有源降噪的数字电极采集系统及其采集方法与流程

本发明涉及生物电信号采集的数字电极技术领域，尤其涉及一种基于有源降噪用于脑电、心电和肌电的数字电极采集系统及其采集方法。

背景技术：

生物电信号采集设备接触人的皮肤，在皮肤表面的测量电信号通常用于检测各种生理体征，用于健康管理等。可以检测出毫伏甚至微伏量级的生物电，比如可以来测量脑电信号(EEG)、心电信号(ECG)和肌电信号(EMG)。

由跳动的心脏产生的电信号称为心电，是用来评估心脏状态，通过其评估结果可以检测出一些种类的心脏病。由肌肉运动产生的电信号称为肌电，是用来检测神经肌肉活动，通过其评估结果可以检测肌肉萎缩症、周围神经损伤或其他疾病。由大脑思维活动，神经元活动而引起的，透过颅骨在头皮区域产生的电信号是头皮脑电信号。一般脑电电极被放置在头皮区域，用于检测神经系统疾病，如多动症、痴呆、癫痫、抑郁、精神分裂症、听觉神经病变等。

通常情况下，由于脑电信号(EEG)的信号幅度小于心电信号或者肌电信号几十倍到上百倍，所以在硬件角度，脑电信号(EEG)相比其他生物电信号是最难采集的。最常见的脑电采集方法是用有许多Ag/AgCl湿电极的帽子放在头皮上。当阻抗小于10k时，每个电极分别采集各个区域脑电。为了降低阻抗，技术人员通常会去除头皮角质层或使用导电凝胶用于采集。典型的脑电帽是用1米左右导线来连接帽子和采集系统的。仅仅环境电磁场噪声信号就已经是脑电信号的20倍左右。而且，工程师需要在一定的频率范围内从信噪比很差的信号中提取很小的信号(一般在0.05到40Hz)。然后工程师必须在高增益(5000-20000倍)以及高阶滤波器滤波,以确保脑电的信号记录下来进行分析。

通常，这些电信号是通过多个电极测量。其中一个电极是参考电极,另一个测量电极测量的是相对参考电极的电势差。相对的电极之间电压差信号非常小，在微伏量级。为了克服背景噪声，检测出微弱的生理信号，需要进行放大和滤波。通常采用长长的导线连接到放大器来完成放大、滤波和采集，然而这又引入了大量噪声。信号调理设置通常取决于被测生物电生理信号，这个功能通常是由采集系统提供。为了在嵌入式系统中存储信号，并执行数字信号处理算法，如快速傅里叶变换进行频谱分析等,采集的生理模拟信号通常经过放大器后会转换为数字格式。

综上所述，对于生物电传感测量的应用,原始信号从电极到采集系统之间的传输长导线无论是在噪声引入、硬件滤波和系统软件程序中，测量获取的数据准确性均存在很多问题。首先,导线可类比天线接收器接收环境无线信号，接收了庞大杂散的背景噪音。信号通过采集系统的滤波器来限制背景噪音,但是这过程中,滤波器同样的掩盖或改变一定的脑电信号；其次，由于在阻抗线路上有一定的信号损失,长的传导线导致被检测信号准确性非常差。

因微弱的电信号的测量受到的干扰极大，目前这些问题严重影响了生物传感的发展。因此,亟待出现一种适合临床使用的降噪电极,达到改善信噪比并获得准确性高的检测信号的目的。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供了一种有源降噪的数字电极采集系统及其采集方法，通过有源降噪电极在接近采集点将信号进行放大、过滤和模数转换，最终输出较小噪声的数字信号。

为实现以上目的，本发明提供了如下技术方案：

一种有源降噪的数字电极采集系统，其特征在于，包括控制器和至少一个有源降噪数字电极：

所述控制器连接所述至少一个有源降噪数字电极并分时选择接通一个有源降噪数字电极或者两个以上有源降噪数字电极；

所述有源降噪数字电极用于采集身体的电信号，并将所述电信号处理转换为数字信号，再将所述数字信号输出至所述控制器。

2.根据权利要求1所述的有源降噪的数字电极采集系统，其特征在于，所述电信号包括脑电信号、心电信号、肌电信号中的一种或多种。

优选地，控制器连接电极数据选择器，所述电极数据选择器连接所述至少一个有源降噪数字电极，控制器通过控制电极数据选择器选择接通不同的有源降噪数字电极。

优选地，有源降噪数字电极包括工作电极、信号提取单元、模数转换器和电源单元，其中：

所述工作电极包括用于采集身体的测量电信号的采集电极以及提供标准电信号的参考电极；

所述信号提取单元连接所述工作电极提取所述测量电信号并进行放大和滤波，所述信号提取单元连接所述模数转换器；

所述模数转换器用于将所述信号提取单元的电信号转换为数字信号；

所述电源单元用于为所述信号提取单元和模数转换器提供电压。

优选地，信号提取单元包括依次连接的仪用放大器、有源低通滤波器、有源高通滤波器和可变增益放大器；所述工作电极的输出端连接所述仪用放大器，所述可变增益放大器连接数字电位器，所述数字电位器为所述可变增益放大器提供可变增益。所述电源单元包括为所述信号提取单元提供稳定电压的模拟电压基准源和为所述模数转换器提供稳定电压的数字电压基准源。

优选地，模拟电压基准源的一输出端连接基准参考源，所述基准参考源的一输出端连接所述采集电极的输出端，所述基准参考源的另一输出端连接所述参考电极的输出端，所述采集电极和参考电极的输出端连接仪用放大器的输入端；

所述基准参考源用于为所述仪用放大器提供参考电压，包括一运算放大器和缓冲器。

优选地，工作电极包括导电材料制成的纤维导电布或电镀层，所述导电材料为银、氯化银和/或金、导电聚合物。

优选地，至少一个有源降噪数字电极的输出端通过一根数字信号输出导线连接控制器，所述控制器包括无线射频模块，所述无线射频模块用于与外部设备进行无线通信。

优选地，控制器包括时钟控制模块，所述时钟控制模块连接所述电极数据选择器和全部有源降噪数字电极，所述时钟控制模块用于高速同步控制数据。

本发明还提供了一种有源降噪的数字电极采集方法，具体包括以下步骤：

S1：通过控制器控制分时接通至少一个有源降噪数字电极；

S2：有源降噪数字电极采集身体的电信号；有源降噪数字电极通过工作电极采集身体的测量电信号的采集电极，通过参考电极获得身体的标准电信号；

有源降噪数字电极通过连接工作电极的信号提取单元提取所述测量电信号并进行放大和滤波；

最后通过模数转换器将信号提取单元的电信号转换为数字信号。；

S3：有源降噪数字电极将所述电信号处理转换为数字信号，再将所述数字信号输出至所述控制器。

与现有技术相比，本发明提供的有源降噪的数字电极采集系统及其采集方法，具有以下有益效果：

本发明提供的有源降噪的数字电极采集系统及其采集方法，通过将信号放大、滤波和模数转换功能集合在接近采集接触点的每一个有源降噪数字电极上，在最接近采集点的地方采集并用数字化方法转变采集的生理电波信号，从而降低了噪音，改善了信噪比并获得准确性较高的检测信号，提高了测量信号准确度，保证了最终的处理及分析结果的正确可靠性。在生理电波记录中，增强了信噪比。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例的有源降噪的数字电极采集系统的结构示意图；

图2是本发明实施例有源降噪的数字电极采集系统的有源降噪数字电极的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

下面结合附图和示例性实施例对本实用新型作进一步地描述，其中如果已知技术的详细描述对于示出本实用新型的特征是不必要的，则将其省略。

为了解决目前生物电传感测量过程中出现的庞大杂散的背景噪音及信号损失，本发明实施例通过改进现有的信号采集系统获得信号放大、滤波和模数转换，并且使这一过程尽可能的靠近采集接触点。将信号放大、滤波和模数转换功能集合在接近采集接触点的每一个有源降噪数字电极上，

在最接近采集点的地方采集并用数字化方法转变采集的生理电波信号，从而降低了噪音，改善了信噪比并获得准确性较高的检测信号，提高了测量信号准确度，保证了最终的处理及分析结果的正确可靠性。在生理电波记录中，增强了信噪比。

具体的，本发明实施例提供了一种有源降噪的数字电极采集系统包括控制器20和至少一个有源降噪数字电极10。其中：

控制器20连接至少一个有源降噪数字电极10并分时选择接通一个有源降噪数字电极10或者两个以上有源降噪数字电极10；

有源降噪数字电极10用于采集身体的电信号，并将电信号处理转换为数字信号，最后将数字信号输出至控制器20。每一个有源降噪数字电极10均采集一位置区域。

所述身体的电信号包括脑电信号、心电信号和/或肌电信号。

另一种优选的实施例，图1是本发明实施例的有源降噪的数字电极采集系统的结构示意图，如图1所示，控制器20连接电极数据选择器30，电极数据选择器30连接至少一个有源降噪数字电极10，控制器20通过控制电极数据选择器30接通有源降噪数字电极10。

通过电极数据选择器30选择有源降噪数字电极10，将其数字化的信号输入到控制器20中，在最接近采集点的地方采集并用数字化方法转变采集的生理电波信号，从而降低了噪音，改善了信噪比。在生理电波记录中，增强了信噪比。

图2是本发明实施例有源降噪的数字电极采集系统的有源降噪数字电极的结构示意图。有源降噪数字电极10是一个包含高分辨率模数(A/D)转换器的电极，每一个有源降噪数字电极10均包含一个独立的高分辨率模数转换器19。如图2所示，有源降噪数字电极10包括工作电极、信号提取单元、模数转换器19和电源单元。其中：

工作电极包括用于采集身体的测量电信号的采集电极11以及提供标准电信号的参考电极12；

信号提取单元连接工作电极提取测量电信号并进行放大和滤波，信号提取单元连接模数转换器19；

模数转换器19用于将信号提取单元的电信号转换为数字信号；

电源单元用于为信号提取单元和模数转换器19提供电压。

如图2所示，信号提取单元包括依次连接的极高输入阻抗仪用放大器13、有源低通滤波器15、有源高通滤波器16和可变增益放大器17；工作电极的输出端连接所述输入阻抗仪用放大器13。

电源单元包括为信号提取单元提供稳定电压的模拟电压基准源20和为模数转换器19提供稳定电压的数字电压基准源21。具体的，如图2所示，模拟电压基准源20为基准参考源14、有源低通滤波器15、有源高通滤波器16、可变电压增益放大器17提供低噪声电源保障；数字电压基准源21为模数转换器19和数字电位器18提供电源保障。

其中，模拟电压基准源20的一输出端连接基准参考源14，基准参考源14的一输出端连接采集电极11的输出端，基准参考源14的另一输出端连接参考电极12的输出端，采集电极11和参考电极12的输出端连接输入阻抗仪用放大器13的输入端；

输入阻抗仪用放大器13用于将测量电信号进行差分放大，采集电极11和参考电极12的差分电位利用极高输入阻抗仪用放大器13被放大，输入阻抗仪用放大器13采用固定增益输出，基准参考源14提供作为参考电压。基准参考源14由一个运算放大器构成，同时采用一个缓冲器来提供低阻抗基准。

有源低通滤波器15用于测量电信号的滤波和选频；有源高通滤波器16用于消除电极补偿电位及电极电位漂移；

可变增益放大器用于将有源高通滤波器16处理的信号进行放大，可变增益放大器17连接数字电位器18，实际应用中，数字电位器18为可变增益放大器17提供可变增益。

较佳的，有源降噪数字电极10的工作电极包括导电材料制成的纤维导电布或电镀层，导电材料为银、氯化银和/或金、或聚合物导电材料。

工作电极的采集电极11测量的是相对参考电极12的电势差，在实际应用中，通常采用湿电极传导，如表面使用应用盐水或导电凝胶进行传导；不过特殊的，在我们应用系统中，更优先采用新材料电极，系统可兼容多材料干湿电极。

参见图2，每一个有源降噪数字电极10在控制器20的串行控制总线22上使能工作，利用串行控制总线22输出控制信号控制数据转换器23选择电极进行使能。

控制器20还包括时钟控制模块，时钟控制模块连接电极数据选择器30和全部有源降噪数字电极10输出时钟信号。时钟控制模块通过控制器20的时钟信号传输线25连接电极数据选择器30和全部有源降噪数字电极10，用于高速同步控制所有数据。

有源降噪数字电极10的输出端均通过一根数字信号输出导线24连接控制器20的数字信号输出接口，进而将数字信号传输至控制器20。所有的有源降噪数字电极10使用同一数字信号输出导线24，通过分时选择电极输出减少了导线数量，减少了干扰。

在通信线路的外侧包裹有导管27，导管27中的通信线路可以是双向通信的电信号或者是光纤信号。

另一种实施例，在以上技术方案基础上，控制器20还包括无线射频模块，无线射频模块用于与外部设备进行数据的无线通信，方便了采集结果的显示及用户的使用。

本发明还提供了一种有源降噪的数字电极采集方法，具体包括以下步骤：

S1：通过控制器控制分时接通至少一个有源降噪数字电极；

S2：有源降噪数字电极采集身体的电信号；

S3：有源降噪数字电极将所述电信号处理转换为数字信号，再将所述数字信号输出至所述控制器。

其中，所述步骤S2中还包括：有源降噪数字电极通过工作电极采集身体的测量电信号的采集电极，通过参考电极获得身体的标准电信号；

有源降噪数字电极通过连接工作电极的信号提取单元提取所述测量电信号并进行放大和滤波；

最后通过模数转换器将信号提取单元的电信号转换为数字信号。

以上仅为本发明较佳实施例，并不用于局限本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均需要包含在本发明的保护范围之内。