生物體表電信號探測電極陣列的制作方法
【專利摘要】一種生物體表電信號探測電極陣列，包括柔性印刷電路板的電極載體，所述電極載體采用雙面印刷電路布線，在電極載體上設有陣列狀排列的電極點，所述電極載體的電極點陣列左右平均分割為2個區域，并分別采用2?3mm的印刷電路布線作為地線進行全封閉包圍，所述電極點上還設置有微型加熱電阻，每個微型加熱電阻有兩個引腳，其中一個引腳通過與焊盤另一側的PCB布線，連接至公共接口端，另一個引腳通過與焊盤另一側的PCB布線，連接至5V電源，所述微型加熱電阻與焊盤、焊錫之間均呈絕緣連接，且微型加熱電阻本體埋于焊錫之中。本實用新型可使得每個電極點的溫度可控，減小溫度誤差。
【專利說明】
生物體表電信號探測電極陣列
技術領域
[0001]本發明涉及一種適用于生物體表面微弱電信號的探測電極陣列的設計方法。
【背景技術】
[0002]生物體表面的電信號探測一直是生物醫學領域的難題之一。生物體表的電信號探測有以下問題:
[0003]1、信號幅度非常微弱，如神經電位、肌電信號等，用常規的探測方法和設備無法直接獲取，若引入放大器，則會帶來很大干擾并使得原有信號特征被噪聲信號淹沒。
[0004]2、現有生物電信號的獲取大部分采用微電極，并且為了獲取神經電信號、生物觸發信號等微弱信號，為了避免噪聲，采用侵入式探測方法(如針狀電極等)，不僅對被測生物體帶來了額外的傷害，而且會引入新的噪聲。
[0005]3、生物信號是非平穩信號，隨機性強，根據不同的測試條件和需求，電極的狀態和探測方法需要及時改變。
[0006]4、因為生物體和生物信號本身的特性，現有的探測電極無法保證測試條件的一致性。
[0007]針對上述問題，本發明提出一種針對生物體表微弱電信號探測的電極陣列探測系統。
【發明內容】
[0008]本發明所要解決的技術問題是為生物體體表微弱電信號提供一種高效、可靠的電極探測系統，以實現電信號的穩定、高效探測。
[0009 ]為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案:
[0010]—種生物體表微弱電信號探測電極系統，包括采用柔性印刷電路板的電極載體，所述電極載體采用雙面印刷電路布線，在電極載體上設有陣列狀排列的電極點，所述電極載體的電極點陣列左右平均分割為2個區域，并分別采用2-3_的印刷電路布線作為地線進行全封閉包圍，并且所述的電極點上設置焊盤，并通過焊錫填充焊盤的方式實現焊錫與焊盤的電連接，焊錫表面鍍銀或氯化銀，在采用雙面電路布線的電極載體的其中一面印刷電路上將各電極點焊盤通過印刷布線電連接至公共接口端，公共接口端通過屏蔽電纜連接至激勵源和信號采集器，公共接口端可根據需要對探測點電極的探測/激勵以及電平狀態進行控制，所述電極點上還設置有微型加熱電阻，微型加熱電阻通過與焊盤另一側的PCB布線，連接至公共接口端，所述微型加熱電阻與焊盤呈絕緣連接，且微型加熱電阻本體埋于焊錫之中。所述的生物體表微弱電信號探測電極系統，其特征在于:所述電極點上的焊錫填充高度統一控制在5mm，形狀為半球形。
[0011]該探測電極配套使用的探測系統，其設計要點如下:采用低頻屏蔽電纜制作連接線組件，避免微弱電信號的互相干擾和引入噪聲。其接線包括每個電極點的數據連接線、接地信號傳輸專用線路。數據連接線與接地信號線交錯排列以最大限度的降低信號線之間的串擾。輸出端口與控制電路板連接，且控制電路板的電路地與電極探測地相連，保證接地電位的統一。
[0012]優選的，微型加熱電阻表面可涂覆復合樹脂絕緣材料。
[0013]控制系統包括信號前端輸入光電耦合放大模塊、低通濾波模塊、單片機控制模塊、輸出放大模塊、存儲模塊、輸入鍵盤。光電耦合放大模塊采用OPA系列光電耦合一體化放大芯片即可;低通濾波模塊采用二階巴特沃夫濾波器，截止頻率設計為15kHz。單片機控制模塊對輸入、輸出信號進行協調控制，并且通過串行口連接E2R0M芯片或USB芯片，實現采集數據的片上存儲或USB外部存儲器存儲。
[0014]該控制系統的PCB設計采用多組屏蔽的設計方法，其地線采用2-3mm的超寬布線，且走線形狀為閉環包圍形式，以使得地線包圍范圍內的電極實現較高的隔離效果。
[0015]單片機控制流程如下:
[0016]1、在空載狀態下先對電極陣列的邊角四個位置的電極點和中心位置的四個電極點進行掃描，判斷其電平的誤差，如果在5%以上，則通過改變電極單元的溫度進行校準。通過單片機控制不同區域的加熱電阻輸出功率，直至系統誤差符合要求。
[0017]2、通過用戶鍵盤對電極點的輸入和輸出狀態進行逐一設定。
[0018]3、對預置的輸入信號進行選擇。典型的輸入信號可選擇:方波、三角波、正弦波、高電平、低電平。同時設定輸入信號的峰峰值(mV)、周期(ms)。
[0019]4、按照設定對電極進行驅動，同時掃描探測電極點的數據，將其存儲在存儲器單元中。
[0020]本發明的生物體體表電信號探測電極，采用柔性、絕緣的材料作為電極陣列排布的載體，電極底部呈現半球狀表面與體表接觸，所有電極可根據生物信號探測需要實現編程，可以連接信號發生器作為激勵電極，也可以連接示波器或信號采集裝置作為探測電極，亦可以接地作為屏蔽電極。如果需要探測恒定電平在生物體內的傳輸特性，還可以將探測或激勵電極直接設定為高/低電平位置，可實現生物體表信號的高速、靈活化的測量。
[0021]該探測系統的控制端包括以下幾部分組成:電路基板、單片機芯片及其外圍電路、開關陣列及其地址線和數據線、信號采集電路模塊、存儲模塊、信號激勵模塊、上位機通信豐旲塊、輸入鍵盤t旲塊及顯不t旲塊。
[0022]該系統以單片機為核心，對開關陣列進行控制，開關狀態為導通，則所對應端口為待測或激勵狀態，開關狀態斷開則所對應端口為接地狀態，呈現低電平。開關陣列通過地址線及數據線與單片機通信，并接受單片機控制。
[0023]信號采集電路包括前級放大器、光電耦合電路、電源隔離模塊及低通濾波器。所述前級放大器選用三組普通運放器件組成差動放大器以抑制共模噪聲;光電耦合電路選擇內部帶有光電隔離的一體式儀器放大器，電源隔離模塊選擇DC/DC隔離芯片。低通濾波器采用巴特沃斯二階濾波器，截止頻率為8kHz_l 5kHz。
[0024]上述模塊采用一點接地方式接地，并且控制模塊表面采用金屬屏蔽罩以杜絕電磁干擾。
[0025]與現有的電生理探測技術相比，本發明具有以下技術效果:
[0026]I)可以非平面多點同時探測或激勵，并實現高速、高通量的測試以及存儲。
[0027]2)在實際探測應用時，該探測電極系統只需固定一次，后續的各電極狀態可根據單片機編程實現，以最大限度保證試驗條件的一致性。
[0028]3)電極陣列采用柔性PCB板作為基底，可根據生物體表形狀進行貼合，同時在電極表面鍍氯化銀作為非極化電極，最大限度的減小接觸環節噪聲的引入。
[0029]4)通過設定電極陣列上的幾個、一排或多排電極的接地，可以有效的實現激勵信號、探測信號在電學上的隔離，以防止偽跡的出現。
[0030]5)針對該電極陣列設計的探測系統采用了單片機智能控制、多種連接方式、低噪聲設計等，實現了針對體表電生理信號的高效探測。
【附圖說明】
[0031 ]圖1是生物體表電信號探測電極陣列俯視示意圖。
[0032]圖2是生物體表電信號探測電極陣列中電極單元的側視示意圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖，作詳細說明，如圖1、圖2所示，采用柔性印刷電路板的電極載體3，所述電極載體3采用雙面印刷電路布線，在電極載體3上設有陣列狀排列的電極點2，所述電極載體3的電極點陣列左右平均分割為2個區域，并分別采用2-3_的印刷電路布線作為地線I進行全封閉包圍，并且所述的電極點2上設置焊盤6，并通過焊錫7填充焊盤的方式實現焊錫7與焊盤6的電連接，焊錫表面鍍銀或氯化銀8，在采用雙面電路布線的電極載體3的其中一面印刷電路上將各電極點2焊盤6通過印刷布線4電連接至公共接口端5，公共接口端5通過屏蔽電纜連接至激勵源和信號采集器，公共接口端5可根據需要對探測點電極的探測/激勵以及電平狀態進行控制，所述電極點2上還設置有微型加熱電阻9，每個微型加熱電阻9有兩個引腳，其中一個引腳通過與焊盤6另一側的PCB布線，連接至公共接口端5，另一個引腳通過與焊盤6另一側的PCB布線，連接至5V電源，所述微型加熱電阻與焊盤6、焊錫7之間均呈絕緣連接，且微型加熱電阻9本體埋于焊錫之中。所述電極點2上的焊錫7填充高度統一控制在5mm，形狀為半球形。并且在電路板上將各電極點位焊盤通過印刷布線的方式電連接至公共接口端，公共接口端可根據需要對探測點電極的探測/激勵以及電平進行控制。在電極點位上，通過焊錫填充焊盤的方式實現焊錫與焊盤的電連接。焊錫表面鍍氯化銀，以適應多次測量的環境而避免被氧化。
[0034]電極點2上的微型加熱電阻9其中一個引腳連接至公共接口端后，連接鎖存器后再連接至控制系統。
[0035]采用低頻屏蔽電纜，優選同軸電纜制作連接線組件，避免微弱電信號的互相干擾和引入噪聲。其接線包括每個電極點的數據連接線、接地信號傳輸專用線路。數據連接線與接地信號線交錯排列以最大限度的降低信號線之間的串擾。輸出端口 5與控制電路板連接，且控制電路板的電路地與電極探測地相連，保證接地電位的統一。
[0036]信號控制端包括:信號前端輸入光電耦合放大模塊、低通濾波模塊、單片機控制模塊、輸出放大模塊、外接存儲模塊、輸入鍵盤，所述單片機控制模塊通過串行口與存儲模塊連接，所述外接存儲模塊采用E2R0M芯片或FLASH閃存芯片。通過單片機編程控制通道選擇器的狀態，實現電極陣列的電極選擇，并確定工作模式是輸入或輸出，如果是輸入模式，則信號經過光電耦合、放大電路、低通濾波電路、單片機輸入接口后輸入單片機，進而由單片機系統存儲于外接存儲模塊，實現電極信號的采集;如果是輸出模式，則根據單片機程序產生的信號通過放大模塊、通道選擇器后加到指定電極上實現電極信號的激勵，特別的，在此模式下輸出的信號為O，則電極電位為O，工作狀態為接地(屏蔽)；通過單片機對通道選擇器每個通道的循環選擇，實現電極陣列上所有電極狀態的控制。使用單片機系統通過地址線、數據線分別設定各電極的工作狀態，為接地電極(屏蔽電極)、探測電極、激勵電極中的一種。同時，由單片機可以選通指定的電極點內的微型加熱電阻進行激勵，使其產生熱量，電極點內微型加熱電阻的選取方法與電極點的選取方法相同，也通過單片機控制通道選擇器進行加熱。單片機選通某電極點內微型加熱電阻的方法是:通過通道選擇器定位到某一個微型加熱電阻，如果需要加熱，輸出為低電平(O電平)，經鎖存器鎖存，則微型加熱電阻產生5V壓降，進行加熱;如果不需要加熱，輸出為高電平(5V)，經鎖存器鎖存，則微型加熱電阻兩端無壓降，則不進行加熱。
[0037]所述光電親合放大模塊米用OPA系列光電親合一體化放大芯片，所述低通濾波模塊采用二階巴特沃夫濾波器，截止頻率設計為llkHz-15kHz，所述的通道選擇器可采用1-3片CD4067芯片。
[0038]整個電極基板平均分為左右兩個區域。根據實驗方案，使用單片機系統通過地址線、數據線分別設定各電極的工作狀態，為接地電極、探測電極、激勵電極中的一種。實現激勵、探測信號在電學上的隔離，在電極上形成一個信號傳輸通道。
[0039]電極基板進入待測狀態后，單片機對基板上不同位置的電極信號進行掃描式探測，并將探測結果臨時存儲于E2R0M或外置存儲器中，對所有電極點的靜態電位(直流電平)進行測定。全部掃描完成后取最大值Vm，并再次對電極點進行逐一校準，校準方式為:對每個電極點進行加熱，加熱后期探測值Vi (i = l,2,3……)將會升高，直至其升高到Vm值的5 %誤差限之內為止，如此循環一遍，直至每個電極點的探測目標值差距均達到5%以內，即可開始進行實際探測。這樣的方式可通過溫度漂移的誤差抵消接觸電阻、濕度變化、外界干擾等其他引入誤差，實現探測的誤差最小化。
[0040]對預置的輸入信號進行選擇。典型的輸入信號可選擇:方波、三角波、正弦波、高電平、低電平。同時設定輸出激勵信號的峰峰值(mV)、周期(ms)，以及探測電極的采集周期，優選為0.05ms。按照設定對電極進行驅動，同時通過并行或串行方式掃描探測電極點的數據，將其以離散數據點的形式存儲在存儲器單元中。
【主權項】
1.一種生物體表電信號探測電極陣列，其特征在于:采用柔性印刷電路板的電極載體(3)，所述電極載體(3)采用雙面印刷電路布線，在電極載體(3)上設有陣列狀排列的電極點(2)，所述電極載體(3)的電極點陣列左右平均分割為2個區域，并分別采用2-3mm的印刷電路布線作為地線(I)進行全封閉包圍，并且所述的電極點(2)上設置焊盤(6)，并通過焊錫(7)填充焊盤的方式實現焊錫(7)與焊盤(6)的電連接，焊錫表面鍍銀或氯化銀(8)，在采用雙面電路布線的電極載體(3)的其中一面印刷電路上將各電極點(2)焊盤(6)通過印刷布線(4)電連接至公共接口端(5)，公共接口端(5)通過屏蔽電纜連接至激勵源和信號采集器，公共接口端(5)可根據需要對探測點電極的探測/激勵以及電平狀態進行控制，所述電極點(2)上還設置有微型加熱電阻(9)，每個微型加熱電阻(9)有兩個引腳，其中一個引腳通過與焊盤(6)另一側的PCB布線，連接至公共接口端(5)，另一個引腳通過與焊盤(6)另一側的PCB布線，連接至5V電源，所述微型加熱電阻與焊盤(6)、焊錫(7)之間均呈絕緣連接，且微型加熱電阻(9)本體埋于焊錫之中。2.根據權利要求1所述的生物體表電信號探測電極陣列，其特征在于:所述電極點(2)上的焊錫(7)填充高度統一控制在5mm，形狀為半球形。3.根據權利要求1所述的生物體表電信號探測電極陣列，其特征在于:所述電極點(2)上的微型加熱電阻(9)其中一個引腳連接至公共接口端后，連接鎖存器后再連接至控制系統。4.根據權利要求1或權利要求2所述的生物體表電信號探測電極陣列，其特征在于:所述微型加熱電阻表面涂覆復合樹脂絕緣材料。
【文檔編號】A61B5/04GK205672022SQ201620205630
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年3月17日 公開號201620205630.7, CN 201620205630, CN 205672022 U, CN 205672022U, CN-U-205672022, CN201620205630, CN201620205630.7, CN205672022 U, CN205672022U
【發明人】王宇航, 黃岑宇
【申請人】鎮江市高等專科學校