可穿戴式生物信号采集装置的制作方法

本发明涉及生物光学技术领域，具体涉及一种可穿戴式生物信号采集装置。

背景技术：

现有的光学检测或者光电传感技术已经日趋成熟，其前端电路主要包括光源LED控制部分与光电二极管(PD)探测电路部分的设计，将光学监测或者光电传感技术应用于人体，光学生物传感技术不断应用于医疗保健行业。随着健康、医疗保健水平的不断提高，可穿戴式的医疗设备、医疗器械越来越被广泛关注，为人们的日常生活、健康保健提供保驾护航，其中可穿戴式光学生物传感技术正是其中的关键。

可穿戴式光学生物传感，主要用于测量心率、血氧饱和度、HRV变异性、血压、以及其它人体功能参数等等。然而生物传感的应用场景、人体的光电传感往往比较复杂，主要表现在人体运动、人体肤色、人体皮肤组织、人体阻抗等等对光电转换的影响，而且因人而异、不同年龄阶段、不同时间均表现出特异性。表现在电路设计中，需要解决弱光电信号放大、信号噪声、信号直流偏移、光源的恒流可编程调节控制、光源的切换控制等等问题，并且在应用过程中需要进行电路参数的调节以适应不同人体、不同时段等等造成的特异性。

现有的用于测量心率、血氧饱和度、HRV变异性、血压、以及其它人体功能参数等的可穿戴光学生物传感装置，如图1所示，光电传感一般包含光源与探测两部分设计，光源的控制采用“压控恒流”的方式，需要采用数模转换器(DAC)，进行精确的输出电压可编程调节控制。光电传感采用光电二极管进行光电转换之后，再经跨阻放大转化为电压信号，还需要经过滤波与再次放大，最终进行模数转换器(ADC)转化成数字信号，以便后续数字电路的运算与处理。整个系统的构成还需要包含微控制器(Microcontroller)、LCD显示、人机交互按钮或触摸屏、蜂鸣器报警、蓝牙(Bluetooth)通信、电源管理、电池电量管理等。

这种可穿戴式设备，需要解决重大问题就是体积与功耗的限制，采用传统的设计方法设计前端模拟电路部分，首先需要对电路结构、参数进行设计，包括互阻抗放大器(TIA)电路、滤波放大电路、“压控恒流”电路等，并对其中采用的各种关键器件进行选型，包括精密低噪声运算放大器、ADC转换器、DAC转换器等。最终形成的电路往往由于体积过大无法满足设计要求，不仅如此，体积过大还会影响光电传感电路的实际性能，引入不必要的噪声与干扰。再者，由于人体光电传感信号的复杂性与特异性，前端模拟电路的调试工作十分复杂，需要根据实际的应用环境调整电路结构与参数；并且在功能上，往往无法全面，既需要最小的设计体积，又需要同时进行多种切换控制，比如多路LED切换以及多路PD信号的探测，采样方式的不同，可以持续周期采样或者连续间隔多次采样等等，而现有的可穿戴式设备无法满足这些要求。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种多通道光电探测、超小型集成式模拟前端电路，应用于可穿戴式生物传感的超小型集成模拟前端电路，针对现有光电传感电路方案采用离散模拟电路、数字电路搭建的方案，本发明采用了集成式方案，探测功能更加全面，减轻了设计的复杂度，增加了电路的可靠性，提高了调试的方便性与灵活性。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种可穿戴式生物信号采集装置，包括：

光电发射单元，其包括有若干个发光二极管、相连接的恒流驱动器和光源通道选择器，各个所述发光二极管独立驱动且发光强度、波长不同，所述发光二极管分别与所述恒流驱动器连接；

光电接收单元，其至少包括两路光电二极管、探测通道选择器、采样与转换开关阵列以及模数转换器，每路所述光电二极管与所述发光二极管之间的光程距离不同，所述光电二极管接收经人体组织吸收后的所述发光二极管的反馈光信号，所述光电二极管通过所述探测通道选择器依次与采样与转换开关阵列和数模转换器连接，所述数模转换器通过一接口模块与外接的控制器连接；

时序控制单元，其与所述接口模块通信连接，所述时序控制单元包括相连接的定时器和多路触发器。

优选的，所述光源通道选择器输入端与所述接口模块连接，所述恒流驱动器为由数模转换器输出电压控制的恒流源，所述光源通道选择器输出端与所述数模转换器输入端连接。

优选的，每个所述发光二极管的前端设置有通道开关，所述通道开关与所述接口模块连接，所述数模转换器输出端通过所述恒流源与所述通道开关连接。

优选的，所述光电二极管与所述探测通道选择器输入端连接，所述探测通道选择器输出端设置有带有可调反馈电容、可调反馈电阻的跨阻放大器，所述跨阻放大器与所述接口模块连接。

优选的，所述探测通道选择器输出端与所述跨阻放大器输入端之间的线路上还是有补偿恒流偏置调节器。

优选的，所述跨阻放大器输出端设置有组合滤波器，所述组合滤波器由可选的低通滤波和高通滤波组合构成，所述组合滤波器与所述接口模块连接。

优选的，所述组合滤波器的输出端设置有可选的二极增益放大器，所述二极增益放大器的输出端与所述采样与转换开关阵列输入端连接，所述二极增益放大器与所述接口模块连接。

优选的，所述采样与转换开关阵列包括若干组串联连接的采样选择开关与ADC转换开关，每组采样选择开关与ADC转换开关并联设置，每组采样选择开关与ADC转换开关之间并联有一电容，采样选择开关与ADC转换开关的组数比所述发光二极管的个数多一个，每个采样选择开关与ADC转换开关分别与所述接口模块连接。

优选的，所述采样与转换开关阵列的输出端通过一缓冲器与所述模数转换器连接，且所述采样与转换开关阵列的输出端线路上并联设置一用于放电的复位开关，所述复位开关与所述接口模块连接。

优选的，所述模数转换器输出端通过一先入先出队列与所述接口模块连接，所述接口模块为SPI、I2C接口。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明采用了模拟通道切换方案，可以支持多个探测器，使得本发明可以更加方便地实现更加复杂的生物传感功能；

2、本发明采用的定时器时序控制器，可以灵活地实现发光二极管LED与光电探测器PD的各种可能的时序要求与采样方式，通过配置采样周期，配置各个LED、PD开关的起始时间与结束时间，可以形成周期持续采样、间隔连续采样等方式，满足生物传感的各种采样要求与采样形式；

3、将光电发射单元、光电接收单元以及时序控制单元布置在一个模块上，将采集装置小型化。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是现有生物信号采集装置的系统框图；

图2是本发明生物信号采集装置的系统框图；

图3是本发明生物信号采集装置的电路拓扑图；

图4是所述光电接收单元的电路图；

图5是一种实施例中的时序控制图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

实施例一

如图2-5所示，本发明提供一种可穿戴式生物信号采集装置，由光电发射单元10、光电接收单元20以及时序控制单元30，光电发射单元10包括有并联设置的第一发光二极管11、第二发光二极管12、第三发光二极管13，各个发光二极管独立驱动且发光强度、波长不同，根据采集不同生物信号的需要，来调整各个发光二极管的功率，如绿光、红光和蓝光等，第一发光二极管11前端设置有第一通道开关111，第二发光二极管12前端设置有第二通道开关121，第三发光二极管13前端设置有第三通道开关131，每个通道开关用于控制所在线路的通断，各个发光二极管的共同输入端设置有一恒流驱动器，恒流驱动器采用的为由数模转换器14输出电压控制的恒流源16，恒流驱动器的输入端连接一光源通道选择器15，光源通道选择器15用于选择其中一个发光二极管导通。

光电接收单元20至少包括两路并联设置的光电二极管：第一光电二极管21和第二光电二极管22，光电二极管接收经人体组织吸收后的发光二极管的反馈光信号，两路光电二极管并联设置在探测通道选择器23的输入端，探测通道选择器23的输出端设置有一采样与转换开关阵列24，采样与转换开关阵列24的输出端设置有一模数转换器25，数模转换器25通过一接口模块27与外接的控制器连接，该接口模块27为SPI/I2C接口控制模块，第一二极管21和第二光电二极管22分别与发光二极管之间的光程距离不同，以在数据处理时抵消不确定因素，现实应用中，生物传感的应用场景、人体的光电传感往往比较复杂，主要表现在人体运动、人体肤色、人体皮肤组织、人体阻抗等等对光电转换的影响，而且因人而异、不同年龄阶段、不同时间均表现出特异性，表现在电路设计中，需要解决弱光电信号放大、信号噪声、信号直流偏移、光源的恒流可编程调节控制、光源的切换控制等等问题，并且在应用过程中需要进行电路参数的调节以适应不同人体、不同时段等等造成的特异性，本发明中，为了抵消这些特异性对测量结果的影响，将第一光电二极管21和第二光电二极管22非对称设置在发光二极管的两侧，使得发光二极管到第一光电二极管21和第二光电二极管22的光程差不同，两个光电二极管采集到的信号抵消自身差异性造成的影响，即可得到承载生物信号的正确数据，因此这种采集装置的适用性更强。

时序控制单元30与接口模块27连接，时序控制单元30包括相连接的定时器31和多路触发器32，控制器通过接口模块27给时序控制单元30时序控制命令。接口模块与光电发射单元通信控制主要包括：通道选择、电流大小的控制；接口模块与光电接受单元的控制主要包括：通道选择、放大倍数、滤波、二极放大等等的选择控制，还包括模数转换数据通过通信接口输出等等；接口模块与时序控制单元的控制主要包括时序参数的配置。

采样与转换开关阵列24包括四组串联连接的采样选择开关与ADC转换开关，每组采样选择开关与ADC转换开关并联设置，每组采样选择开关与ADC转换开关之间并联有一电容，具有的包括：第一选择开关2411、第一ADC转换开关2412和第一电容；第二选择开关2421、第二ADC转换开关2422和第二电容；第三选择开关2431、第三ADC转换开关2432和第三电容；第四选择开关2441、第四ADC转换开关2442和第四电容；每个采样选择开关与ADC转换开关输出端分别与接口模块27连接，受其控制，且采样与转换开关阵列24的输出端线路上并联设置一用于放电的复位开关245，复位开关245与接口模块27连接。

初始时，控制器设置多路触发器32的触发时序，控制器给定不同发光二极管的发光功率，同时给定光源通道选择器15的通道导通时序，同时，控制器通过接口模块27分别与光源通道选择器15、探测通道选择器23、第一通道开关111、第二通道开关121、第三通道开关131、采样选择开关以及ADC转换开关连接，光源通道选择器15、探测通道选择器23、第一通道开关111、第二通道开关121、第三通道开关131、采样选择开关以及ADC转换开关受多路触发器32的时序触发而动作，如图5所示，本实施例中，初始时刻，探测通道选择器23中的第一开关231闭合，第一光电二极管21导通，之后探测通道选择器23中的第二开关232闭合，第二光电二极管22导通，在第一光电二极管21和第二光电二极管22的导通周期内，在每个触发时刻，分别顺序导通第二通道开关121、第三通道开关131、第一通道开关111，同时对应控制光源通道选择器15中的导通路线，将给定的发光功率值输入到恒流驱动器中，恒流驱动器根据输入指令输出恒定的电流，驱动相对应的发光二极管中，进行发光，同时顺序导通第二采样选择开关2421、第三采样选择开关2431、第一采样选择开关2411以及第四采样选择开关2441，同时顺序导通第四ADC转换开关2442、第二ADC转换开关2422、第三ADC转换开关2432以及第一ADC转换开关2412，每个触发周期内，数模转换器25都进行转换，同时，每个触发时刻，复位开关245都进行复位放电，实现本时刻采集当前时刻的信号，本时刻进行上一次的ADC转换，每次ADC转换之前需要对电容进行复位放电，每次ADC转换之前都需要这样一个放电操作，以不影响本时刻对上一次的ADC进行转换，每个周期测量结束后，测量本底信号，也即是发光二极管全部熄灭时采集到的本底信号，以校准消除噪声，提高测量精度和准确率，每个光电二极管在每个周期内，可以接收到不同发光二极管输出的光信号，输出对应的生物信号，最终可以形成周期持续采样、间隔连续采样等方式，满足生物传感的各种采样要求与采样形式。

实施例二

在实施例一的基础上，如图3所示，在数模转换器14输出端设置有恒流源16，恒流源16的输出端与发光二极管前端的通道开关连接，控制器给定每个发光二极管的发光功率的数字信号，数模转换器14接收到该数字信号后，输出对应大小的模拟电压大小，该模拟电压源通过恒流源16输出对应大小且电流稳定的电流源，驱动对应的发光二极管，出射光源信号照射在人体上。

实施例三

在实施例二的基础上，如图4所示，探测通道选择器23输出端设置有带有可调反馈电容C_F、可调反馈电阻R_F的跨阻放大器28，根据设计需求，控制器可以调整可调反馈电容C_F、可调反馈电阻R_F的值，以及跨阻放大器28的放大倍数，以满足信号处理的需要，二通道选择器23输出端与跨阻放大器28输入端之间的线路上还是有补偿恒流偏置调节器281，用以调整光电二极管接收到交流信号的直流分量、直流偏置，提高信号处理的精度。

实施例四

在实施例三的基础上，如图4所示，跨阻放大器28输出端设置有组合滤波器29，该组合滤波器29由可选的低通滤波291和高通滤波292组合构成，组合滤波器与接口模块27连接，可以搭配组成带通滤波器、带阻滤波器、陷波滤波器等。组合滤波器29的输出端设置有可选的二极增益放大器293，用以信号的再次放大，通过调整电阻来调整放大倍数，二极增益放大器293通过一开关旁路，可以选择接入电路或旁路，同时二极增益放大器293的输出端与采样与转换开关阵列24输入端连接，二极增益放大器与接口模块连接，用于控制放大倍数和是否接入。

采样与转换开关阵列24的输出端通过一缓冲器246与模数转换器25连接，复位开关245连接在采样与转换开关阵列24与缓冲器246之间的线路上，模数转换器输出端通过一先入先出队列26与接口模块27连接，接口模块27与控制器连接，分配指令到各个受控单元上。

由上所述，本发明的系统设计框图如下图2所示，两路光电二极管(PD)通过可控制切换的模拟开关(MUX选择器)选择输入的光电二极管(PD_A、PD_B)通道，该通道光电二极管采集的电流通过互阻抗放大器(TIA)转化为电压。针对PD等效寄生电容的不同、输入到PD光强的不同，采用可选的反馈电容(C_F)对PD的寄生电容进行补偿、可选的反馈电阻(R_F)改变TIA的放大倍数。通过可选的二阶巴特沃斯滤波器(Filter)，包括低通滤波(LPF)、高通滤波(HPF)、带通滤波(BPF)、陷波滤波(Notch Filter)等，通过可选的二极增益放大器(Stage2-Gain)进行二次放大，并使用模数转换器(ADC)进行数字化，采用先入先出队列(FIFO)对采样ADC值进行缓冲存储，以便于I2C或SPI接口模块等的读出。本发明还包含基于数字化数模转换器(DAC)的恒定电流控制的集成LED驱动器，用于多种不同波长的LED的恒流可调控制，并包含LED驱动器。本发明还包含SPI、I2C控制接口模块，用于外部通信，配置内部的寄存器，包括反馈电容(C_F)、反馈电阻(R_F)的配置；偏置恒流大小的配置；硬件滤波器的配置与选择；二极增益的配置与选择；定时器控制单元时序寄存器的配置。

本发明涉及一种用于可穿戴式光学监测、生物传感的超小型集成模拟前端电路设计与实现，本发明针对目前穿戴式应用，面向光学生物传感技术，设计了一种多通道光电探测、超小型集成式模拟前端电路。本发明设计了一种支持多个(三个)发光二极管(LED)、两个光电二极管(PhotoDiode)，应用于可穿戴式生物传感的超小型集成模拟前端电路，其中包括模拟通道切换(MUX)、互阻抗放大器(TIA)、恒流偏置调节(Offset DAC)、滤波器(BPF)、二极增益放大器(Stage 2Gain)、带有Buffer缓冲的ADC转换器、先入先出FIFO队列、SPI/I2C接口控制模块、带有DAC的LED“压控恒流”模块、定时器时序控制模块(Timing Controller)等。针对现有光电传感电路方案采用离散模拟电路、数字电路搭建的方案，本发明采用了集成式方案，功能全面，减轻了设计的复杂度，增加了电路的可靠性，提高了调试的方便性与灵活性。

本发明采用了模拟通道切换方案，可以支持多个探测器，使得本发明可以更加方便地实现更加复杂的生物传感功能；本发明采用的定时器时序控制器，可以灵活地实现发光二极管LED与光电探测器PD的各种可能的时序要求与采样方式，通过配置采样周期，配置各个LED、PD开关的起始时间与结束时间，可以形成周期持续采样、间隔连续采样等方式，满足生物传感的各种采样要求与采样形式。

本发明所采用的定时器时序控制模块，主要包括定时器与多路定时触发器，定时器为多路定时触发器提供统一的定时时钟，根据每一路定时触发器设置的时间，来触发光电探测选择器(MUX)中的开关、采样开关与ADC转换开关阵列、ADC复位开关、LED通道开关等，根据不同的时序组合，可以在一个定时周期内，分时进行双探测器、多路LED通道的，光源的切换控制，与探测器的采集控制。通过SPI、I2C接口，可以方便的对每次ADC转换的参数进行分别设置，包括LED电流大小的设置、TIA的放大设置、滤波设置、二极增益放大设置等等。

通过配置多通道定时触发器的定时时间，实现双通道、多LED，周期连续分时采集。如下图四所示，为单个周期内，多通道定时器时序控制配置与分时采集实现时序图。在一个采样周期内，探测器包括开启与关闭两种动作，两路探测器，在不同的时段分别开启。在某一路探测器开启的半个周期内，又分成4份，1/8个周期。在半个周期内，通过1/8周期分别选择LED通道的开关、采样开关，来进行多通道LED的采样。采用流水线工作方式，每个通道的ADC转换需要延迟1/8个周期，并同时进行下一个1/8周期的采样，当前通道进行ADC采样时，同时进行上一个通道ADC转化，形成采样结果。每一次ADC转换之前，需要对ADC进行复位，清除上一次采样残留电压。

本发明采用了模拟通道切换方案，可以支持多个探测器，使得本发明可以更加方便地实现更加复杂的生物传感功能；同时，本发明采用的定时器时序控制器，可以灵活地实现发光二极管LED与光电探测器PD的各种可能的时序要求与采样方式，通过配置采样周期，配置各个LED、PD开关的起始时间与结束时间，可以形成周期持续采样、间隔连续采样等方式，满足生物传感的各种采样要求与采样形式；并且将光电发射单元、光电接收单元以及时序控制单元布置在一个模块上，将采集装置小型化。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。