一种减小生物电采集波形失真的方法
一种减小生物电采集波形失真的方法
【技术领域】
[0001 ] 本申请涉及一种减小生物电采集波形失真的方法。
[0002] 生物体都是带电的，测量生物体的电活动有利于对生物体的生命活动进行评估。 生物电都是弱信号，典型的生物电采集设备，如心电图机、脑电图机、肌电图机等，均涉及对 生物电的放大调理、模数转换（ADC)等。生物电采集设备在对人体生物电进行放大调理的 同时，也往往会造成采集的人体生物电波形的畸变或者说失真，这种失真可能很大，以至导 致对生物体状态的误诊。因此，有必要想办法减小生物电采集波形的失真。
【背景技术】
[0003] 造成生物电采集波形失真的主要原因是：生物电放大调理中模拟高通滤波器的使 用。模拟高通滤波器的截止频率越高、阶数越高，则采集的波形失真越大。目前，减小生物 电采集波形失真的方法有两个：一、生物电信号的放大调理不使用高通滤波器，如TI公司 1298集成芯片所采用的方案；二、生物电信号的放大调理中，虽使用模拟高通滤波器，但模 拟高通滤波器的截止频率设计得比较低，如〇. 1Hz，模拟高通滤波器的阶数也设计得比较 低，如1阶。
[0004] 采用以上两方法的生物电采集设备存在的共同问题是：抗极化电压等慢变量干扰 的能力差，电路容易饱和；放大调理电路的增益特别是前置级增益不能设置得太大，由此造 成ADC的位数不能充分被利用、生物电采集设备底噪较大、共模抑制比较低。对脑电、胎心 电等信号本身极其微弱的生物电信号的采集，显然此两方法不能说是一种好的解决方案。
[0005] 参考文献：
[0006] [1]NagelJH.Biopotentialamplifiers[J] ?TheBiomedicalEngeneering Handbook，1995:1185-1195.
[0007] [2]王三强，何为，石坚：新型脑电信号前置级放大电路设计[J].重庆大学学报， 2006,29 (6) :51-53
[0008] [3]胡巍，赵章琰，路知远，陈香：无线多通道表面肌电信号采集系统设计[J].电 子测量与仪器学报，2009, 23 (11) :30-35
[0009] [4]左鹏飞，路知远，张永强.董中飞，陈香.32通道无线表面肌电和加速度信号采 集系统设计[J].传感技术学报，2013, 26 (6) :790-795
[0010] [5]SpinelliEM,MartinezNH,MayoskyMA.AC-coupledfront-endfor biopotentialmeasurements[J].IEEETransactionsonBiomedicalEngineering，2003， 50(3) :391-395.
[0011] [6]张宋减，司峻峰，黄晓林，肇莹，刘红星.高通滤波器积分反馈实现方式的拓展 [J] ?仪器仪表学报，2013. 34(7) :1634-1639
[0012] [7]EnriqueMarioSpinelli，NolbertoMartinez,MiguelAngelMayosky, RamonPallas-Areny：ANovelFullyDifferentialBiopotentialAmplifierWithDC Suppression[J],IEEETRANSACTIONSONBIOMEDICALENGINEERING,VOL. 51,NO. 8,AUGUST 2004 :1444-1448.
【发明内容】
[0013]发明目的。
[0014] 提出一种减小生物电采集波形失真的方法，它不同于取消模拟高通滤波器的方法 和减小模拟高通滤波器截止频率及阶数的方法，允许使用模拟高通滤波器，允许使用阶数 较高及截止频率较高的模拟高通滤波器，在保证采集系统具有高的抗极化电压能力、高的 共模抑制比和小的系统底噪的同时，又能减小生物电采集波形的失真。
[0015] 技术方案。
[0016] 一种减小生物电采集波形失真的方法，包括如下步骤：（1)获取生物电采集设备 放大调理环节的系统函数和生物电采集设备采集的波形；（2)基于生物电采集设备采集的 波形和生物电采集设备放大调理环节的系统函数，求解一个反卷积问题，即求得在生物体 表测点处的真实生物电信号，它即是最大限度地减小了生物电采集设备所产生波形失真后 的生物电信号。
[0017] 以上提出的一种减小生物电采集波形失真的方法，它的第（1)步骤中生物电采集 设备放大调理环节的系统函数，可直接从生物电采集设备放大调理环节的原始设计获得， 也可以通过对生物电采集设备放大调理环节的测试即系统辨识获得，由原始设计获得的系 统函数一般会是系统传递函数的形式H(S)，由测试获得的系统函数往往是离散化的单位样 值响应形式h(n)或者离散化的频率响应形式H(k)。
[0018] 以上提出的一种减小生物电采集波形失真的方法，它的第（2)步骤中，将生物电 采集设备放大调理环节的系统函数统一为离散化的单位样值响应形式h(n)，即若为传递函 数形式H(s)或者离散化的频率响应形式H(k)，则转化成离散化的单位样值响应形式h(n)， 然后按如下公式进行迭代运算求解反卷积，设y(n)为生物电采集设备采集的波形序列， X(H)为体表测点处的生物电波形序列（即减小了波形失真的序列），有：
[0019] X(0) =y(0)/h(0)
[0020] x(l) = [y(l)-x(0)h(l)]/h(0)
[0023] 以上提出的一种减小生物电采集波形失真的方法，它的第（2)步骤中，可依据生 物电采集设备放大调理环节的系统函数求得其逆系统的离散化单位样值响应h(n)，然后 通过求解采样波形与逆系统Ii1 (n)的卷积运算来间接求解原反卷积问题，即让：
[0024]X(n) =y(n) ^h1 (n), (2)
[0025] 其中，y(n)为生物电采集设备采集的波形序列，X(n)为体表测点的生物电波形序 列，即减小了波形失真的序列；式（2)可以按数字信号处理中的原理，通过FFT和IFFT来求 解。
[0026] 以上方法的本质原理概括起来就是：已知线性移不变系统输出和系统函数，可求 解一个反卷积问题得到系统输入，它最大限度地减小了系统本身带来的信号失真。
[0027] 有益效果。
[0028] 本申请提出的一种减小生物电采集波形失真的方法，是一种软件补偿的方法，不 同于取消模拟高通滤波器的方法和减小模拟高通滤波器截止频率及阶数的方法，因此，具 有新颖性；它允许使用模拟高通滤波器，允许使用阶数较高及截止频率较高的模拟高通滤 波器，在保证采集系统具有高的抗极化电压能力、高的共模抑制比和小的系统底噪的同时， 又能有效减小生物电采集波形的失真。
[0029] 对本申请提出的减小生物电采集波形失真的方法进行仿真，验证其减小波形失真 的效果。首先，仿真一路体表生物电信号，波形如图2所示。然后，让该信号分别经过以 0.IHz为截止频率的1阶巴特沃斯高通滤波和以0. 8Hz为截止频率的4阶巴特沃斯高通滤 波，得到滤波后的波形分别如图3和图4所示。经过计算可以得到图3和图4所示经过高 通滤波后的波形与图2所示仿真体表生物电信号的相似度分别为0. 998和0. 475。最后利 用本申请提出的减小生物电采集波形失真的方法对图4波形进行补偿得到补偿后的波形， 如图5所示。计算得到图5所示经过补偿后的波形与图2所示仿真体表生物电信号的相似 度为1. 000,可以看出本申请提出的方法能够有效减小生物电采集波形的失真。
【附图说明】
[0030] 图1，本发明一种减小生物电采集波形失真的方法逻辑框图。
[0031] 图2, 一仿真的体表生物电信号。
[0032] 图3,仿真体表信号经过以0.IHz为截止频率的1阶巴特沃斯高通滤波后的波形。
[0033] 图4,仿真体表信号经过以0.8Hz为截止频率的4阶巴特沃斯高通滤波后的波形。
[0034] 图5,图4所示波形经过本方案软件补偿后的波形。
【具体实施方式】 [0035] （实施例）
[0036] 第一步骤：获取系统函数和采集波形。
[0037] 设计的是一个4阶巴特沃斯高通滤波器作为生物电信号采集中的放大调理环节， 截止频率f。= 0. 8Hz，传递函数为：
[0039]其中：Oc= 2*Ji*fc= 5.027。
[0040] 仿真的一路体表生物电信号序列，如图2所示，采样率为fs= 500Hz，采样长度为 20s，计算获得此仿真体表生物电信号经过上述高通滤波器放大调理后的生物电波形序列y(n)，如图4所示。
[0041] 第二步骤：求解一个反卷积问题。
[0042] 首先，利用本申请提出的第一种求解反卷积问题方法，对图4所示的采集到的生 物电信号进行处理。对式3所示的4阶巴特沃斯高通滤波器的频率响应以fp= 0. 5Hz的频 率间隔进行频域抽样，得到离散化的频率响应H(k)，利用IFFT得到其频率响应的单位样值 响应h(n)。利用式1进行反卷积即可计算得到体表测点处的生物电波形序列X(n)，如图5 所示。
[0043] 然后，利用本申请提出的第二种求解反卷积问题方法，对图4所示的采集到的生 物电信号进行处理。对式3所示的4阶巴特沃斯高通滤波器的传递函数求倒数得到其逆系 统的传递函数H1 (s)，同样对逆系统的频率响应以fp= 0. 5Hz的频率间隔进行频域抽样，得 到离散化的频率响应H1 (k)，利用IFFT得到逆系统频率响应的单位样值响应形式Ii1 (n)。利 用式2对采集的生物电波形序列y(n)和逆系统的单位样值响应h(n)进行卷积运算即可 计算得到体表测点处的生物电波形序列x(n)，如图5所示。
[0044] 上述两种求解反卷积方法得到的体表测点处的生物电波形序列x(n)相同，均如 图5所示，显然它有效减小了生物电采集波形的失真。
【主权项】
1. 一种减小生物电采集波形失真的方法，其特征是，包括如下步骤：（1)获取生物电采 集设备放大调理环节的系统函数和生物电采集设备采集的波形；（2)基于生物电采集设备 采集的波形和生物电采集设备放大调理环节的系统函数，求解一个反卷积问题，即求得在 生物体表测点处的真实生物电信号，它是最大限度地减小了生物电采集设备所产生波形失 真后的生物电信号。2. 根据以上权利要求1所述的一种减小生物电采集波形失真的方法，其特征是，它的 第（1)步骤中生物电采集设备放大调理环节的系统函数，可直接从生物电采集设备放大调 理环节的原始设计获得，也可以通过对生物电采集设备放大调理环节的测试即系统辨识获 得。3. 根据以上权利要求1所述的一种减小生物电采集波形失真的方法，其特征是，它的 第（2)步骤中，将生物电采集设备放大调理环节的系统函数统一为离散化的单位样值响应 形式h(n)，然后按如下公式进行迭代运算求解反卷积，设y(n)为生物电采集设备采集的波 形序列，x(n)为体表测点处的生物电波形序列（即减小了波形失真的序列），有： x(0) = y(0)/h(0) x(l) = [y(l)-x(0)h(l)]/h(0)4. 根据以上权利要求1所述的一种减小生物电采集波形失真的方法，其特征是，它的 第（2)步骤中，可依据生物电采集设备放大调理环节的系统函数求得其逆系统的离散化单 位样值响应hl (n)，然后通过求解采样波形与逆系统h(n)的卷积运算来间接求解原反卷积 问题，即让： x(n) =y(n) *1^ (n)， (2) 其中，y(n)为生物电采集设备采集的波形序列，x(n)为体表测点的生物电波形序列， 即减小了波形失真的序列。
【专利摘要】一种减小生物电采集波形失真的方法，包括如下步骤：(1)获取生物电采集设备放大调理环节的系统函数和生物电采集设备采集的波形；(2)基于生物电采集设备采集的波形和生物电采集设备放大调理环节的系统函数，求解一个反卷积问题，即求得在生物体表测点处的真实生物电信号，它即是最大限度地减小了生物电采集设备所产生波形失真后的生物电信号。
【IPC分类】A61B5/0402, G06F19/00
【公开号】CN104905784
【申请号】CN201510366203
【发明人】刘红星, 余晗卿, 胡月明, 郝冠鹏, 肇莹
【申请人】南京大学
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年6月25日
【技术领域】
[0001 ] 本申请涉及一种减小生物电采集波形失真的方法。
[0002] 生物体都是带电的，测量生物体的电活动有利于对生物体的生命活动进行评估。 生物电都是弱信号，典型的生物电采集设备，如心电图机、脑电图机、肌电图机等，均涉及对 生物电的放大调理、模数转换（ADC)等。生物电采集设备在对人体生物电进行放大调理的 同时，也往往会造成采集的人体生物电波形的畸变或者说失真，这种失真可能很大，以至导 致对生物体状态的误诊。因此，有必要想办法减小生物电采集波形的失真。
【背景技术】
[0003] 造成生物电采集波形失真的主要原因是：生物电放大调理中模拟高通滤波器的使 用。模拟高通滤波器的截止频率越高、阶数越高，则采集的波形失真越大。目前，减小生物 电采集波形失真的方法有两个：一、生物电信号的放大调理不使用高通滤波器，如TI公司 1298集成芯片所采用的方案；二、生物电信号的放大调理中，虽使用模拟高通滤波器，但模 拟高通滤波器的截止频率设计得比较低，如〇. 1Hz，模拟高通滤波器的阶数也设计得比较 低，如1阶。
[0004] 采用以上两方法的生物电采集设备存在的共同问题是：抗极化电压等慢变量干扰 的能力差，电路容易饱和；放大调理电路的增益特别是前置级增益不能设置得太大，由此造 成ADC的位数不能充分被利用、生物电采集设备底噪较大、共模抑制比较低。对脑电、胎心 电等信号本身极其微弱的生物电信号的采集，显然此两方法不能说是一种好的解决方案。
[0005] 参考文献：
[0006] [1]NagelJH.Biopotentialamplifiers[J] ?TheBiomedicalEngeneering Handbook，1995:1185-1195.
[0007] [2]王三强，何为，石坚：新型脑电信号前置级放大电路设计[J].重庆大学学报， 2006,29 (6) :51-53
[0008] [3]胡巍，赵章琰，路知远，陈香：无线多通道表面肌电信号采集系统设计[J].电 子测量与仪器学报，2009, 23 (11) :30-35
[0009] [4]左鹏飞，路知远，张永强.董中飞，陈香.32通道无线表面肌电和加速度信号采 集系统设计[J].传感技术学报，2013, 26 (6) :790-795
[0010] [5]SpinelliEM,MartinezNH,MayoskyMA.AC-coupledfront-endfor biopotentialmeasurements[J].IEEETransactionsonBiomedicalEngineering，2003， 50(3) :391-395.
[0011] [6]张宋减，司峻峰，黄晓林，肇莹，刘红星.高通滤波器积分反馈实现方式的拓展 [J] ?仪器仪表学报，2013. 34(7) :1634-1639
[0012] [7]EnriqueMarioSpinelli，NolbertoMartinez,MiguelAngelMayosky, RamonPallas-Areny：ANovelFullyDifferentialBiopotentialAmplifierWithDC Suppression[J],IEEETRANSACTIONSONBIOMEDICALENGINEERING,VOL. 51,NO. 8,AUGUST 2004 :1444-1448.
【发明内容】
[0013]发明目的。
[0014] 提出一种减小生物电采集波形失真的方法，它不同于取消模拟高通滤波器的方法 和减小模拟高通滤波器截止频率及阶数的方法，允许使用模拟高通滤波器，允许使用阶数 较高及截止频率较高的模拟高通滤波器，在保证采集系统具有高的抗极化电压能力、高的 共模抑制比和小的系统底噪的同时，又能减小生物电采集波形的失真。
[0015] 技术方案。
[0016] 一种减小生物电采集波形失真的方法，包括如下步骤：（1)获取生物电采集设备 放大调理环节的系统函数和生物电采集设备采集的波形；（2)基于生物电采集设备采集的 波形和生物电采集设备放大调理环节的系统函数，求解一个反卷积问题，即求得在生物体 表测点处的真实生物电信号，它即是最大限度地减小了生物电采集设备所产生波形失真后 的生物电信号。
[0017] 以上提出的一种减小生物电采集波形失真的方法，它的第（1)步骤中生物电采集 设备放大调理环节的系统函数，可直接从生物电采集设备放大调理环节的原始设计获得， 也可以通过对生物电采集设备放大调理环节的测试即系统辨识获得，由原始设计获得的系 统函数一般会是系统传递函数的形式H(S)，由测试获得的系统函数往往是离散化的单位样 值响应形式h(n)或者离散化的频率响应形式H(k)。
[0018] 以上提出的一种减小生物电采集波形失真的方法，它的第（2)步骤中，将生物电 采集设备放大调理环节的系统函数统一为离散化的单位样值响应形式h(n)，即若为传递函 数形式H(s)或者离散化的频率响应形式H(k)，则转化成离散化的单位样值响应形式h(n)， 然后按如下公式进行迭代运算求解反卷积，设y(n)为生物电采集设备采集的波形序列， X(H)为体表测点处的生物电波形序列（即减小了波形失真的序列），有：
[0019] X(0) =y(0)/h(0)
[0020] x(l) = [y(l)-x(0)h(l)]/h(0)
[0023] 以上提出的一种减小生物电采集波形失真的方法，它的第（2)步骤中，可依据生 物电采集设备放大调理环节的系统函数求得其逆系统的离散化单位样值响应h(n)，然后 通过求解采样波形与逆系统Ii1 (n)的卷积运算来间接求解原反卷积问题，即让：
[0024]X(n) =y(n) ^h1 (n), (2)
[0025] 其中，y(n)为生物电采集设备采集的波形序列，X(n)为体表测点的生物电波形序 列，即减小了波形失真的序列；式（2)可以按数字信号处理中的原理，通过FFT和IFFT来求 解。
[0026] 以上方法的本质原理概括起来就是：已知线性移不变系统输出和系统函数，可求 解一个反卷积问题得到系统输入，它最大限度地减小了系统本身带来的信号失真。
[0027] 有益效果。
[0028] 本申请提出的一种减小生物电采集波形失真的方法，是一种软件补偿的方法，不 同于取消模拟高通滤波器的方法和减小模拟高通滤波器截止频率及阶数的方法，因此，具 有新颖性；它允许使用模拟高通滤波器，允许使用阶数较高及截止频率较高的模拟高通滤 波器，在保证采集系统具有高的抗极化电压能力、高的共模抑制比和小的系统底噪的同时， 又能有效减小生物电采集波形的失真。
[0029] 对本申请提出的减小生物电采集波形失真的方法进行仿真，验证其减小波形失真 的效果。首先，仿真一路体表生物电信号，波形如图2所示。然后，让该信号分别经过以 0.IHz为截止频率的1阶巴特沃斯高通滤波和以0. 8Hz为截止频率的4阶巴特沃斯高通滤 波，得到滤波后的波形分别如图3和图4所示。经过计算可以得到图3和图4所示经过高 通滤波后的波形与图2所示仿真体表生物电信号的相似度分别为0. 998和0. 475。最后利 用本申请提出的减小生物电采集波形失真的方法对图4波形进行补偿得到补偿后的波形， 如图5所示。计算得到图5所示经过补偿后的波形与图2所示仿真体表生物电信号的相似 度为1. 000,可以看出本申请提出的方法能够有效减小生物电采集波形的失真。
【附图说明】
[0030] 图1，本发明一种减小生物电采集波形失真的方法逻辑框图。
[0031] 图2, 一仿真的体表生物电信号。
[0032] 图3,仿真体表信号经过以0.IHz为截止频率的1阶巴特沃斯高通滤波后的波形。
[0033] 图4,仿真体表信号经过以0.8Hz为截止频率的4阶巴特沃斯高通滤波后的波形。
[0034] 图5,图4所示波形经过本方案软件补偿后的波形。
【具体实施方式】 [0035] （实施例）
[0036] 第一步骤：获取系统函数和采集波形。
[0037] 设计的是一个4阶巴特沃斯高通滤波器作为生物电信号采集中的放大调理环节， 截止频率f。= 0. 8Hz，传递函数为：
[0039]其中：Oc= 2*Ji*fc= 5.027。
[0040] 仿真的一路体表生物电信号序列，如图2所示，采样率为fs= 500Hz，采样长度为 20s，计算获得此仿真体表生物电信号经过上述高通滤波器放大调理后的生物电波形序列y(n)，如图4所示。
[0041] 第二步骤：求解一个反卷积问题。
[0042] 首先，利用本申请提出的第一种求解反卷积问题方法，对图4所示的采集到的生 物电信号进行处理。对式3所示的4阶巴特沃斯高通滤波器的频率响应以fp= 0. 5Hz的频 率间隔进行频域抽样，得到离散化的频率响应H(k)，利用IFFT得到其频率响应的单位样值 响应h(n)。利用式1进行反卷积即可计算得到体表测点处的生物电波形序列X(n)，如图5 所示。
[0043] 然后，利用本申请提出的第二种求解反卷积问题方法，对图4所示的采集到的生 物电信号进行处理。对式3所示的4阶巴特沃斯高通滤波器的传递函数求倒数得到其逆系 统的传递函数H1 (s)，同样对逆系统的频率响应以fp= 0. 5Hz的频率间隔进行频域抽样，得 到离散化的频率响应H1 (k)，利用IFFT得到逆系统频率响应的单位样值响应形式Ii1 (n)。利 用式2对采集的生物电波形序列y(n)和逆系统的单位样值响应h(n)进行卷积运算即可 计算得到体表测点处的生物电波形序列x(n)，如图5所示。
[0044] 上述两种求解反卷积方法得到的体表测点处的生物电波形序列x(n)相同，均如 图5所示，显然它有效减小了生物电采集波形的失真。
【主权项】
1. 一种减小生物电采集波形失真的方法，其特征是，包括如下步骤：（1)获取生物电采 集设备放大调理环节的系统函数和生物电采集设备采集的波形；（2)基于生物电采集设备 采集的波形和生物电采集设备放大调理环节的系统函数，求解一个反卷积问题，即求得在 生物体表测点处的真实生物电信号，它是最大限度地减小了生物电采集设备所产生波形失 真后的生物电信号。2. 根据以上权利要求1所述的一种减小生物电采集波形失真的方法，其特征是，它的 第（1)步骤中生物电采集设备放大调理环节的系统函数，可直接从生物电采集设备放大调 理环节的原始设计获得，也可以通过对生物电采集设备放大调理环节的测试即系统辨识获 得。3. 根据以上权利要求1所述的一种减小生物电采集波形失真的方法，其特征是，它的 第（2)步骤中，将生物电采集设备放大调理环节的系统函数统一为离散化的单位样值响应 形式h(n)，然后按如下公式进行迭代运算求解反卷积，设y(n)为生物电采集设备采集的波 形序列，x(n)为体表测点处的生物电波形序列（即减小了波形失真的序列），有： x(0) = y(0)/h(0) x(l) = [y(l)-x(0)h(l)]/h(0)4. 根据以上权利要求1所述的一种减小生物电采集波形失真的方法，其特征是，它的 第（2)步骤中，可依据生物电采集设备放大调理环节的系统函数求得其逆系统的离散化单 位样值响应hl (n)，然后通过求解采样波形与逆系统h(n)的卷积运算来间接求解原反卷积 问题，即让： x(n) =y(n) *1^ (n)， (2) 其中，y(n)为生物电采集设备采集的波形序列，x(n)为体表测点的生物电波形序列， 即减小了波形失真的序列。
【专利摘要】一种减小生物电采集波形失真的方法，包括如下步骤：(1)获取生物电采集设备放大调理环节的系统函数和生物电采集设备采集的波形；(2)基于生物电采集设备采集的波形和生物电采集设备放大调理环节的系统函数，求解一个反卷积问题，即求得在生物体表测点处的真实生物电信号，它即是最大限度地减小了生物电采集设备所产生波形失真后的生物电信号。
【IPC分类】A61B5/0402, G06F19/00
【公开号】CN104905784
【申请号】CN201510366203
【发明人】刘红星, 余晗卿, 胡月明, 郝冠鹏, 肇莹
【申请人】南京大学
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年6月25日
最新回复(0)