生物電與正交正弦波調(diào)制多路信號的單路采集裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)信號采集領(lǐng)域，尤其涉及一種生物電與正交正弦波調(diào)制多路 信號的單路采集裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電壓信號等載有信息的變化量，在其自然狀態(tài)下是以模擬形式表示的，但是，為了 便于計算機處理，傳輸和儲存，通常要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，因此在生物醫(yī) 學(xué)信號處理中，模數(shù)轉(zhuǎn)換是必不可少的。
[0003] 發(fā)明人在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的多路生物醫(yī)學(xué)信號采集中，通常需采 用多片ADC或多路t旲擬開關(guān)搭配單片ADC的方案，如者具有電路復(fù)雜，系統(tǒng)功耗尚及電路尺 寸大的缺點；而后者則會在采集過程中，由于多路開關(guān)的切換，引入開關(guān)噪聲，以及由于多 路開關(guān)存在建立時間，會導(dǎo)致相鄰?fù)ǖ佬盘栔g相互干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種生物電與正交正弦波調(diào)制多路信號的單路采集裝置及方法，本 發(fā)明通過單路模數(shù)轉(zhuǎn)換器對多路生物醫(yī)學(xué)信號實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，詳見下文描述：
[0005] 一種生物電與正交正弦波調(diào)制多路信號的單路采集裝置，所述單路采集裝置包 括：微處理器，所述微處理器輸出不同頻率且成2倍比率關(guān)系的正交正弦波，正交正弦波驅(qū) 動至少2種發(fā)光二極管，發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)被測手指后被光敏器件接收，所述光敏器 件轉(zhuǎn)換成電流信號，電流信號經(jīng)電流/電壓轉(zhuǎn)換放大器轉(zhuǎn)換成預(yù)設(shè)幅值電壓信號；
[0006] 所述單路采集裝置還包括：低頻生物電信號檢測電路、加法運算電路以及單路模 數(shù)轉(zhuǎn)換器；
[0007] 所述低頻生物電信號檢測電路獲取預(yù)設(shè)幅值生物電信號，所述預(yù)設(shè)幅值電壓信號 與所述預(yù)設(shè)幅值生物電信號經(jīng)所述加法運算電路相加后得到混合信號，所述混合信號由所 述單路模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；
[0008] 所述微處理器對數(shù)字信號進行處理，分離出調(diào)制正交正弦波信號與低頻生物電信 號，并從調(diào)制正交正弦波信號中解調(diào)出多路PPG信號。
[0009] 所述低頻生物電信號具體為：ECG、EEG、EMG、EGG和EOG中的任意一種。
[0010] 其中，所述加法運算電路包括：第一電阻和第二電阻，所述第一電阻的一端接入第 一信號源，所述第二電阻的一端接入第二信號源，所述第一電阻的另一端和所述第二電阻 的另一端接運算放大器的負極性輸入端；運算放大器的正極性輸入端接第四電阻的一端， 所述第四電阻的另一端接地；所述運算放大器的負極性輸入端還同時接入第三電阻的一 端，所述第三電阻的另一端接運算放大器的輸出端，輸出信號電壓。
[0011] 另一實施例，所述加法運算電路包括：第一電阻和第二電阻，所述第一電阻的一端 接入第一信號源，所述第二電阻的一端接入第二信號源，所述第一電阻的另一端和所述第 二電阻的另一端接運算放大器的正極性輸入端；所述運算放大器的負極性輸入端同時接第 三電阻和第四電阻的一端；所述第四電阻的另一端接地；所述第三電阻的另一端接運算放 大器的輸出端，輸出信號電壓。
[0012] -種用于生物電與正交正弦波調(diào)制多路信號的單路采集裝置的采集方法，所述方 法包括以下步驟：
[0013] 混合信號由單路模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入微處理器；
[0014] 微處理器對數(shù)字信號進行低通濾波處理恢復(fù)出低頻生物電信號；微處理器對數(shù)字 信號進行鎖相計算、分離處理得到PPG信號和生物電信號，且PPG信號中的背景光干擾被消 除；
[0015] 分別計算PPG信號的谷值和峰值；再由PPG信號的谷值和峰值計算各個波長所對 應(yīng)的吸光度差值ΔΑ，可以得到由吸光度差值ΛΑ組成的光譜值。
[0016] 所述微處理器對數(shù)字信號進行鎖相計算、分離處理得到PPG信號和生物電信號， 且PPG信號中的背景光干擾被消除的步驟具體為：
[0017] 1)假設(shè)微處理器控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器以驅(qū)動發(fā)光二極管的最高頻率fmax的4M倍速度 對數(shù)字信號進行采樣，采樣頻率f s= 4MX f _，獲取采樣信號X (m)，其中M為大于等于1的 正整數(shù)；
【主權(quán)項】
1. 一種生物電與正交正弦波調(diào)制多路信號的單路采集裝置，所述單路采集裝置包括： 微處理器，所述微處理器輸出不同頻率的正交正弦波，正交正弦波驅(qū)動至少2種發(fā)光二極 管，發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)被測手指后被光敏器件接收，所述光敏器件轉(zhuǎn)換成電流信號，電 流信號經(jīng)電流/電壓轉(zhuǎn)換放大器轉(zhuǎn)換成預(yù)設(shè)幅值電壓信號；其特征在于， 所述單路采集裝置還包括；低頻生物電信號檢測電路、加法運算電路W及單路模數(shù)轉(zhuǎn) 換器； 所述低頻生物電信號檢測電路獲取預(yù)設(shè)幅值生物電信號，所述預(yù)設(shè)幅值電壓信號與所 述預(yù)設(shè)幅值生物電信號經(jīng)所述加法運算電路相加后得到混合信號，所述混合信號由所述單 路模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號； 所述微處理器對數(shù)字信號進行處理，分離出調(diào)制正交正弦波信號與低頻生物電信號， 并從調(diào)制正交正弦波信號中解調(diào)出多路PPG信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物電與正交正弦波調(diào)制多路信號的單路采集裝置，其 特征在于，所述低頻生物電信號具體為出〔6、666、616、666和606中的任意一種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物電與正交正弦波調(diào)制多路信號的單路采集裝置，其 特征在于，所述加法運算電路包括；第一電阻和第二電阻， 所述第一電阻的一端接入第一信號源，所述第二電阻的一端接入第二信號源，所述第 一電阻的另一端和所述第二電阻的另一端接運算放大器的負極性輸入端；運算放大器的正 極性輸入端接第四電阻的一端，所述第四電阻的另一端接地；所述運算放大器的負極性輸 入端還同時接入第=電阻的一端，所述第=電阻的另一端接運算放大器的輸出端，輸出信 號電壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物電與正交正弦波調(diào)制多路信號的單路采集裝置，其 特征在于，所述加法運算電路包括；第一電阻和第二電阻， 所述第一電阻的一端接入第一信號源，所述第二電阻的一端接入第二信號源，所述第 一電阻的另一端和所述第二電阻的另一端接運算放大器的正極性輸入端；所述運算放大器 的負極性輸入端同時接第=電阻和第四電阻的一端；所述第四電阻的另一端接地；所述第 S電阻的另一端接運算放大器的輸出端，輸出信號電壓。
5. -種用于權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求所述的生物電與正交正弦波調(diào)制多路信號 的單路采集裝置的采集方法，其特征在于，所述方法包括W下步驟： 混合信號由單路模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入微處理器； 微處理器對數(shù)字信號進行低通濾波處理恢復(fù)出低頻生物電信號；微處理器對數(shù)字信號 進行鎖相計算、分離處理得到PPG信號和生物電信號，且PPG信號中的背景光干擾被消除； 分別計算PPG信號的谷值和峰值；再由PPG信號的谷值和峰值計算各個波長所對應(yīng)的 吸光度差值A(chǔ)A，可W得到由吸光度差值A(chǔ)A組成的光譜值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的采集方法，其特征在于，所述微處理器對數(shù)字信號進行鎖相 計算、分離處理得到PPG信號和生物電信號，且PPG信號中的背景光干擾被消除的步驟具體 為： 1)假設(shè)微處理器控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器W驅(qū)動發(fā)光二極管的最高頻率fma，的4M倍速度對數(shù) 字信號進行采樣，采樣頻率f,= 4MXfm"，獲取采樣信號X(m)，其中M為大于等于1的正整 數(shù)；
2) 所述微處理器將采樣頻率f,= 4MXf下抽樣M倍到4Xfm"; 3) 根據(jù)采樣信號x(m)、微處理器產(chǎn)生的正交參考序列y,(k)和yt(k)計算兩個正交分 量Rs和RC;
Q表示所用采樣信號序列的長度； 4) 對采樣信號x(m)下抽樣2倍，重復(fù)第3)步，繼續(xù)計算頻率低一半數(shù)字信號的兩個正 交分量Rs和R。，直到計算、分離完全部頻率的PPG信號。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種生物電與正交正弦波調(diào)制多路信號的單路采集裝置及方法，該采集裝置將N路生物醫(yī)學(xué)信號經(jīng)由一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集，包括加載有PPG信號的高頻正交正弦波和低頻生物電信號。電流信號經(jīng)電流/電壓轉(zhuǎn)換放大器轉(zhuǎn)換成預(yù)設(shè)幅值電壓信號，由生物電信號檢測電路獲得預(yù)設(shè)幅值生物電信號，預(yù)設(shè)幅值電壓信號與預(yù)設(shè)幅值生物電信號經(jīng)加法運算電路相加后得到混合信號，混合信號由單路模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，微處理器對數(shù)字信號進行處理，分離出調(diào)制正交正弦波信號與低頻生物電信號，并從調(diào)制正交正弦波信號中解調(diào)出多路PPG信號。本發(fā)明實現(xiàn)了經(jīng)由單路模數(shù)轉(zhuǎn)換器對多路生物醫(yī)學(xué)信號進行同步采集，且具有電路簡單，成本低廉以及測量精確的特點。
【IPC分類】A61B5-04
【公開號】CN104783776
【申請?zhí)枴緾N201510196451
【發(fā)明人】李剛, 楊悅, 易小清, 宋韶秀, 林凌
【申請人】天津大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月23日