本發明涉及生物電信號采集的數字電極技術領域，尤其涉及一種基于有源降噪用于腦電、心電和肌電的數字電極采集系統及其采集方法。

背景技術：

生物電信號采集設備接觸人的皮膚，在皮膚表面的測量電信號通常用于檢測各種生理體征，用于健康管理等。可以檢測出毫伏甚至微伏量級的生物電，比如可以來測量腦電信號(EEG)、心電信號(ECG)和肌電信號(EMG)。

由跳動的心臟產生的電信號稱為心電，是用來評估心臟狀態，通過其評估結果可以檢測出一些種類的心臟病。由肌肉運動產生的電信號稱為肌電，是用來檢測神經肌肉活動，通過其評估結果可以檢測肌肉萎縮癥、周圍神經損傷或其他疾病。由大腦思維活動，神經元活動而引起的，透過顱骨在頭皮區域產生的電信號是頭皮腦電信號。一般腦電電極被放置在頭皮區域，用于檢測神經系統疾病，如多動癥、癡呆、癲癇、抑郁、精神分裂癥、聽覺神經病變等。

通常情況下，由于腦電信號(EEG)的信號幅度小于心電信號或者肌電信號幾十倍到上百倍，所以在硬件角度，腦電信號(EEG)相比其他生物電信號是最難采集的。最常見的腦電采集方法是用有許多Ag/AgCl濕電極的帽子放在頭皮上。當阻抗小于10k時，每個電極分別采集各個區域腦電。為了降低阻抗，技術人員通常會去除頭皮角質層或使用導電凝膠用于采集。典型的腦電帽是用1米左右導線來連接帽子和采集系統的。僅僅環境電磁場噪聲信號就已經是腦電信號的20倍左右。而且，工程師需要在一定的頻率范圍內從信噪比很差的信號中提取很小的信號(一般在0.05到40Hz)。然后工程師必須在高增益(5000-20000倍)以及高階濾波器濾波,以確保腦電的信號記錄下來進行分析。

通常，這些電信號是通過多個電極測量。其中一個電極是參考電極,另一個測量電極測量的是相對參考電極的電勢差。相對的電極之間電壓差信號非常小，在微伏量級。為了克服背景噪聲，檢測出微弱的生理信號，需要進行放大和濾波。通常采用長長的導線連接到放大器來完成放大、濾波和采集，然而這又引入了大量噪聲。信號調理設置通常取決于被測生物電生理信號，這個功能通常是由采集系統提供。為了在嵌入式系統中存儲信號，并執行數字信號處理算法，如快速傅里葉變換進行頻譜分析等,采集的生理模擬信號通常經過放大器后會轉換為數字格式。

綜上所述，對于生物電傳感測量的應用,原始信號從電極到采集系統之間的傳輸長導線無論是在噪聲引入、硬件濾波和系統軟件程序中，測量獲取的數據準確性均存在很多問題。首先,導線可類比天線接收器接收環境無線信號，接收了龐大雜散的背景噪音。信號通過采集系統的濾波器來限制背景噪音,但是這過程中,濾波器同樣的掩蓋或改變一定的腦電信號；其次，由于在阻抗線路上有一定的信號損失,長的傳導線導致被檢測信號準確性非常差。

因微弱的電信號的測量受到的干擾極大，目前這些問題嚴重影響了生物傳感的發展。因此,亟待出現一種適合臨床使用的降噪電極,達到改善信噪比并獲得準確性高的檢測信號的目的。

技術實現要素：

為了克服現有技術的上述不足，本發明提供了一種有源降噪的數字電極采集系統及其采集方法，通過有源降噪電極在接近采集點將信號進行放大、過濾和模數轉換，最終輸出較小噪聲的數字信號。

為實現以上目的，本發明提供了如下技術方案：

一種有源降噪的數字電極采集系統，其特征在于，包括控制器和至少一個有源降噪數字電極：

所述控制器連接所述至少一個有源降噪數字電極并分時選擇接通一個有源降噪數字電極或者兩個以上有源降噪數字電極；

所述有源降噪數字電極用于采集身體的電信號，并將所述電信號處理轉換為數字信號，再將所述數字信號輸出至所述控制器。

2.根據權利要求1所述的有源降噪的數字電極采集系統，其特征在于，所述電信號包括腦電信號、心電信號、肌電信號中的一種或多種。

優選地，控制器連接電極數據選擇器，所述電極數據選擇器連接所述至少一個有源降噪數字電極，控制器通過控制電極數據選擇器選擇接通不同的有源降噪數字電極。

優選地，有源降噪數字電極包括工作電極、信號提取單元、模數轉換器和電源單元，其中：

所述工作電極包括用于采集身體的測量電信號的采集電極以及提供標準電信號的參考電極；

所述信號提取單元連接所述工作電極提取所述測量電信號并進行放大和濾波，所述信號提取單元連接所述模數轉換器；

所述模數轉換器用于將所述信號提取單元的電信號轉換為數字信號；

所述電源單元用于為所述信號提取單元和模數轉換器提供電壓。

優選地，信號提取單元包括依次連接的儀用放大器、有源低通濾波器、有源高通濾波器和可變增益放大器；所述工作電極的輸出端連接所述儀用放大器，所述可變增益放大器連接數字電位器，所述數字電位器為所述可變增益放大器提供可變增益。所述電源單元包括為所述信號提取單元提供穩定電壓的模擬電壓基準源和為所述模數轉換器提供穩定電壓的數字電壓基準源。

優選地，模擬電壓基準源的一輸出端連接基準參考源，所述基準參考源的一輸出端連接所述采集電極的輸出端，所述基準參考源的另一輸出端連接所述參考電極的輸出端，所述采集電極和參考電極的輸出端連接儀用放大器的輸入端；

所述基準參考源用于為所述儀用放大器提供參考電壓，包括一運算放大器和緩沖器。

優選地，工作電極包括導電材料制成的纖維導電布或電鍍層，所述導電材料為銀、氯化銀和/或金、導電聚合物。

優選地，至少一個有源降噪數字電極的輸出端通過一根數字信號輸出導線連接控制器，所述控制器包括無線射頻模塊，所述無線射頻模塊用于與外部設備進行無線通信。

優選地，控制器包括時鐘控制模塊，所述時鐘控制模塊連接所述電極數據選擇器和全部有源降噪數字電極，所述時鐘控制模塊用于高速同步控制數據。

本發明還提供了一種有源降噪的數字電極采集方法，具體包括以下步驟：

S1：通過控制器控制分時接通至少一個有源降噪數字電極；

S2：有源降噪數字電極采集身體的電信號；有源降噪數字電極通過工作電極采集身體的測量電信號的采集電極，通過參考電極獲得身體的標準電信號；

有源降噪數字電極通過連接工作電極的信號提取單元提取所述測量電信號并進行放大和濾波；

最后通過模數轉換器將信號提取單元的電信號轉換為數字信號。；

S3：有源降噪數字電極將所述電信號處理轉換為數字信號，再將所述數字信號輸出至所述控制器。

與現有技術相比，本發明提供的有源降噪的數字電極采集系統及其采集方法，具有以下有益效果：

本發明提供的有源降噪的數字電極采集系統及其采集方法，通過將信號放大、濾波和模數轉換功能集合在接近采集接觸點的每一個有源降噪數字電極上，在最接近采集點的地方采集并用數字化方法轉變采集的生理電波信號，從而降低了噪音，改善了信噪比并獲得準確性較高的檢測信號，提高了測量信號準確度，保證了最終的處理及分析結果的正確可靠性。在生理電波記錄中，增強了信噪比。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：

圖1是本發明實施例的有源降噪的數字電極采集系統的結構示意圖；

圖2是本發明實施例有源降噪的數字電極采集系統的有源降噪數字電極的結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

在本實用新型的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“設置”、“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

另外，本發明各個實施例之間的技術方案可以相互結合，但是必須是以本領域普通技術人員能夠實現為基礎，當技術方案的結合出現相互矛盾或無法實現時應當認為這種技術方案的結合不存在，也不在本發明要求的保護范圍之內。

下面結合附圖和示例性實施例對本實用新型作進一步地描述，其中如果已知技術的詳細描述對于示出本實用新型的特征是不必要的，則將其省略。

為了解決目前生物電傳感測量過程中出現的龐大雜散的背景噪音及信號損失，本發明實施例通過改進現有的信號采集系統獲得信號放大、濾波和模數轉換，并且使這一過程盡可能的靠近采集接觸點。將信號放大、濾波和模數轉換功能集合在接近采集接觸點的每一個有源降噪數字電極上，

在最接近采集點的地方采集并用數字化方法轉變采集的生理電波信號，從而降低了噪音，改善了信噪比并獲得準確性較高的檢測信號，提高了測量信號準確度，保證了最終的處理及分析結果的正確可靠性。在生理電波記錄中，增強了信噪比。

具體的，本發明實施例提供了一種有源降噪的數字電極采集系統包括控制器20和至少一個有源降噪數字電極10。其中：

控制器20連接至少一個有源降噪數字電極10并分時選擇接通一個有源降噪數字電極10或者兩個以上有源降噪數字電極10；

有源降噪數字電極10用于采集身體的電信號，并將電信號處理轉換為數字信號，最后將數字信號輸出至控制器20。每一個有源降噪數字電極10均采集一位置區域。

所述身體的電信號包括腦電信號、心電信號和/或肌電信號。

另一種優選的實施例，圖1是本發明實施例的有源降噪的數字電極采集系統的結構示意圖，如圖1所示，控制器20連接電極數據選擇器30，電極數據選擇器30連接至少一個有源降噪數字電極10，控制器20通過控制電極數據選擇器30接通有源降噪數字電極10。

通過電極數據選擇器30選擇有源降噪數字電極10，將其數字化的信號輸入到控制器20中，在最接近采集點的地方采集并用數字化方法轉變采集的生理電波信號，從而降低了噪音，改善了信噪比。在生理電波記錄中，增強了信噪比。

圖2是本發明實施例有源降噪的數字電極采集系統的有源降噪數字電極的結構示意圖。有源降噪數字電極10是一個包含高分辨率模數(A/D)轉換器的電極，每一個有源降噪數字電極10均包含一個獨立的高分辨率模數轉換器19。如圖2所示，有源降噪數字電極10包括工作電極、信號提取單元、模數轉換器19和電源單元。其中：

工作電極包括用于采集身體的測量電信號的采集電極11以及提供標準電信號的參考電極12；

信號提取單元連接工作電極提取測量電信號并進行放大和濾波，信號提取單元連接模數轉換器19；

模數轉換器19用于將信號提取單元的電信號轉換為數字信號；

電源單元用于為信號提取單元和模數轉換器19提供電壓。

如圖2所示，信號提取單元包括依次連接的極高輸入阻抗儀用放大器13、有源低通濾波器15、有源高通濾波器16和可變增益放大器17；工作電極的輸出端連接所述輸入阻抗儀用放大器13。

電源單元包括為信號提取單元提供穩定電壓的模擬電壓基準源20和為模數轉換器19提供穩定電壓的數字電壓基準源21。具體的，如圖2所示，模擬電壓基準源20為基準參考源14、有源低通濾波器15、有源高通濾波器16、可變電壓增益放大器17提供低噪聲電源保障；數字電壓基準源21為模數轉換器19和數字電位器18提供電源保障。

其中，模擬電壓基準源20的一輸出端連接基準參考源14，基準參考源14的一輸出端連接采集電極11的輸出端，基準參考源14的另一輸出端連接參考電極12的輸出端，采集電極11和參考電極12的輸出端連接輸入阻抗儀用放大器13的輸入端；

輸入阻抗儀用放大器13用于將測量電信號進行差分放大，采集電極11和參考電極12的差分電位利用極高輸入阻抗儀用放大器13被放大，輸入阻抗儀用放大器13采用固定增益輸出，基準參考源14提供作為參考電壓?；鶞蕝⒖荚?4由一個運算放大器構成，同時采用一個緩沖器來提供低阻抗基準。

有源低通濾波器15用于測量電信號的濾波和選頻；有源高通濾波器16用于消除電極補償電位及電極電位漂移；

可變增益放大器用于將有源高通濾波器16處理的信號進行放大，可變增益放大器17連接數字電位器18，實際應用中，數字電位器18為可變增益放大器17提供可變增益。

較佳的，有源降噪數字電極10的工作電極包括導電材料制成的纖維導電布或電鍍層，導電材料為銀、氯化銀和/或金、或聚合物導電材料。

工作電極的采集電極11測量的是相對參考電極12的電勢差，在實際應用中，通常采用濕電極傳導，如表面使用應用鹽水或導電凝膠進行傳導；不過特殊的，在我們應用系統中，更優先采用新材料電極，系統可兼容多材料干濕電極。

參見圖2，每一個有源降噪數字電極10在控制器20的串行控制總線22上使能工作，利用串行控制總線22輸出控制信號控制數據轉換器23選擇電極進行使能。

控制器20還包括時鐘控制模塊，時鐘控制模塊連接電極數據選擇器30和全部有源降噪數字電極10輸出時鐘信號。時鐘控制模塊通過控制器20的時鐘信號傳輸線25連接電極數據選擇器30和全部有源降噪數字電極10，用于高速同步控制所有數據。

有源降噪數字電極10的輸出端均通過一根數字信號輸出導線24連接控制器20的數字信號輸出接口，進而將數字信號傳輸至控制器20。所有的有源降噪數字電極10使用同一數字信號輸出導線24，通過分時選擇電極輸出減少了導線數量，減少了干擾。

在通信線路的外側包裹有導管27，導管27中的通信線路可以是雙向通信的電信號或者是光纖信號。

另一種實施例，在以上技術方案基礎上，控制器20還包括無線射頻模塊，無線射頻模塊用于與外部設備進行數據的無線通信，方便了采集結果的顯示及用戶的使用。

本發明還提供了一種有源降噪的數字電極采集方法，具體包括以下步驟：

S1：通過控制器控制分時接通至少一個有源降噪數字電極；

S2：有源降噪數字電極采集身體的電信號；

S3：有源降噪數字電極將所述電信號處理轉換為數字信號，再將所述數字信號輸出至所述控制器。

其中，所述步驟S2中還包括：有源降噪數字電極通過工作電極采集身體的測量電信號的采集電極，通過參考電極獲得身體的標準電信號；

有源降噪數字電極通過連接工作電極的信號提取單元提取所述測量電信號并進行放大和濾波；

最后通過模數轉換器將信號提取單元的電信號轉換為數字信號。

以上僅為本發明較佳實施例，并不用于局限本發明，凡在本發明的精神和原則之內所做的修改、等同替換和改進等，均需要包含在本發明的保護范圍之內。