从生物电信号中去除噪声的装置和方法
【专利说明】从生物电信号中去除噪声的装置和方法
[0001]相关申请
[0002]该申请要求2013年2月I日提交的申请号为13/757，604的美国专利申请的优先权，并通过引用将其全部内容并入本文中。
技术领域
[0003]本发明一般涉及用于数字转换器中的自适应噪声消除的系统，尤其涉及用于消除可能包含高速瞬时或非周期性成分的信号(例如，生物电信号)中的噪声的系统。
【背景技术】
[0004]某些生物试验涉及对细胞或细胞膜生成的生物电信号进行测量和分析。这种生物电信号可以在细胞中自然生成，例如在打开或关闭离子通道活动的过程中生成，或者对施加到细胞膜或部分细胞膜上的刺激作出响应而生成。这种刺激可以是电刺激或者可以是化合物的添加或细胞环境的变化。微电极感测到的生物电信号作为电特性(例如，电阻抗、电压、电流)的变化。通常，对微电极提供的模拟信号进行采样从而生成表示该模拟信号的数字数据流的数值。可在分析前对该数字数据流进行处理，从而去除存在于包含数字数据流在内的数值中的噪声成分。
[0005]来自生物电源的作为对刺激的响应的信号通常包括电特性的快速转换。此外，这种信号容易受到来自运行在微电极附近的其它电气设备的电噪声的影响。来自这种电气设备的噪声通常是周期性的，其频率与本地电源的频率(例如，在美国为60Hz，在世界上的多数其它地区是50Hz)及其谐波频率相同。尽管可使用典型的自适应噪声消除(ANC)单元来将这些电噪声从生物电信号中过滤掉，但是这种典型的ANC单元会对生物电信号中的快速转换做出反应，因此会试图去除ANC单元的带宽内的与这种转换相关联的频率成分。这种试图去除与快速转换相关联的频率成分会在ANC单元的输出中引入非自然信号(artifact)，直到ANC适应了信号的转换后的状态为止。
【发明内容】
[0006]提供了一种从生物电信号中去除噪声的方法。从生物电测试探针接收主模拟信号，并接收选通信号。该方法还包括步骤:生成与来自所述生物电测试探针的所述主模拟信号相关联的主数据流，并通过从所述主数据流中去除估计噪声成分来生成输出数据。该方法还包括步骤:只有选通信号指示出所述主模拟信号是在没有生物电活动的周期中采集的，才根据所述主信号来对估计噪声成分进行更新。
[0007]还提供了一种从生物电信号中去除噪声的装置。该装置包括主模数转换器(ADC)单元，其根据从生物电测试探针接收到主模拟信号来生成主数据流。该装置还包括接收选通信号的选通模块以及自适应噪声消除(ANC)单元。ANC单元通过将估计的噪声成分从所述主数据流中去除来生成输出数据流，并且只有选通信号指示出主模拟信号是在没有生物电活动的周期中采集的，所述ANC单元才根据主信号来对估计噪声成分进行更新。
[0008]通过考虑下面的详细描述，本发明的其它方面和优点将会变得清晰。
【附图说明】
[0009]图1是用于采集和处理生物电信号的系统的系统示意图；
[0010]图2是图1的系统的数字转换器的一个实施例的系统示意图；
[0011]图3是图2的数字转换器实施例的选通模块的系统示意图；
[0012]图4A是图2的数字转换器实施例的重构模块的一个实施例的系统示意图；
[0013]图4B是图2的数字转换器实施例的重构模块的另一个实施例的系统示意图；
[0014]图5A是图1的系统的控制器的一个实施例所进行的处理的流程图；
[0015]图5B是图1的系统的控制器的一个实施例所进行的处理的流程图；
[0016]图6图示了通过图2的数字转换器实施例的ANC单元去除噪声；以及
[0017]图7是图2的数字转换器实施例的ANC单元的一个实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0018]参照图1，生物电信号采集系统50包括控制器100、数字转换器装置102和测试探针104(例如微电极)。此外，生物电信号采集系统的用户界面106允许用户向控制器100提供采集参数。电源108为数字转换器102提供线性电源，需要时，还向生物电信号采集系统的其它组件提供线性电源。通常，控制器100引导测试探针104开始从测试样本(例如，细胞)中采集信号，并将采集的信号提供给数字转换器102。数字转换器102将来自测试探针104的模拟信号转换为数字数据流的数值。对于本领域内的技术人员而言显而易见的是，在数字转换器102接收如此修改后的信号前，一个或多个中间设备(未示出)，例如放大器，可对来自测试探针104的信号进行接收和修正。本文将这种修正信号描述为从测试探针104接收到。此外，数字转换器102可对数字数据流的数值进行处理，例如，对原始信号中的电噪声进行估计，并滤除数字数据流中可能存在的噪声成分。
[0019]在一个实施例中，控制器100可向数字转换器102提供选通信号，该选通信号表示:来自测试探针104的模拟信号是否是样本中的生物电活动的结果，并且其中是否会具有快速转换或高频率生物电成分。如果选通信号指出通过测试探针104采集的信号可能包括由于生物电活动产生的成分，则数字转换器102的噪声消除电路并不包括这种信号，来对要从来自测试探针的信号中过滤掉的噪声的估计进行更新。另一方面，如果选通信号指出该信号不包括与生物电活动相关联的成分，则该信号被用于对来自测试探针104的信号中存在的噪声的估计进行更新。对噪声的估计基本上实时更新，并且被用于从根据来自测试探针104的信号产生的数字数据流中去除噪声成分，不论测试探针104是在生物电活动周期中捕捉到该信号或者是在没有生物电活动的周期中捕捉到该信号。如上所述，在噪声的估计中不含有生物电活动周期中生成的信号的情况，避免了在这些信号中存在的快速转换和频率分布干扰噪声估计并因此在数字转换器102的输出中引入不需要的非自然信号。
[0020]对数字数据流进行处理从而过滤掉其中的噪声后，数字转换器102将这些处理后的数据流提供给控制器100或其它设备(未示出)，用于显示给操作员或用于进一步分析。
[0021]在一些实施例中，数字转换器102可具有多个输入通道，并且每个输入通道可与一个测试探针104或其它信号源相关联。在一些实施例中，数字转换器102可同时从多个单独的数字数据流中移除噪声，其中每个这种数据流是对测试探针104或数字转换器102的特定输入通道上的其它信号源提供的模拟信号进行采样而的结果。此外，在一些实施例中，用户可通过控制器100指出数字转换器是否要从测试探针104或其它信号源提供的信号的基频、该信号的一个或多个谐频、或者它们的组合中去除噪声。
[0022]参照图2，数字转换器102的一个实施例包括主模数转换(ADC)单元200、线性ADC单元202和ANC单元204。主ADC单元200对来自测试探针104的模拟信号进行采样从而产生数字数据流的数值。线性ADC单元202对来自电源108的信号进行采样从而生成表示基准信号的数字数据流的数值。
[0023]具体地，主ADC单元200的ADC模块206连续地对一个或多个测试探针104提供给数字转换器102的信号进行采样。在一些实施例中，ADC模块206可以是16位ADC并以500K个样本每秒(KSPS)的速率进行采样。应当明白，可将ADC模块206配置为以不同的速率采样和/或生成不同位长的数值。在一些实施例中，操作员可选择用于噪声过滤的输入通道，并且在被数字转换器102提供给控制器100或其它组件(未示出)之前，该输入通道上接收到的信号被滤除掉噪声。图2展示了对数字转换器102的一个输入通道上接收到的信号进行的处理。图2的部件可以被复制并且并行运行来对从额外通道接收到的信号进行处理，这对于本领域技术人员来说应该是显而易见的。此外，数字转换器102可将在未被选作噪声过滤的通道上接收到的信号的采样提供给控制器100或其它部件(未示出)，以用于进行显示或进一步分析，这对于本领域技术人员来说应该是显而易见的。
[0024]主ADC单元206通过对选作噪声过滤的输入通道上接收的信号进行采样而生成每个数字数据流的数值，缩放和校准单元208对该数值进行缩