生物电与方波调制多路信号的单路采集装置及方法.pdf

本发明公开了一种生物电与方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信号的高频方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，分离出调制方波信号与低频生物电信号，并从调制方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。

1.  一种生物电与方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倍比率关系的方波，方波驱动至少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，分离出调制方波信号与低频生物电信号，并从调制方波信号中解调出PPG信号。

2.  根据权利要求1所述的一种生物电与方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方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方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.  一种用于权利要求1-4中任一权利要求所述的生物电与方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ΔA，可以得到由吸光度差值ΔA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：
假设微处理器输出驱动发光二极管2的方波信号频率分别为8f、4f、2f、1f，单路模数转换器的采样频率为f_s，且f_s＝16f，并保证在最高频驱动信号的高、低电平中间采样；
方波信号高低电平采样点个数均为n，且为最低频信号的整周期；分别求取n个高电平采样点的电压幅值之和、n个低电平采样点的电压幅值之和，获取两个电压幅值之和的差值；该差值为n倍的PPG信号；消除背景光及低频生物电信号的干扰，获得PPG信号。

生物电与方波调制多路信号的单路采集装置及方法
技术领域
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方波调制多路信号的单路采集装置及方法。
背景技术
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。
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或多路模拟开关搭配单片ADC的方案，前者具有电路复杂，系统功耗高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
本发明提供了一种生物电与方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：
一种生物电与方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倍比率关系的方波，方波驱动至少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；
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，分离出调制方波信号与低频生物电信号，并从调制方波信号中解调出PPG信号。
其中，所述低频生物电信号具体为：ECG、EEG、EMG、EGG和EOG中的任意一种。
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。
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。
一种用于生物电与方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：
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ΔA，可以得到由吸光度差值ΔA组成的光谱值。
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：
假设微处理器输出驱动发光二极管2的方波信号频率分别为8f、4f、2f、1f，单路模数转换器的采样频率为f_s，且f_s＝16f，并保证在最高频驱动信号的高、低电平中间采样；
方波信号高低电平采样点个数均为n，且为最低频信号的整周期；分别求取n个高电平采样点的电压幅值之和、n个低电平采样点的电压幅值之和，获取两个电压幅值之和的差值；该差值为n倍的PPG信号；消除背景光及低频生物电信号的干扰，获得PPG信号。
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
图1为一种生物电与方波调制多路信号的单路采集装置的结构示意图；
图2为加法运算电路的结构示意图；
图3为加法运算电路的另一结构示意图；
图4为本发明提供的分离不同波长PPG信号的示意图；
图5为一种生物电与方波调制多路信号的单路采集方法的流程图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：微处理器；                    2：发光二极管；
3：光敏器件；                    4：电流/电压转换放大器；
5：低频生物电信号检测电路；      6：加法运算电路；
7：单路模数转换器。
具体实施方式
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。
实施例1
一种生物电与方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，
微处理器1输出不同频率且成2倍比率关系的方波，方波驱动至少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。
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，分离出调制方波信号与低频生物电信号，并从调制方波信号中解调出PPG信号。
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。
其中，低频生物电信号包括：ECG、EEG、EMG、EGG、EOG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。
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。
实施例2
一种生物电与方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R₁和第二电阻R₂，
第一电阻R₁的一端接入第一信号源V₁，第二电阻R₂的一端接入第二信号源V₂，第一电阻R₁的另一端和第二电阻R₂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_o。
第一信号源V₁、第二信号源V₂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V₁、第二信号源V₂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_o为混合信号。
实施例3
一种生物电与方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R₁和第二电阻R₂，
第一电阻R₁的一端接入第一信号源V₁，第二电阻R₂的一端接入第二信号源V₂，第一电阻R₁的另一端和第二电阻R₂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R₄的一端；第四电阻R₄的另一端接地；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_o。
第一信号源V₁、第二信号源V₂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V₁、第二信号源V₂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_o为混合信号。
实施例4
一种生物电与方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：
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；
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。
其中，该步骤具体为：
1)假设微处理器1输出驱动发光二极管2的方波信号频率分别为8f、4f、2f、1f，单路模数转换器7的采样频率为f_s，且f_s＝16f，并保证在最高频(8f)驱动信号的高、低电平中间采样；
2)方波信号高低电平采样点个数均为n，且为最低频(1f)信号的整周期，分别求取n个高电平采样点的电压幅值之和、n个低电平采样点的电压幅值之和，获取两个电压幅值之和的差值；该差值为n倍的PPG信号(与方波的波长相对应)；消除背景光及低频生物电信号的干扰，获得PPG信号。
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λ1、λ2、λ3和λ4波长的发光二极管的驱动方波频率分别为8f、4f、2f和f。
假定单路模拟转换器7的采样频率为f_S，且f_S＝2f，并保证在λ1驱动信号高、低电平中间采样。
数字信号序列可以表示为：
Dit=Diλ1+Diλ2+Diλ3+Diλ4+DiB---(1)]]>
其中，和分别为波长λ1、λ2、λ3和λ4的PPG信号，为低频信号，包括：低频生物电信号、背景光、光敏器件3的暗电流、电流/电压转换放大器4的失调电压。
假定采样频率f_S远高于调制方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方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：

其中，和分别为波长λ1、λ2、λ3和λ4的PPG信号和背景信号的幅值。
换言之，以顺序每16个数字信号为一组进行运算：
D16n+1-D16n+2+D16n+3-D16n+4+D16n+5-D16n+6+D16n+7-D16n+8+D16n+9-D16n+10+D16n+11-D16n+12+D16n+13-D16n+14+D16n+15-D16n+16=8DAnλ1,n=0,1,2......---(3)]]>
即得到8倍的波长λ1的PPG信号而且完全消除了低频信号的影响。
D16n+1+D16n+2-D16n+3-D16n+4+D16n+5+D16n+6-D16n+7-D16n+8+D16n+9+D16n+10-D16n+11-D16n+12+D16n+13+D16n+14-D16n+15-D16n+16=8DAnλ2,n=0,1,2......---(4)]]>
即得到8倍的波长λ2的PPG信号而且完全消除了低频信号的影响。
D16n+1+D16n+2+D16n+3+D16n+4-D16n+5-D16n+6-D16n+7-D16n+8+D16n+9+D16n+10+D16n+11+D16n+12-D16n+13-D16n+14-D16n+15-D16n+16=8DAnλ3,n=0,1,2......---(5)]]>
即得到8倍的波长λ3的PPG信号而且完全消除了低频信号的影响。
D16n+1+D16n+2+D16n+3+D16n+4+D16n+5+D16n+6+D16n+7+D16n+8-D16n+9-D16n+10-D16n+11-D16n+12-D16n+13-D16n+14-D16n+15-D16n+16=8DAnλ4,n=0,1,2......---(6)]]>
即得到8倍的波长λ4的PPG信号而且完全消除了低频信号的影响。
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ΔA，可以得到由ΔA_λ1、ΔA_λ2……ΔA_λn组成的光谱值。
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。
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I_max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I_min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。
设入射光强为I₀，动脉充盈时检测光强和动脉收缩时检测光强分别为I_min和I_max，则动脉充盈时的吸光度和动脉收缩时的吸光度差值为：
ΔA=A1-A2=lg(I0Imin)-lg(I0Imax)=lg(ImaxImin)---(7)]]>
测量各个光电容积脉搏波的谷值I_min和峰值I_max即可得到光电容积脉搏波所对应的吸光度差值ΔA，可以得到由ΔA_λ1、ΔA_λ2……ΔA_λn组成的光谱值。
即，分别计算波长λ1、λ2、λ3和λ4的PPG信号的谷值和峰值：I_minλ1、I_maxλ1、I_minλ2、I_maxλ2、I_minλ3、I_maxλ3、I_minλ4和I_maxλ4。
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。
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。
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。