專利名稱：測量生物電信號的設備和方法
技術領域：
本公開涉及測量受試者的生物電信號的方法和設備，更具體地講，涉及通過從受試者的生物電信號去除運動偽像(motion artifact)來更準確地測量受試者的生物電信號的方法和設備。
背景技術：
已經使用或開發出了用于診斷患者的健康狀態的各種醫學器械。此外，考慮到健康診斷過程期間患者的便利性和做出健康診斷結果的速度，用于測量患者的生物電信號的醫學器械的重要性正在不斷地提升。 生物電信號是以從受試者的肌肉細胞或神經細胞產生的電勢或電流的形式的、并通過收集并分析由附著到受試者的身體的電極檢測到的電信號中的改變而得到的信號。當測量生物電信號吋，因受試者的運動而產生了運動偽像。運動偽像因使測量結果的波形失真(distort)而干擾生物電信號的準確測量。

發明內容
提供了ー種通過從生物電信號去除因受試者在測量生物電信號期間的運動而產生的運動偽像來準確地測量受試者的生物電信號的方法和設備。提供了一種記錄有用于執行上述方法的程序的計算機可讀記錄介質。另外的方面將在下面的描述中進行一定程度地闡述，并且通過這樣的描述而在一定程度上變得明顯，或者可以通過實施所提供的實施例而獲知。根據本發明的一方面，ー種生物電信號測量設備包括至少ー個第一接ロ，所述至少ー個第一接ロ在與受試者的皮膚接觸時通過與皮膚進行電連接來檢測受試者的生物電信號；至少ー個第二接ロ，所述至少ー個第二接ロ在與受試者的皮膚接觸時通過與皮膚進行具有與第一接ロ的狀態不同的狀態的電連接來檢測與生物電信號不同的信號；信號處理器，信號處理器從檢測的生物電信號去除第一接口和皮膚之間的運動偽像。根據本發明的另一方面，一種測量生物電信號的方法包括下述步驟接收經接觸受試者的皮膚的Iw接口和2w接ロ檢測的生物電信號；接收經接觸受試者的皮膚的Id接ロ和2d接ロ檢測的電勢信號；利用接收的電勢信號來得到與運動偽像成比例的信號；利用得到的與運動偽像成比例的信號來執行從接收的生物電信號去除運動偽像的操作；其中，通過Iw接口和2w接ロ與皮膚的電連接來檢測生物電信號，通過Id接口和2d接ロ與皮膚的電連接來檢測電勢信號，與皮膚電連接的Id接口和2d接ロ的電學條件不同于與皮膚電連接的Iw接口和2w接ロ的電學條件。根據本發明的另一方面，一種計算機可讀記錄介質在其上記錄有用于執行上述方法的程序。


通過下面結合附圖對實施例的描述，這些和/或其他的方面將變得明顯并更容易通解，在附圖中圖I示意性示出根據本發明的實施例的生物電信號測量設備的結構；圖2是圖I的生物電信號測量設備接觸受試者的皮膚的接觸表面的剖視圖；圖3是示出圖I的生物電信號測量設備的運動偽像和根據形成接ロ的電極的類型的接觸阻抗的變化之間的相關性曲線圖；圖4示意性示出根據本發明的實施例的圖I的生物電信號測量設備的布置有形成接ロ的電極的底表面；　圖5示意性示出根據本發明的另ー實施例的圖I的生物電信號測量設備的布置有形成接ロ的電極的底表面；圖6是示出形成圖5的接ロ Elw、E2w、E3w的電極的突起的形狀以及具有突起的形狀的電極穿入到皮膚的角質層并與角質層下的表皮形成電接觸點的狀態的剖視圖。圖7A示意性示出根據本發明的另ー實施例的圖I的生物電信號測量設備的布置有形成接ロ的電極的底表面；圖7B示出附于圖7A的生物電信號測量設備的粘附片；圖8示出根據本發明的實施例的形成圖I的生物電信號測量設備的電路的示例；圖9示出根據本發明的實施例的采用了自適應濾波器的圖I的生物電信號測量設備的處理器的操作；圖10示出根據現有技術的生物電信號測量設備的電路；圖IlA是沿線A-A’截取的圖7A的生物電信號測量設備的剖視圖；圖IlB是沿線B-A’截取的圖7B的粘附片的剖視圖；圖12是用于說明根據本發明的實施例的測量生物電信號的方法的流程圖。
具體實施例方式現在，將對實施例進行詳細地說明，在附圖中示出了實施例的示例，其中，相同的標號時鐘指示相同的元件。就此，當前的實施例可以具有許多不同的形式，且不應將當前的實施例視為限于這里闡述的描述。因此，僅通過參照附圖在下面對實施例進行描述，以說明當前的描述的多個方面。如這里所使用的，術語“和/或”包括一個或多個相關所列項目的
任意和所有組合。當表述“......中的至少ー個”位于一系列元件之后時，其修飾整個系列
的元件，且不修飾該系列中的單獨的元件。圖I示意性示出根據本發明的實施例的生物電信號測量設備100的結構。參照圖1，生物電信號測量設備100包括接ロ 120-150、運動偽像提取單元160和生物電信號提取單元170。運動偽像提取單元160和生物電信號提取單元170構成圖I的信號處理器180。圖I的生物電信號測量設備100僅是本發明的ー個示例，本發明所屬領域的技術人員可以理解基于在圖I中示出的構成元件所進行的各種可能的變形。圖I的生物電信號測量設備100用于測量受試者110的生物電信號。生物電信號是從人體的肌肉細胞或神經細胞產生的以電勢或電流的形式的信號，并可以被稱為生物電勢或生物電流。為了便于說明，假設使用生物電信號測量設備100檢測的生物電信號為電勢的形式。參照圖I，生物電信號測量設備100利用附于受試者110的身體的接ロ 120-150來檢測生物電信號。接ロ 120-150電連接到受試者110的皮膚(或與受試者110的皮膚電連接)，以檢測受試者110的 生物電信號。S卩，接ロ 120-150是電接觸活體以在活體和用于測量生物電信號的電路之間交換電信號的電極。一個接ロ可以由至少ー個電極形成。形成一個接ロ的ー個或多個電極位于具有相同電勢的同一節點上。形成ー個接ロ的ー個或多個電極以準確檢測生物電信號并與受試者110的皮膚接觸的各種方式進行布置。形成一個接ロ的電極的布置將在下面參照圖4-圖5以及圖7來描述。通常，使用從位于彼此分開預定距離的位置處的電勢不同的兩個接ロ Elw和E2w(120和140)檢測的電勢值(即，電壓)之間的差異來測量生物電信號。具體地講，通過差分放大從位于受試者110的皮膚上的彼此分開預定距離的位置處的兩個接ロ Elw和E2w(120和140)獲得的電勢值來測量生物電信號，以得到與生物電信號對應的電壓值的波形。獲得的生物電信號的電壓值的波形包括噪聲。與神經細胞或肌肉細胞中產生的電勢或電流對應的生物電信號是具有非常小的幅值的電信號，并因此受噪聲影響非常大。具體地講，生物電信號測量設備100測量使用附于人體的兩個接ロ Elw和E2w(120和140)的電極來生物電信號，因此，在測量生物電信號期間，因身體的運動的影響而通過附著的電極測量到包括噪聲的生物電信號。由身體的運動導致的噪聲被稱為運動偽像，其使測量的生物電信號的準確性劣化，從而使識別受試者110的準確狀態以及診斷和治療疾病變得困難。具體地講，因皮膚和電極之間的電極-皮膚接觸阻抗(下文中，稱為接觸阻抗)的幅值由于身體的運動而改變，導致了運動偽像。這樣的接觸阻抗的變化影響測量的生物電信號，并成為噪聲。運動偽像使生物電信號的波形失真(distort)，以致為了準確測量生物電信號而去除因身體的運動導致的運動偽像。運動偽像不是以恒定的方式產生的，并經常根據運動而變化。此外，因為運動偽像是頻率范圍與將被測量的生物電信號的頻率范圍相似的信號，所以通過簡單的濾波去除不了運動偽像。因此，生物電信號測量設備100測量指示與生物電信號分開的運動偽像的信號，并從包括運動偽像的生物電信號去除該信號，因而得到去除了運動偽像的生物電信號。運動偽像的產生是因為因運動而產生的受試者110的接觸阻抗的變化和從電極以及電極附近產生的電勢的變化成為噪聲。通過使用與運動偽像高度相關的接觸阻抗的變化來測量運動偽像。即，可通過測量指示由運動導致的接觸阻抗的變化的信號來測量影響生物電信號的運動偽像。可以通過在受試者110的身體中流動電流io、使用附于身體的電極來檢測由電流io導致的電勢的改變Av、并差分放大從彼此分開預定距離的電極檢測的電勢的改變△ V，來指示由運動導致的接觸阻抗的變化的信號。參照式1，恒定電流io的電勢的改變Av反映接觸阻抗的變化。因此，通過使電流io在皮膚中流動并使用從附于皮膚的電極檢測的電勢的改變Av來測量運動偽像。在受試者110的皮膚中流動的電流io具有不與生物電信號的頻率范圍交疊的頻率fc，從而可以減小測量的運動偽像對生物電信號的影響。當具有頻率fc的電流io流動時，檢測的電勢的改變Av是被調制為具有頻率fc的信號。然后，檢測并解調制被調制為具有頻率fc的信
號，從而可以得到原始的信號。可以通過使用由附于受試者110的皮膚的ー個或多個電極形成的接ロ Eld和E2d(130和150)與生物電信號的測量分開地檢測電勢的改變Av(下文中，稱為電勢信號A V)。即，生物電信號測量設備100使用用于檢測生物電信號的兩個接ロ Elw和E2w(120和140)以及分開的接ロ Eld和E2d(130和150)來檢測電勢信號A V。用于檢測生物電信號的兩個接ロ Elw和E2w(120和140)使用水凝膠270(見圖2)與受試者110的皮膚電連接。水凝膠270是電介質凝膠。當電極經水凝膠270接觸皮膚時，與由導電金屬形成的電極直接接觸皮膚的情況相比，作為電極和皮膚之間的電阻的接觸阻抗減小。即，因為因使用水凝膠270而相對地減小了電極和皮膚之間的接觸阻抗，所以減小了接觸阻抗對具有小幅值的生物電信號的影響，這對于測量生物電信號來說是有利的。因此，如果接觸阻抗的平均量很小，那么即使當接觸阻抗因受試者110的運動而改變，對生物電信號的影響也是很小的，從而檢測的生物電信號相對小地受到運動偽像的影響。即，生物電信號測量設備100可以具有用于檢測生物電信號的適當的信噪比(SNR)。因此，當使用水凝膠270來檢測生物電信號時，運動偽像對生物電信號的影響減小，從而可以得到相對ー致和穩定的生物電信號。檢測電勢信號A V的接ロ Eld和E2d (130和150)的電極通過在沒有水凝膠270的情況下直接接觸皮膚來檢測信號。因此，在沒有水凝膠270的情況下直接接觸皮膚的接ロEld和E2d(130和150)的電極的接觸阻抗高于經水凝膠270電連接的接ロ Elw和E2w(120和140)的接觸阻抗。即，檢測生物電信號的接ロ Elw和E2w(120和140)與皮膚電連接所處的狀態和檢測電勢信號Av的接ロ Eld和E2d(130和150)與皮膚電連接所處的狀態不同，且檢測生物電信號的接ロ Elw和E2w(120和140)的電學條件和檢測電勢信號Av的接ロ Eld和E2d(130和150)的電學條件不同，這意味著檢測電勢信號Av的接ロ Eld和E2d(130和150)的接觸阻抗高于檢測生物電信號的接ロ Elw和E2w(120和140)的接觸阻。圖2是圖I的生物電信號測量設備100接觸受試者110的皮膚的接觸表面的剖視圖。參照圖2，檢測電勢信號Av的接ロ Eld和E2d (130和150)的電極231-232和251-252經粘附片210的孔直接接觸受試者110的皮膚，而檢測生物電信號的接ロ Elw和E2w(120和140)的電極221-222、241-242經水凝膠270接觸受試者110的皮膚，即，沒有直接接觸受試者110的皮膚。如上所述的作為電介質凝膠的水凝膠270與受試者110的皮膚和檢測生物電信號的接ロ Elw和E2w(120和140)的電極221_222、241_242電連接。導電金屬的電極與皮膚經水凝膠270電連接的一類電極被稱為濕電極。導電金屬的電極與皮膚以直接接觸的方式電連接的一類電極被稱為干電扱。通常，濕電極是涂覆有氯化銀(AgCl)的銀板，干電極是由金(Au)形成的板。然而，本發明不限于此。檢測電勢信號Av的接ロ Eld和E2d(130和150)使用具有高接觸阻抗的干電極。與濕電極相比，干電極的運動偽像和接觸阻抗的變化之間的相關性更高。因此，通過在檢測電勢信號Av時使用干電極可以更準確地測量去除了運動偽像的生物電信號。
圖3是示出圖I的生物電信號測量設備100的運動偽像和根據形成接ロ的電極的類型的接觸阻抗的變化之間的相關性曲線圖。相關性表示兩個變量之間的相關程度，即，接觸阻抗的變化和運動偽像之間的相關性。很大的相關性表示接觸阻抗的變化和運動偽像之間的相關程度很大。因此，在具有很大的相關性的電極中，在測量生物電信號期間，電極的因與受試者HO的皮膚接觸的接觸阻抗的變化較好地反映了包括在生物電信號中的運動偽像。在圖3的曲線圖中，橫軸指示電極的類型，S卩，濕電極和干電極，而縱軸通過相關性系數來指示接觸阻抗的變化和運動偽像之間的相關性。相關性系數是量化地指示接觸阻抗的變化和運動偽像之間的相關程度的值，相關性系數具有在-I至+1之間的值。隨著相關性系數的絕對值變大，相關性越來越高。當相關性系數值為0時，不存在相關性。區域310指示干電極的平均相關性系數值。區域330指示濕電極的平均相關性系數值。線320指示干電極的平均相關性系數值的標準偏差(standard deviation)的范圍。線340指示濕電極的平均相關性系數值的標準偏差的范圍。
參照圖3的曲線圖，與濕電極的平均相關性系數值(區域330)相比，干電極的平均相關性系數值(區域310)展現出很高的接觸阻抗的變化與運動偽像的相關性系數值。考慮每個標準偏差值(線320和線340)，干電極的相關性系數的絕對值大于濕電極的相關性系數的絕對值。即，當通過使用干電極來檢測電勢信號Av以測量運動偽像時，接觸阻抗的變化良好地反映了運動偽像，從而可以更準確地測量運動偽像。與通過水凝膠270接觸皮膚的濕電極相比，干電極的相關性相對高是因為直接接觸皮膚的干電極的接觸阻抗相對高。這是因為由運動導致的接觸阻抗的變化在使用干電極執行測量時與使用濕電極執行測量時相比變得更大。因此，通過使用與運動偽像的相關性很高的干電極來測量電勢信號A V，可以檢測更準確的去除了運動偽像的生物電信號。因此，生物電信號測量設備100將接觸阻抗相對低的濕電極用作檢測生物電信號的接ロ Elw和E2w(120和140)的電極、并將與運動偽像的相關性相對高的干電極用作測量電勢信號Av的接ロ Eld和E2d(130和150)的電極，來執行測量。此外，為了測量準確的去除了運動偽像的生物電信號，通過接ロ Eld和E2d(130和150)的電極測量的運動偽像的形狀與包括在生物電信號中的運動偽像的形狀相同。因此，測量電勢信號Av的接ロ Eld和E2d(130和150)的電極被設置為距檢測生物電信號的接ロ Elw和E2w (120和140)的電極達臨界距離之內。即，因為由于運動而根據接觸阻抗的變化導致運動偽像，所以為了檢測形狀與包括在生物電信號中的運動偽像的形狀相同的運動偽像，在檢測電勢信號Av的電極處的接觸阻抗的變化的形狀與在檢測生物電信號的電極處的接觸阻抗的變化的形狀相同。因此，臨界距離是很短的距離，從而因受試者110的運動導致的接觸阻抗的變化呈現出在檢測電勢信號Av的電極處的接觸阻抗的變化與在檢測生物電信號的電極處的接觸阻抗的變化之間具有幾乎相同的形狀。參照圖2，測量電勢信號Av的接ロ Eld和E2d (130和150)的電極231-232和251-252與測量生物電信號的接ロ Elw和E2w(120和140)的電極22ト222和24ト242在臨界距離之內彼此分開。下參照圖2來描述測量電勢信號Av的接ロ Eld和E2d (130和150)和測量生物電信號的接ロ Elw和E2w(120和140)的電極的具體結構。參照圖2，圖I的生物電信號測量設備100接觸受試者110的皮膚的接觸表面200包括粘附片210、測量生物電信號的接ロ Elw和E2w(120和140)的電極221-222和241-242、測量電勢信號Av的接ロ Eld和E2d(130和150)的電極231-232和251-252、參考接ロ的電極260、水凝膠270、以及絕緣層280。粘附片210是由絕緣材料形成的片，其中，兩個側部均涂覆有附著材料并保持生物電信號測量設備100接觸皮膚的狀態。即，生物電信號測量設備100經粘附片210接觸皮膚，并通過粘附片210的附著材料來保持接觸狀態。為了生物電信號測量設備100和受試者110的皮膚之間的電連接，在粘附片210的生物電信號測量設備100接觸皮膚所處的位置處進行穿孔。即，生物電信號測量設備100通過接ロ 120-150與受試者110的皮膚電連接，以檢測生物電信號。因此，生物電信號測量設 備100與皮膚電接觸的位置，即，在粘附片210中形成了孔的位置，是形成接ロ 120-150的電極221-222、231-232、241-242和251-252所處的位置。電極221-222和241-242是形成測量生物電信號的接ロ Elw和E2w(120和140)的電極，因此，將具有相對低的接觸阻抗的電極用作電極221-222和241-242，以減小運動偽像的影響，如上所述。電極231-232和251-252是形成測量電勢信號Av的接ロ Eld和E2d(130和150)的電極，因此，將接觸阻抗的變化和運動偽像之間的相關性相對高的電極用作電極231-232和251-252，如上所述。在圖2中，測量生物電信號的電極221-222和241-242是經水凝膠270與受試者110的皮膚電連接的濕電極，而測量電勢信號A v的電極231-232和251-252是干電極。生物電信號測量設備100使用在位于彼此分開預定距離的位置處的兩個接ロ Elw和E2w(120和140)處的電勢值之間的差異來測量生物電信號。因此，形成接ロ Elw(120)的電極221-222和形成接ロ E2w(140)的電極241-242位于彼此分開預定距離的位置處，以測量生物電信號的電壓。測量從測量生物電信號的接ロ Elw(120)產生的運動偽像的接ロEld(130)的電極231-232在臨界距離之內交替地布置在間隙處，從而具有與測量生物電信號的接ロ Elw(120)的電極221-222的運動偽像的類型相同的類型的運動偽像。類似地，測量從測量生物電信號的接ロ E2w(140)產生的運動偽像的接ロ E2d(150)的電極251-252在臨界距離之內交替地布置在間隙處，從而具有與測量生物電信號的接ロ E2w(140)的電極241-242的運動偽像的類型相同的類型的運動偽像。如上所述，當信號接ロ由多個電極形成時，與具有相同面積的單個大電極相比，不僅可以通過交替地布置測量生物電信號的電極和測量電勢信號Av的電極來得到一般意義上的同種類型的運動偽像，也可以在生物電信號測量期間更容易地保持電極與皮膚緊密接觸的狀態。參考電極E3w(260)用于測量作為在測量生物電信號期間的參考的電勢，并可以由至少ー個電極形成。形成參考電極E3w(260)的至少ー個電極具有與測量生物電信號的電極的結構相同的結構。測量作為參考的電勢的參考電極E3w (260)位于與測量生物電信號的接ロ Elw和E2w(120和140)分開預定距離的位置處。在圖2的接觸表面200中，參考電極E3w (260)的位置僅是ー個示例，且本發明不限于此。絕緣層280具有由絕緣材料形成的基底的形狀，并防止相鄰的電極彼此電連接，以使電流不在相鄰的電極之間流動。在生物電信號測量設備100的接觸表面200中，除了電極和水凝膠270定位所處的區域之外的其余的區域全部由絕緣層280形成。根據生物電信號測量設備100的實施例，濕電極和緊密接觸濕電極的水凝膠270定位所處的區域可以被構造成凹進的，因此防止水凝膠270與干電極之間的電連接。因為干電極和濕電極交替布置在基底(未示出)上，所以絕緣層280的截面具有不均勻的形狀。如圖2中所示的不均勻的形狀的結構僅是ー個示例，且本發明不限于此。例如，絕緣層280的截面可以與圖IlA的生物電信號測量設備100的截面1110中所示的ー樣是平坦的。如上所述，生物電信號測量設備100接觸受試者110的皮膚所處的接觸表面200可以包括粘附片210、測量生物電信號的接ロ Elw和E2w(120和140)的電極、測量電勢信號Av的接ロ Eld和E2d (130和150)的電極、參考接ロ的電極、以及水凝膠270。然而，生物電信號測量設備100的接觸表面的形狀、電極的類型、以及電極的布置類型不限于在圖2中所示出的接觸表面的形狀、電極的類型、以及電極的布置類型，根據實施例，可以進行各種修改。圖4-圖5和圖7A示出根據本發明的實施例的生物電信號測量設備100的布置有 形成生物電信號測量設備100的接ロ的電極的底表面400、500和700。在圖4的底表面400中，示出了粘附片410、測量生物電信號的接ロ Elw(420)的電極421-428、測量生物電信號的接ロ E2w(440)的電極441-448、測量電勢信號Av的接ロEld (430)的電極431-438、測量電勢信號A v的接ロ E2d (450)的電極451-458、以及參考接ロ E3w的電極460。如在圖2中所描述的，測量生物電信號的兩個接ロ Elw和E2w(420和440)在彼此分開預定距離的位置處測量生物電信號的電勢值。測量電勢信號Av的接ロ Eld(430)的電極431-438交替地布置為位于與測量生物電信號的接ロ Elw (420)的電極421-428彼此相距達臨界距離之內。由在電學上相同的電極形成單個接ロ，接ロ Elw(420)的電極421-428和接ロ Eld(430)的電極431-438交替排列。因此，一般意義上的相同類型的運動偽像輸入到測量生物電信號的電極421-428和測量電勢信號Av的電極431-438。類似地，接ロE2w(440)的電極441-448和接ロ E2d(450)的電極451-458交替地排列為位于彼此相距達臨界距離之內。測量作為生物電信號的參考的電勢的參考電極E3w的電極460與測量生物電信號的接ロ Elw和E2w (420和440)分開預定的距離，從而不受接ロ Elw和E2w (420和440)的影響。測量生物電信號的接ロ Elw和E2w (420和440)及E3w的電極421-428、441-448和460是經水凝膠270接觸皮膚的濕電極，而測量電勢信號A V的接ロ Eld和E2d (430和450)的電極431-438和451-458是直接接觸皮膚的干電極。在圖4的生物電信號測量設備100的底表面400中，粘附片410的每個電極所處的位置被穿孔，而其他的區域是粘附片410的由絕緣材料形成的區域。如圖2中所示，由絕緣材料形成的絕緣層將濕電極的區域和干電極的區域分開，從而濕電極的區域和干電極的區域彼此沒有電連接。與圖4的底表面400相同，在圖5的底表面500中，示出粘附片510、測量生物電信號的接ロ Elw(520)的電極521-528、測量生物電信號的接ロ E2w(540)的電極541-548、測量電勢信號Av的接ロ Eld (530)的電極531-538、測量電勢信號A v的接ロ E2d (550)的電極551-558、以及參考接ロ E3w(560)的電極561-564。與圖4的接ロ Elw和E2w(420和440)、Eld和E2d(430和450)相同地布置測量生物電信號的接ロ Elw和E2w (520和540)及E3w(560)以及測量電勢信號Av的接ロEld和E2d(530和550)。然而，與圖4不同，圖5的測量生物電信號的參考電勢的參考接ロ E3w(560)由具有相同電勢的一個或多個電極561-564形成。本發明僅示出了參考接ロE3w(560)可以由多個電極形成，且本發明不限于此。與圖4的電極不同，圖5的測量生物電信號的接ロ Elw和E2w(520和540)及E3w(560)的電極521-528、541-548和560不是經水凝膠270與皮膚電連接的濕電極，而是諸如測量電勢信號Av的接ロ Eld和E2d (530和550)的電極的由導電材料形成的電極。接ロ Elw和E2w (520和540)及E3w(560)的電極521_528、541_548和560具有尖銳的突起的形狀，以在沒有與皮膚保持低接觸阻抗的水凝膠270的情況下減小運動偽像對生物電信號的影響。接ロ Elw和E2w(520和540)及E3w(560)的電極521_528、541_548和560的尖銳的突起穿入到皮膚的角質層中，并與角質層下的表皮形成電接觸點，從而具有低于由相同的導電材料形成的接ロ Eld和E2d(530和550)的電極的接觸阻抗的接觸阻抗。在圖6中示出了形成接ロ Elw和E2w (520和540)及E3w (560)的電極的截面。圖6是示出形成接ロElw和E2w(520和540)及E3w(560)的電極的突起的形狀和具有突起形狀的電極穿入到皮 膚的角質層中并與角質層下的表皮形成電接觸點的狀態的剖視圖。在圖7A的底表面700中，與圖4的底表面400相同，示出了測量生物電信號的接ロEIw的電極720、測量生物電信號的接ロ E2w的電極740、測量電勢信號A v的接ロ Eld (730)的電極731-734、測量電勢信號Av的接ロ E2d(750)的電極751-754、以及參考接ロ E3w的電極760。與圖4和圖5不同，圖7A的測量生物電信號的兩個接ロ Elw和E2w中的每個接ロ均由單個電極形成。接ロ Elw的電極720和接ロ E2w的電極740在彼此分開預定距離的位置處測量生物電信號的電勢值，并分別被測量電勢信號Av的接ロ Eld(730)的電極731-734和測量電勢信號Av的接ロ E2d(750)的電極751-754圍繞。圍繞測量生物電信號的接ロElw的電極720的測量電勢信號Av的接ロ Eld (730)的電極731-734被分別布置為在臨界距離之內，因此一般意義上的相同類型的運動偽像輸入到這兩個接ロ。相同的布置被應用于測量生物電信號的接ロ E2w的電極740和測量電勢信號Av的接ロ E2d(750)的電極751-754。圖7A的參考接ロ E3w的電極760與測量生物電信號的接ロ Elw的電極720和測量生物電信號的接ロ E2w的電極740分開預定距離，從而不受接ロ Elw和E2w的影響。測量生物電信號的接ロ Elw、E2w和E3w的電極720、740和760可以由如圖4中所示的經水凝膠270接觸皮膚的濕電極形成，或者可以由如圖5中所示的在沒有水凝膠270的情況下穿入到皮膚的角質層中并與角質層下的真皮形成電接觸點的電極。測量電勢信號Av的接ロ Eld和E2d (730和750)的電極731-734和751-754是直接接觸皮膚的干電極。圖7B示出了圖7A的生物電信號測量設備100的使生物電信號測量設備100的接ロ附著到受試者110的皮膚并保持附著狀態的粘附片710。粘附片710在圖7A的電極所處的位置處具有孔，因此，生物電信號測量設備100的電極通過粘附片710的孔接觸皮膚。返回參照圖I，運動偽像提取單元160接收來自接ロ Eld和E2d(130和150)的電勢信號A V，并提取與運動偽像成比例的信號。如上所述，電勢信號Av可以通過將預定的電流io施加到皮膚并根據與此得到電勢的改變來測量電勢信號Av。將在下面參照圖8來描述使用由接ロ Eld和E2d (130和150)檢測的電勢信號Av來提取與運動偽像成比例的信號的運動偽像提取單元160的詳細操作。
圖8是根據本發明的實施例的形成圖I的生物電信號測量設備100的電路的示例。圖8的生物電信號測量設備100經接ロ Elw(821)、E2w(822)、E3w(823)、Eld(831)和E2d(832)而接觸受試者110的皮膚810。圖8的生物電信號測量設備100包括測量生物電信號的接ロ Elw (821), E2w (822)和E3w (823)、測量電勢信號Av的接ロ Eld(831)和E2d(832)、偏置電流源841-842、差分放大器850-860、解調器870以及處理器880。參照圖8、運動偽像提取單元160包括偏置電流原841-842、差分放大器860和解調器870。運動偽像提取單元160使用偏置電流原841-842將被調制為不與生物電信號的頻率范圍交疊的頻率fc的預定的電流io施加到測量電勢信號Av的接ロ Eld (831)和E2d(832)。因此，從接ロ Eld(831)和E2d(832)檢測的電勢信號Av受施加的電流io的影響，并因此被調制為頻率fc。從接ロ Eld(831)和E2d(832)檢測的電勢信號△ v具有非常小的幅值，所以需要進行信號放大。運動偽像提取單元160使用差分放大器860來差分放大從接ロ Eld(831)和E2d(832)得到的電勢值，并通過使用解調器870來將放大的信號解調制為原始信號，因而提取與運動偽像成比例的信號。運動偽像提取單元160還可以包括 摸/數(A/D)轉換器，以將放大的模擬信號轉換為數字信號，并還可以包括運算器，以對數字信號執行運算。運動偽像提取單元160將通過上述過程提取的信號輸出到生物電信號提取單元170。圖I的生物電信號提取單元170利用從接ロ Elw (120)和E2w(140)得到信號提取包括運動偽像的生物電信號，并從信號去除運動偽像，因此檢測受試者110的實際的生物電信號。因為從運動偽像提取單元160提取的信號與從接ロ Elw(120)和E2w(140)得到的生物電信號的運動偽像成比例，所以生物電信號提取單元170可以通過使用由運動偽像提取単元160提取的信號來去除運動偽像。在下面參照圖8來描述去除從接ロ Elw(120)和E2w(140)得到的生物電信號的運動偽像的生物電信號提取單元170的詳細操作。參照圖8，生物電信號提取單元170包括差分放大器850和處理器880。生物電信號提取單元170的差分放大器850接收通過測量生物電信號的接ロ Elw(821)和E2w(822)測量的電勢值，并差分放大接收的信號，因而輸出包括運動偽像的生物電信號。為了在信號的放大過程期間避免通過接ロ Elw(821)和E2w(822)測量的信號因低頻噪聲的影響而失真，生物電信號提取單元170可以使用在放大信號之前將測量的信號調制為高頻信號、放大調制的信號、并通過使用解調器將放大的信號解調制為原始的信號的方法。測量的信號的調制的頻率使用與運動偽像提取單元160的偏置電流源841-842的頻率fc不同的頻率范圍，以不與電勢信號Av的頻率范圍交疊。生物電信號提取單元170的處理器880控制接收從差分放大器850輸出的包括運動偽像的生物電信號和從運動偽像提取単元160輸出的與運動偽像成比例的信號、并從生物電信號去除運動偽像的過程。處理器870執行從包括運動偽像的生物電信號去除運動偽像所需的操作。生物電信號提取單元170的處理器880還可以包括自適應濾波器，以有效地去除運動偽像。自適應濾波器是可以根據反饋到濾波器的值來調節濾波器系數的數字濾波器。通過由在考慮到輸入信號、環境以及所得信號的特性的情況下將濾波器系數調節為不具有預定圖案的隨機噪聲來估計實際改變的噪聲，自適應濾波器來去除噪聲。即，自適應濾波器利用由運動偽像提取單元160提取的與運動偽像成比例的信號和去除了反饋的運動偽像的生物電信號的輸入來調節濾波器系數，并使用調節的濾波器系數來對與運動偽像成比例的信號進行濾波，因而預計并輸出接近真實的運動偽像的估計的運動偽像信號。處理器180接收從自適應濾波器輸出的估計的運動偽像信號，并從放大的生物電信號去除估計的運動偽像信號，因而得到去除了運動偽像的真實的生物電信號。圖9示出根據本發明的實施例的采用了自適應濾波器900的圖I的生物電信號測量設備100的處理器880的操作。圖9的處理器880包括自適應濾波器900和運算器910。生物電信號測量設備100的處理器880接收從運動偽像提取單元160輸出的與運動噪聲成比例的信號920和包括從放大器850輸出的運動偽像的生物電信號930。自適應濾波器900接收與運動偽像成比例的信號920和被反饋的去除了運動噪聲的信號950，并調節自適應濾波器900的濾波器系數。自適應濾波器900通過使用調節的濾波器系數來對與運動偽像成比例的信號920進行濾波，從而預計并輸出接近實際的運動偽像的估計的運動偽像信號940。運算器910接收從放大器850輸出的包括運動偽像的生物電信號930和接　近實際的運動偽像的估計的運動偽像信號940，并執行從包括運動偽像的生物電信號930去除估計的運動偽像信號940的操作。作為操作的結果，運算器910輸出去除了運動偽像的信號950。生物電信號提取單元170的處理器880通過上述過程得到去除了運動偽像的實際的生物電信號。如上所述測量的生物電信號被用于監視人體的狀態，或者診斷或治療各種類型的疾病。例如，生物電信號測量設備100通過附著于受試者110的身體的接ロ 120-150來測量作為生物電信號之一的心電圖(ECG)。當受試者110的心臟根據心跳而反復收縮和舒張時，在受試者110的皮膚中產生非常小的電勢的改變。以曲線圖的形式來表現這樣的電學活動被稱為ECG。接收通過生物電信號測量設備100測量的ECG數據的專家可以診斷并治療心臟疾病，諸如心肌梗死或心律失常，或者可以監視受試者110的心臟的電學活動，以防止因心臟疾病導致的意外。為了診斷并治療這樣的疾病，需要測量的生物電信的高度可靠性。因此，通過測量與真實的運動偽像在最大程度下相似的運動偽像來去除運動偽像并得到準確的生物電信號是非常重要的。 根據現有技術，在測量生物電信號的設備中，相同的電極或具有相同的結構的電極被用于測量生物電信號和電勢信號△ V，而沒有根據電極的類型的考慮阻抗的變化和運動偽像之間的相關系，從而可能不能進行生物電信號的準確的測量。圖10示出了根據現有技術的生物電信號測量設備1000的電路圖。與圖8的生物電信號測量設備100不同，圖10的生物電信號測量設備1000使用相同的電極1020和1030來測量生物電信號和電勢信號A V。生物電信號測量設備1000主要將經水凝膠270接觸皮膚的濕電極用作測量生物電信號和電勢信號Av的電極。當使用水凝膠270來測量生物電信號時，運動偽像對生物電信號的影響因電極和皮膚之間的很低的接觸阻抗而減小，從而與使用干電極的情況下相比，可以得到相對一致和穩定的生物電信號。然而，當在使用與測量生物電信號的電極相同的電極來測量電勢信號Av的情況下或在使用作為經水凝膠270接觸皮膚的濕電極的相同類型的電極來測量電勢信號△ V的情況下時，因為由電極和皮膚之間的很低的接觸阻抗而導致難以準確地測量運動偽像的影響，所以不能適當地從測量的生物電信號去除運動偽像。例如，當使用生物電信號測量設備來監視上述的ECG波形時，如果因運動偽像導致生物電信號失真，則難以準確地確定心臟的狀態，從而可能使病人經歷生病危險。因此，通過最大程度地反映真實的運動偽像的影響來準確地測量生物電信號是很重要的。當使用本發明的生物電信號測量設備I OO來測量生物電信號時，可以通過使用考慮了阻抗的變化和運動偽像之間根據電極的類型的相關性的接ロ來準確地測量生物電信號。圖IlA是沿線A-A’截取的圖7A的生物電信號測量設備100的剖視圖。參照圖11A，生物電信號測量設備100包括絕緣層1110、測量運動偽像的電勢信號Av的電極1121-1124、測量生物電信號的電極1131-1133、集成電路1140、導線1150、以及各種無源裝置 1160。與圖2的絕緣層280相似，絕緣層1110防止測量生物電信號的電極1131-1133和測量運動偽像的電勢信號Av的電極1121-1124之間的電連接。此外，絕緣層1110防止在形成生物電信號測量設備100的集成電路1140和導線1150之間產生電結合或干擾。·
測量運動偽像的電勢信號Av的電極1121和1122是形成具有相同電勢的接ロEld的電極，并位于靠近測量生物電信號的電極1131的臨界距離之內，從而具有一般意義上的相同類型的運動偽像。相似地，電極1123和1124是具有與輸入到測量生物電信號的電極1133的運動偽像的類型在一般意義上相同的類型的運動偽像的形成接ロ E2d的電極。測量運動偽像的電勢信號Av的電極1121-1124是在沒有水凝膠270的情況下直接接觸受試者110的皮膚1110的干電極。平板的干電極由導電性良好的金屬形成，導電性良好的金屬主要為諸如金(Au)、銀(Ag)、鉬(Pt)或類似金屬。然而，本發明不限于此。測量生物電信號的電極1131-1133是與接ロ Elw和E2w對應的電極，并彼此分開預定的距離。從電極1131和1133測量的電勢值被差分放大，以得到生物電信號。圖IlA的測量生物電信號的電極1131-1133是經水凝膠270與皮膚接觸的濕電極。這僅是本發明的一個實施例，測量生物電信號的電極1131-1133可以由經水凝膠270接觸皮膚的濕電極或具有穿入到皮膚的角質層并與角質層下真皮形成電接觸點的尖鋭的突起而不具有水凝膠270的電極而形成。通常，測量生物電信號的電極1131-1133通過以具有優良的導電性的材料涂覆由金屬形成的平板來形成。通常，以氯化銀(AgCl)來涂覆由銀(Ag)形成的平板。然而，本發明不限于此。集成電路1140指由數字或模擬電路實現的具有特定目的的半導體芯片。圖8中示出的差分放大器850和860、調制器870或處理器880等可以位于集成電路1140中。通過使用集成電路1140、導線1150和各種手動裝置1160來實現生物電信號測量設備100的運動偽像提取單元160和生物電信號提取單元170。圖IlB是沿線B-B’截取的圖7B的粘附片710的剖視圖。在圖IlB中，示出了粘附片1170和水凝膠1180。參照圖11B，粘附片1170是與圖2中的粘附片210相同的兩個表面均涂覆有粘附材料的由絕緣材料形成的片，并被用于保持生物電信號測量設備100與皮膚接觸的狀態。在粘附片1170中在圖IlA的測量電勢信號Av的電極1121-1124所處的區域中形成孔，從而圖IlA的測量電勢信號Av的電極1121-1124直接接觸皮膚。當圖IlA的測量生物電信號的電極1131-1133是濕電極時，圖IlA的測量生物電信號的電極1131-1133經水凝膠1180接觸皮膚，從而圖IlA的測量生物電信號的電極1131-1133所處的位置被填充有水凝膠1180。
圖12是用于說明根據本發明的實施例的測量生物電信號的方法的流程圖。圖12的測量生物電信號的方法包括通過使用圖I的生物電信號測量設備100來順序執行的操作。因此，雖然進行了省略，但是在圖12的測量生物電信號的方法中采用了圖I的生物電信號測量設備100的上面的描述。在操作1201中，生物電信號測量設備100通過接觸受試者110的皮膚的接ロEld(130)和E2d(150)施加具有不與生物電信號的頻率范圍交疊的頻率fc的電流io。在操作1202中，生物電信號測量設備100通過經具有預定的阻抗的接ロ Eld(130)和E2d(150)與受試者110的皮膚電連接來檢測因受在操作1201中施加的電流io的影響而被調制為頻率fc的電勢信號AV，并通過與受試者110的皮膚電連接并經具有比上述預定的阻抗低的預定的阻抗的接ロ Elw(120)和E2w(140)來檢測生物電信號的電勢值。在操作1203中，生物電信號測量設備100的運動偽像提取單元160對從操作1202檢測的電勢信號Av進行 差分放大。在操作1204中，運動偽像提取單元160對在操作1203中放大的信號解調制為原始信號，以產生與運動偽像成比例的信號。在操作1205中，生物電信號提取單元170對在操作1202中檢測的生物電信號的電勢值進行差分放大，以產生包括運動偽像的生物電信號。在操作S1206，生物電信號提取單元170通過利用在操作1204中產生的與運動偽像成比例的信號從在操作1205中產生的包括運動偽像的生物電信號去除運動偽像來提取實際的生物電信號。如上所述，根據本發明的上面的實施例中的一個或多個實施例，可以通過提取因受試者在測量生物電信號期間的運動而產生的包括在生物電信號中的運動偽像、并去除提取的運動偽像，來準確地測量受試者的生物電信號。另外，本發明的其他實施例也可以通過例如計算機可讀介質的介質中/介質上的計算機可讀代碼/指令來實現，以控制至少ー個處理元件來實現任意的在上面描述的實施例。介質可以對應于任何允許存儲和/或傳輸計算機可讀代碼的介質/媒介。計算機可讀代碼可以以各種方式記錄在介質上/在介質上傳輸，例如，包括諸如磁存儲介質(例如，ROM、軟盤、硬盤等)和光學記錄介質(例如，⑶-ROM或DVD)的記錄介質、諸如互聯網傳輸介質的傳輸介質的介質。因此，根據本發明的一個或多個實施例，介質可以為包括或攜帯信號或信息的如此限定的并可測量的結構，諸如攜帯比特流(bitstream)的裝置。介質還可以為分布式網絡，從而計算機可讀代碼以分布的方式進行存儲/傳輸和執行。此外，處理元件可以包括處理器或計算機處理器，處理元件可以是分布式的，和/或可以被包括帶在單個裝置中。應該理解的是，在此描述的示例性實施例僅應進行描述性的理解，而非處于限制的目的。每個實施例內的特征或方面的描述應被通常性地認為對于其他的實施例中的其他相似的特征或方面來說是可用的。
權利要求
1.一種生物電信號測量設備，所述生物電信號測量設備包括 至少一個第一接口，所述至少一個第一接口在與受試者的皮膚接觸時通過與皮膚進行電連接來檢測受試者的生物電信號； 至少一個第二接口，所述至少一個第二接口在與受試者的皮膚接觸時通過與皮膚進行具有與第一接口的狀態不同的狀態的電連接來檢測與生物電信號不同的信號； 信號處理器，信號處理器從檢測的生物電信號去除第一接口和皮膚之間的運動偽像。
2.如權利要求I所述的生物電信號測量設備，其中，第二接口的因與皮膚電連接而導致的阻抗大于第一接口的因與皮膚電連接而導致的阻抗。
3.如權利要求2所述的生物電信號測量設備，其中，第一接口通過預定的材料與受試者的皮膚電連接，第二接口直接與受試者的皮膚電連接，從而第二接口的阻抗大于第一接口的阻抗。
4.如權利要求2所述的生物電信號測量設備，其中，在第一接口的具有尖銳的突起的形狀的一個或多個電極穿入到皮膚的角質層中時，第一接口與受試者的皮膚電連接，第二接口通過第二接口的具有平板的形狀的一個或多個電極直接與受試者的皮膚電連接，從而第二接口的阻抗大于第一接口的阻抗。
5.如權利要求I所述的生物電信號測量設備，其中，第一接口和第二接口中的每個接口均包括多個電極，第一接口的多個電極布置在由預定的絕緣材料形成的基底上，第二接口的多個電極和第一結構的多個電極在臨界距離內交替地布置。
6.如權利要求I所述的生物電信號測量設備，其中，第一接口包括單個電極，第二接口包括多個電極，第二接口的多個電極在臨界距離內圍繞第一接口的單個電極。
7.如權利要求I所述的生物電信號測量設備，其中，第一接口的電極是濕電極，第二接口的電極是干電極。
8.如權利要求I所述的生物電信號測量設備，其中，信號處理器進一步包括 運動偽像提取單元，運動偽像提取單元通過使用由第二接口檢測的信號來提取與運動偽像成比例的信號； 生物電信號提取單元，生物電信號提取單元通過使用由運動偽像提取單元提取的信號來從檢測的生物電信號去除運動偽像。
9.如權利要求8所述的生物電信號測量設備，其中，所述至少一個第一接口包括彼此分開預定距離的Iw接口和2w接口，所述至少一個第二接口包括設置為在臨界距離內靠近Iw接口的Id接口和在臨界距離之內靠近2w接口的2d接口，運動偽像提取單元通過對經Id接口和2d接口檢測的電勢信號的電勢值進行差分放大來提取與運動偽像成比例的信號。
10.如權利要求9所述的生物電信號測量設備，其中，通過經Id接口和2d接口施加被調制為預定的頻率的預定的電流來檢測電勢信號的電勢值，通過對施加預定的電流而檢測的電勢信號的電勢值進行差分放大、然后對放大的信號進行解調制，來提取與運動偽像成比例的信號。
11.如權利要求9所述的生物電信號測量設備，其中，生物電信號提取單元通過對經Iw接口和2w接口的電勢信號的電勢值進行差分放大來提取包括運動偽像的生物電信號，生物電信號提取單元通過執行從提取的包括運動偽像的生物電信號去除與運動偽像成比例的信號的操作來測量去除了運動偽像的生物電信號。
12.如權利要求8所述的生物電信號測量設備，其中，生物電信號提取單元通過利用自適應濾波器對與運動偽像成比例的信號進行濾波來執行去除運動偽像的操作來測量去除了運動偽像的生物電信號。
13.—種測量生物電信號的方法，所述方法包括下述步驟 接收經接觸受試者的皮膚的Iw接口和2w接口檢測的生物電信號； 接收經接觸受試者的皮膚的Id接口和2d接口檢測的電勢信號； 利用接收的電勢信號來得到與運動偽像成比例的信號； 利用得到的與運動偽像成比例的信號來執行從接收的生物電信號去除運動偽像的操作； 其中，通過Iw接口和2w接口與皮膚的電連接來檢測生物電信號，通過Id接口和2d接口與皮膚的電連接來檢測電勢信號，與皮膚電連接的Id接口和2d接口的電學條件不同于與皮膚電連接的Iw接口和2w接口的電學條件。
14.如權利要求13所述的方法，其中，Iw接口、2w接口、Id接口和2d接口中的每個接口均包括多個電極，其中，Iw接口的多個電極和Id接口的多個電極在臨界距離之內交替地布置，2w接口的多個電極和2d接口的多個電極在臨界距離之內交替地布置，2w接口的多個電極設置在與1 接口的多個電極分開預定的距離的位置處。
15.如權利要求13所述的方法，其中，Iw接口和2w接口的電極是濕電極，Id接口和2d接口的電極是干電極。
全文摘要
本發明公開了一種測量生物電信號的設備和方法。生物電信號測量設備包括至少一個第一接口，所述至少一個第一接口在與受試者的皮膚接觸時通過與皮膚進行電連接來檢測受試者的生物電信號；至少一個第二接口，所述至少一個第二接口在與受試者的皮膚接觸時通過與皮膚進行具有與第一接口的狀態不同的狀態的電連接來檢測與生物電信號不同的信號；信號處理器，信號處理器從檢測的生物電信號去除第一接口和皮膚之間的運動偽像。
文檔編號A61B5/04GK102949188SQ20121030431
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月24日 優先權日2011年8月25日
發明者金鐘八, 高秉勛, 李卓炯 申請人:三星電子株式會社