生物电与正交三角波调制多路信号的单路采集装置及方法

生物电与正交三角波调制多路信号的单路采集装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物医学信号采集领域，尤其涉及一种生物电与正交三角波调制多路 信号的单路采集装置及方法。
【背景技术】
[0002] 电压信号等载有信息的变化量，在其自然状态下是以模拟形式表示的，但是，为了 便于计算机处理，传输和储存，通常要通过模数转换器将其转变为数字信号，因此在生物医 学信号处理中，模数转换是必不可少的。
[0003] 发明人在实现本发明的过程中发现，现有的多路生物医学信号采集中，通常需采 用多片ADC或多路|旲拟开关搭配单片ADC的方案，如者具有电路复杂，系统功耗尚及电路尺 寸大的缺点；而后者则会在采集过程中，由于多路开关的切换，引入开关噪声，以及由于多 路开关存在建立时间，会导致相邻通道信号之间相互干扰。

【发明内容】

[0004] 本发明提供了一种生物电与正交三角波调制多路信号的单路采集装置及方法，本 发明通过单路模数转换器对多路生物医学信号实现模数转换，详见下文描述：
[0005] -种生物电与正交三角波调制多路信号的单路采集装置，所述单路采集装置包 括：微处理器，所述微处理器输出不同频率且成2倍比率关系的正交三角波，正交三角波驱 动至少2种发光二极管，发光二极管发出的光经被测手指后被光敏器件接收，所述光敏器 件转换成电流信号，电流信号经电流/电压转换放大器转换成预设幅值电压信号；
[0006] 所述单路采集装置还包括：低频生物电信号检测电路、加法运算电路以及单路模 数转换器；
[0007] 所述低频生物电信号检测电路获取预设幅值生物电信号，所述预设幅值电压信号 与所述预设幅值生物电信号经所述加法运算电路相加后得到混合信号，所述混合信号由所 述单路模数转换器转换成数字信号；
[0008] 所述微处理器对数字信号进行处理，分离出调制正交三角波信号与低频生物电信 号，并从调制正交三角波信号中解调出多路PPG信号。
[0009] 其中，所述低频生物电信号具体为疋063￡631^366和￡(?中的任意一种。
[0010] 其中，所述加法运算电路包括：第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端接入第 一信号源，所述第二电阻的一端接入第二信号源，所述第一电阻的另一端和所述第二电阻 的另一端接运算放大器的负极性输入端；运算放大器的正极性输入端接第四电阻的一端， 所述第四电阻的另一端接地；所述运算放大器的负极性输入端还同时接入第三电阻的一 端，所述第三电阻的另一端接运算放大器的输出端，输出信号电压。
[0011] 另一实施例，所述加法运算电路包括：第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端 接入第一信号源，所述第二电阻的一端接入第二信号源，所述第一电阻的另一端和所述第 二电阻的另一端接运算放大器的正极性输入端；所述运算放大器的负极性输入端同时接第 三电阻和第四电阻的一端；所述第四电阻的另一端接地；所述第三电阻的另一端接运算放 大器的输出端，输出信号电压。
[0012] 一种用于生物电与正交三角波调制多路信号的单路采集装置的采集方法，所述方 法包括以下步骤：
[0013] 混合信号由单路模数转换器转换成数字信号送入微处理器；
[0014] 微处理器对数字信号进行低通滤波处理恢复出低频生物电信号；微处理器对数字 信号进行分离处理得到PPG信号和生物电信号，且PPG信号中的背景光干扰被消除；
[0015] 分别计算PPG信号的谷值和峰值；再由PPG信号的谷值和峰值计算各个波长所对 应的吸光度差值AA，可以得到由吸光度差值AA组成的光谱值。
[0016] 其中，所述微处理器对数字信号进行分离处理得到PPG信号和生物电信号，且PPG 信号中的背景光干扰被消除的步骤具体为：
[0017] 在频率为If的正交三角波的一个周期内，分别对不同频率正交三角波的每个周 期内的正、负半个周期内的采样信号进行累加，正半周期累加结果与负半周期累加结果进 行求差运算，以分离出各路不同频率的正交三角波信号。
[0018] 本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明通过单路模数转换器对多路生物医 学信号实现模数转换，且具有电路简单，成本低廉以及测量精确的优点；并且当加法运算电 路采用本发明设计的电路时，可以方便的获取到稳定、精度高的混频信号，容易集成化，且 降低了电路成本，扩大了信号的动态范围，满足了实际应用中的多种需要。
【附图说明】
[0019]图1为一种生物电与正交三角波调制多路信号的单路采集装置的结构示意图；
[0020] 图2为加法运算电路的结构示意图；
[0021] 图3为加法运算电路的另一结构示意图；
[0022] 图4为本发明提供的分离不同波长PPG信号的示意图；
[0023] 图5为一种生物电与正交三角波调制多路信号的单路采集方法的流程图。
[0024] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0025] 1:微处理器； 2:发光二极管；
[0026] 3:光敏器件； 4:电流/电压转换放大器；
[0027]5 :低频生物电信号检测电路；6:加法运算电路；
[0028]7 :单路模数转换器。
【具体实施方式】
[0029] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步 地详细描述。
[0030] 实施例1
[0031] 一种生物电与正交三角波调制多路信号的单路采集装置，参见图1，该单路采集装 置包括：微处理器1、至少2种发光二极管2、光敏器件3、电流/电压转换放大器4,低频生 物电信号检测电路5、加法运算电路6以及单路模数转换器7，
[0032] 微处理器1输出不同频率的正交三角波，正交三角波驱动至少2种发光二极管2， 发光二极管2发出的光经被测手指后被光敏器件3接收，光敏器件3转换成电流信号，电流 信号经电流/电压转换放大器4转换成预设幅值电压信号。
[0033] 低频生物电信号检测电路5获取预设幅值生物电信号，预设幅值电压信号与预设 幅值生物电信号经加法运算电路6相加后得到混合信号，混合信号由单路模数转换器7转 换成数字信号，微处理器1对数字信号进行处理，分离出调制正交三角波信号与低频生物 电信号，并从调制正交三角波信号中解调出多路PPG信号。
[0034] 其中，发光二极管2的数量大于等于2。具体实现时，发光二极管2的数量根据实 际应用中的需要进行设定；预设幅值电压信号与预设幅值生物电信号的幅值根据实际应用 中的需要进行设定，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。
[0035] 其中，低频生物电信号包括：￡063￡631^3663(?等生物电信号中的任意一种。 微处理器1可以采用MCU、ARM、DSP或FPGA中的任意一种。加法运算电路6采用市面上常 规的加法器件。
[0036] 其中，生物电信号检测电路5的增益及带宽由所检测的生物电信号的幅值和频率 范围决定。
[0037] 实施例2
[0038] -种生物电与正交三角波调制多路信号的单路采集装置，参见图1，该单路采集装 置包括：微处理器1、至少2种发光二极管2、光敏器件3、电流/电压转换放大器4,低频生 物电信号检测电路5、加法运算电路6以及单路模数转换器7。该实施例与实施例1不同的 是，该加法运算电路6采用本发明实施例设计的加法运算电路6来实现，参见图2,该加法运 算电路6包括：第一电阻&和第二电阻R2，
[0039] 第一电阻&的一端接入第一信号源Vi，第二电阻R2的一端接入第二信号源V2，第 一电阻&的另一端和第二电阻1的另一端接运算放大器A的负极性输入端；运算放大器A 的正极性输入端接第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端接地；运算放大器A的负极性 输入端还同时接入第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端接运算放大器A的输出端，输 出信号电压V。。
[0040] 第一信号源Vi、第二信号源％分别为预设幅值电压信号与预设幅值生物电信号； 或，第一信号源 '、第二信号源％分别为预设幅值生物电信号与预设幅值电压信号；信号电 压V。为混合信号。
[0041] 实施例3
[0042] 一种生物电与正交三角波调制多路信号的单路采集装置，参见图1，该单路采集装 置包括：微处理器1、至少2种发光二极管2、光敏器件3、电流/电压转换放大器4,低频生 物电信号检测电路5、加法运算电路6以及单路模数转换器7。该实施例与实施例1不同的 是，该加法运算电路6可以采用本发明实施例设计的加法运算电路6来实现，参见图3,该加 法运算电路6包括：第一电阻&和第二电阻R2，
[0043] 第一电阻&的一端接入第一信号源Vi，第二电阻R2的一端接入第二信号源V2，第 一电阻&的另一端和第二电阻1的另一端接运算放大器A的正极性输入端；运算放大器A 的负极性输入端同时接第三电 阻R3和第四电阻1?4的一端；第四电阻1?4的另一端接地；第三 电阻馬的另一端接运算放大器A的输出端，输出信号电压V。。
[0044] 第一信号源％、第二信号源％分别为预设幅值电压信号与预设幅值生物电信号； 或，第一信号源 '、第二信号源％分别为预设幅值生物电信号与预设幅值电压信号；信号电 压V。为混合信号。
[0045]实施例4
[0046] 一种生物电与正交三角波调制多路信号的单路采集方法，参见图4和图5,该方法 包括以下步骤：
[0047] 101:混合信号由单路模数转换器7转换成数字信号送入微处理器1;
[0048] 102:微处理器1对数字信号进行低通滤波处理恢复出低频生物电信号；微处理器 1对数字信号进行分离处理得到PPG信号和生物电信号，且PPG信号中的背景光等干扰被消 除。
[0049] 其中，该步骤具体为：在频率为If的正交三角波的一个周期内，分别对不同频率 正交三角波的每个周期内的正、负半个周期内的采样信号进行累加，正半周期累加结果与 负半周期累加结果进行求差运算，以分离出各路不同频率的正交三角波信号。
[0050] 为简便说明起见以4种波长的发光二极管2为例进行说明，假定A1、A2、A3和 入4波长的发光二极管的驱动正交三角波频率同为2f但相位相差90°，A3和A4波长的 发光二极管2驱动正交三角波频率为If?但相位相差90°。
[0051] 假定单路模拟转换器7的采样频率为fs，假设以驱动信号的最高频率f_(在上述 情况下fmax= 2f)的4倍速度对光电信号进行采样，即fs= 8f。
[0052] 假定采样频率&远高于调制正交三角波信号和低频信号的变化频率，在最低驱动 信号频率的一个周期可以近似认为各路正交三角波信号的幅值和低频信号的幅值不变。以 最前16个采样数据为例：
[0054] 其中，Dj1、/#、Df'ZJf和Dj:分别为波长人i、人2、人3和人4的光信号和背景 信号的幅值。
[0055] 换言之，以顺序每16个数字信号为一组进行运算：
[0056]
[0057] 即得到8倍的波长A 1的光信号Di，而且完全消除了低频信号Af的影响。
[0058]
[0059] 即得到8倍的波长A2的光信号，而且完全消除了低频信号的影响。
[0060]
[0061] 即得到8倍的波长人3的光信号Dj,丨，而且完全消除了低频信号Df的影响。
[0062]
[0063]即得到8倍的波长A4的光信号D:，而且完全消除了低频信号Af的影响。
[0064] 其中，、Df、Df、Df和/^分别为波长M、人2、人3和人4的光信号和背 景信号的幅值。
[0065] 103:分别计算PPG信号的谷值和峰值；再由PPG信号的谷值和峰值计算各个波长 所对应的吸光度差值AA，可以得到由AAX1、AAX2……成的光谱值。
[0066] 由于动脉的脉动现象，使血管中血流量呈周期性变化，而血液是高度不透明液体， 因此脉搏搏动的变化必然引起吸光度的变化。
[0067] 考虑动脉血管充盈度最低状态，来自光源的入射光没有被脉动动脉血液吸收，此 时的出射光强Imax最强，可视为脉动动脉血液的入射光I;而动脉血管充盈度最高状态对应 光电脉搏波的谷点，即脉动动脉血液作用最大的时刻，此时的出射光强Imin最弱，为脉动动 脉血液的最小出射光强I。所以，通过记录动脉充盈至最大与动脉收缩至最小时的吸光度 值，就可以消除皮肤组织、皮下组织等一切具有恒定吸收特点的人体成分对于吸光度的影 响。
[0068]设入射光强为^，动脉充盈时检测光强和动脉收缩时检测光强分别为1_和I_， 则动脉充盈时的吸光度和动脉收缩时的吸光度差值为：
[0069]
[0070] 测量各个光电容积脉搏波的谷值Imin和峰值I_即可得到光电容积脉搏波所对应 的吸光度差值AA，可以得到由AAX1、AAX2……成的光谱值。
[0071]即，分别计算波长M、人2、人3和人4的PPG信号的谷值和峰值：IminX1、ImaxX1、 Imin入2、Imax入2、Imin入3、Imax入3、Imin入4矛口I max入40
[0072] 本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制， 只要能完成上述功能的器件均可。
[0073] 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例 序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0074] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种生物电与正交三角波调制多路信号的单路采集装置，所述单路采集装置包括： 微处理器，所述微处理器输出不同频率且成2倍比率关系的正交三角波，正交三角波驱动 至少2种发光二极管，发光二极管发出的光经被测手指后被光敏器件接收，所述光敏器件 转换成电流信号，电流信号经电流/电压转换放大器转换成预设幅值电压信号；其特征在 于， 所述单路采集装置还包括：低频生物电信号检测电路、加法运算电路以及单路模数转 换器； 所述低频生物电信号检测电路获取预设幅值生物电信号，所述预设幅值电压信号与所 述预设幅值生物电信号经所述加法运算电路相加后得到混合信号，所述混合信号由所述单 路模数转换器转换成数字信号； 所述微处理器对数字信号进行处理，分离出调制正交三角波信号与低频生物电信号， 并从调制正交三角波信号中解调出多路PPG信号。2. 根据权利要求1所述的一种生物电与正交三角波调制多路信号的单路采集装置，其 特征在于，所述低频生物电信号具体为：ECG、EEG、EMG、EGG和EOG中的任意一种。3. 根据权利要求1所述的一种生物电与正交三角波调制多路信号的单路采集装置，其 特征在于，所述加法运算电路包括：第一电阻和第二电阻， 所述第一电阻的一端接入第一信号源，所述第二电阻的一端接入第二信号源，所述第 一电阻的另一端和所述第二电阻的另一端接运算放大器的负极性输入端；运算放大器的正 极性输入端接第四电阻的一端，所述第四电阻的另一端接地；所述运算放大器的负极性输 入端还同时接入第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端接运算放大器的输出端，输出信 号电压。4. 根据权利要求1所述的一种生物电与正交三角波调制多路信号的单路采集装置，其 特征在于，所述加法运算电路包括：第一电阻和第二电阻， 所述第一电阻的一端接入第一信号源，所述第二电阻的一端接入第二信号源，所述第 一电阻的另一端和所述第二电阻的另一端接运算放大器的正极性输入端；所述运算放大器 的负极性输入端同时接第三电阻和第四电阻的一端；所述第四电阻的另一端接地；所述第 三电阻的另一端接运算放大器的输出端，输出信号电压。5. -种用于权利要求1-4中任一权利要求所述的生物电与正交三角波调制多路信号 的单路采集装置的采集方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 混合信号由单路模数转换器转换成数字信号送入微处理器； 微处理器对数字信号进行低通滤波处理恢复出低频生物电信号；微处理器对数字信号 进行分离处理得到PPG信号和生物电信号，且PPG信号中的背景光干扰被消除； 分别计算PPG信号的谷值和峰值；再由PPG信号的谷值和峰值计算各个波长所对应的 吸光度差值AA，可以得到由吸光度差值AA组成的光谱值。6. 根据权利要求5所述的采集方法，其特征在于，所述微处理器对数字信号进行分离 处理得到PPG信号和生物电信号，且PPG信号中的背景光干扰被消除的步骤具体为： 在频率为If的正交三角波的一个周期内，分别对不同频率正交三角波的每个周期内 的正、负半个周期内的采样信号进行累加，正半周期累加结果与负半周期累加结果进行求 差运算，以分离出各路不同频率的正交三角波信号。
【专利摘要】本发明公开了一种生物电与正交三角波调制多路信号的单路采集装置及方法，该采集装置将N路生物医学信号经由一路模数转换器采集，包括加载有PPG信号的高频正交三角波和低频生物电信号。电流信号经电流/电压转换放大器转换成预设幅值电压信号，由生物电信号检测电路获得预设幅值生物电信号，预设幅值电压信号与预设幅值生物电信号经加法运算电路相加后得到混合信号，混合信号由单路模数转换器转换成数字信号，微处理器对数字信号进行处理，分离出调制正交三角波信号与低频生物电信号，并从调制正交三角波信号中解调出多路PPG信号。本发明实现了经由单路模数转换器对多路生物医学信号进行同步采集，且具有电路简单，成本低廉以及测量精确的特点。
【IPC分类】A61B5/04, H03D3/02
【公开号】CN104883131
【申请号】CN201510198720
【发明人】李刚, 易小清, 宋韶秀, 杨悦, 林凌
【申请人】天津大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月23日