑电数据采集的比较实验能够证明本文自制 放大器能够

14、实现正确的脑电采集功能。 0029 6.2ECG 采集 0030 图 13 是本文自制放大器采集到的心电信号。时域图可以看到心动周期的 P、 Q、 R、 S和T波十分明显。 采集到的心电信号是正常的心电信号， 证明自制放大器能够实现心电信 号采集的功能。 0031 6.3EMG 采集 0032 由于表面肌电信号源是狭长的肌肉， 即使是在相邻部位采集到的肌电信号也会有 一定的差别。 所以采集肌电信号不能像采集脑电信号那样用两个放大器采集相邻部位的肌 电用来比较自制放大器与新拓放大器的信号采集结果。 用自制放大器采集的肌电信号如图 14可以看出， 静息时肌电信号很平滑， 肌肉动作时产生80Hz-9

15、0HZ高频信号。 可以证明放大 器对肌电信号发挥了正确的放大作用， 能够基本满足对肌电信号的采集功用。 0033 6.4 结果分析 0034 通过与新拓放大器脑电采集信号的对比， 以及心电特征信号的采集和运动时产生 的肌电可以证明本文设计的放大器能够实现脑电、 心电和肌电信号的正常采集功能， 得到 的信号幅频特性能够对信号进行数据分析， 满足科研的需要。 0035 如附图所示 ： 体表生物电首先通过生物电专用的电极把生物电信号转换成电压信 号， 送入前置放大(图2)滤去极化电压， 同时前置放大还有电压跟随的作用， 从高阻抗的人 体拾取有效的生物电信号， 这样下一级电路的输入阻抗就接近于 0 ；

16、 自前置放大出来的信 号还有高频干扰和工频干扰， 分别经过截止频率是 160Hz 的低通滤波 ( 图 3) 和 50Hz 陷波 电路 ( 图 4) 滤除， 得到尽可能大信噪比的生物电信号 ； 生物电信号相对于参考电压有正有 负， 而 A/D 模块只能识别正电压信号， 所以需要把生物电信号送入电平抬升电路进行升压 ； 得到的信号再用 msp430f149 单片机自带 AD 模块转换成数字信号， 转换好的信号经单片机 与nRF24L01处理发射出去， 由令一组无线接收电路接收后由串口RS232上传到计算机显示 与储存。 说 明 书 CN 102488510 A 5 1/7 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102488510 A 6 2/7 页 7 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102488510 A 7 3/7 页 8 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 102488510 A 8 4/7 页 9 图 7 图 8 图 9 说 明 书 附 图 CN 102488510 A 9 5/7 页 10 图 10 图 11 说 明 书 附 图 CN 102488510 A 10 6/7 页 11 图 12 图 13 说 明 书 附 图 CN 102488510 A 11 7/7 页 12 图 14 说 明 书 附 图 CN 102488510 A 12