生物電與正弦波調制多路信號的單路采集裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及生物醫學信號采集領域，尤其涉及一種生物電與正弦波調制多路信號 的單路采集裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 電壓信號等載有信息的變化量，在其自然狀態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，通常要通過模數轉換器將其轉變為數字信號，因此在生物醫 學信號處理中，模數轉換是必不可少的。
[0003] 發明人在實現本發明的過程中發現，現有的多路生物醫學信號采集中，通常需采 用多片ADC或多路t旲擬開關搭配單片ADC的方案，如者具有電路復雜，系統功耗尚及電路尺 寸大的缺點；而后者則會在采集過程中，由于多路開關的切換，引入開關噪聲，以及由于多 路開關存在建立時間，會導致相鄰通道信號之間相互干擾。
【發明內容】
[0004] 本發明提供了一種生物電與正弦波調制多路信號的單路采集裝置及方法，本發明 通過單路模數轉換器對多路生物醫學信號實現模數轉換，詳見下文描述：
[0005] -種生物電與正弦波調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倍比率關系的正弦波，正弦波驅動至少2種發光 二極管，發光二極管發出的光經被測手指后被光敏器件接收，所述光敏器件轉換成電流信 號，電流信號經電流/電壓轉換放大器轉換成預設幅值電壓信號；
[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 數轉換器；
[0007] 所述低頻生物電信號檢測電路獲取預設幅值生物電信號，所述預設幅值電壓信號 與所述預設幅值生物電信號經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 述單路模數轉換器轉換成數字信號；
[0008] 所述微處理器對數字信號進行處理，分離出調制正弦波信號與低頻生物電信號， 并從調制正弦波信號中解調出多路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] 一種用于生物電與正弦波調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轉換器轉換成數字信號送入微處理器；
[0014] 微處理器對數字信號進行低通濾波處理恢復出低頻生物電信號；微處理器對數字 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)假設微處理器控制模數轉換器以驅動發光二極管的最高頻率fmax的4M倍速度 對數字信號進行采樣，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；
【主權項】
1. 一種生物電與正弦波調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倍比率關系的正弦波，正弦波驅動至少2種發光二 極管，發光二極管發出的光經被測手指后被光敏器件接收，所述光敏器件轉換成電流信號， 電流信號經電流/電壓轉換放大器轉換成預設幅值電壓信號；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及單路模數轉 換器； 所述低頻生物電信號檢測電路獲取預設幅值生物電信號，所述預設幅值電壓信號與所 述預設幅值生物電信號經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 路模數轉換器轉換成數字信號； 所述微處理器對數字信號進行處理，分離出調制正弦波信號與低頻生物電信號，并從 調制正弦波信號中解調出多路PPG信號。
2. 根據權利要求1所述的一種生物電與正弦波調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. 根據權利要求1所述的一種生物電與正弦波調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. 根據權利要求1所述的一種生物電與正弦波調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. -種用于權利要求1-4中任一權利要求所述的生物電與正弦波調制多路信號的單 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轉換器轉換成數字信號送入微處理器； 微處理器對數字信號進行低通濾波處理恢復出低頻生物電信號；微處理器對數字信號 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的 吸光度差值AA，可W得到由吸光度差值AA組成的光譜值。
6. 根據權利要求5所述的采集方法，其特征在于，所述微處理器對數字信號進行鎖相 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)假設微處理器控制模數轉換器W驅動發光二極管的最高頻率fma，的4M倍速度對數 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；
2) 所述微處理器將采樣頻率f,= 4MXf 抽樣M倍到4Xfm"; 3) 根據采樣信號x(m)、微處理器產生的正交參考序列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) 根據正交分量氏和Re通過低通濾波獲取數字信號的幅值A和相角0 ;
0為下抽樣M倍而取的某個常數值； 5) 對采樣信號x(m)下抽樣2倍，重復第3)步、4)步繼續計算頻率低一半數字信號的 幅值A和相角0，直到計算、分離完全部頻率的PPG信號。
【專利摘要】本發明公開了一種生物電與正弦波調制多路信號的單路采集裝置及方法，該采集裝置將N路生物醫學信號經由一路模數轉換器采集，包括加載有PPG信號的高頻正弦波和低頻生物電信號。電流信號經電流/電壓轉換放大器轉換成預設幅值電壓信號，由生物電信號檢測電路獲得預設幅值生物電信號，預設幅值電壓信號與預設幅值生物電信號經加法運算電路相加后得到混合信號，混合信號由單路模數轉換器轉換成數字信號，微處理器對數字信號進行處理，分離出調制正弦波信號與低頻生物電信號，并從調制正弦波信號中解調出多路PPG信號。本發明實現了經由單路模數轉換器對多路生物醫學信號進行同步采集，且具有電路簡單，成本低廉以及測量精確的特點。
【IPC分類】A61B5-0496, A61B5-0488, A61B5-0476, A61B5-0402, A61B5-04
【公開號】CN104783777
【申請號】CN201510196508
【發明人】李剛, 楊悅, 易小清, 宋韶秀, 林凌
【申請人】天津大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月23日