一种生理电信号采集系统的制作方法

1.本实用新型涉及电子技术领域，尤其涉及一种生理电信号采集系统。


背景技术：

2.人体生理信号，即人体内各项生物指标，包括脑电、心电、肌电等生理电信号，以及血氧饱和度、体温、脉搏、呼吸等非电信号。从医学角度上看，生理电信号可以直接反映人体的疲劳程度、生理状况，同时能成为指导治疗参数调节以及临床用药的重要指标。因此，人体生理电信号的检测在当代医疗和医学研究中发挥着重要的作用。
3.目前采集人体生理电信号是通过生物电信号采集设备完成，如心电监测仪、便捷式脑电采集分析系统等，这些设备在实际操作中，因被采集者运动产生的导联脱落容易引起关键生物电信号丢失，造成检测结果的误判，采集设备采集的生理电信号种类单一，无法满足用户多种类生理电信号采集的需求，且采集设备无法脱离客户端进行采集工作，体型庞大、笨重、不方便移动。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例公开了一种生理电信号采集系统，可以支持多种模态的生理电信号的采集，方便移动随身携带，且能够脱离客户端进行离线采集。
5.本实用新型实施例提供了一种生理电信号采集系统，所述系统包括信号输入模块、至少一个采集主机以及客户端，其中：
6.所述信号输入模块，包括n种信号输入电极，所述n种信号输入电极用于采集n种模态的第一生理电信号，一个信号输入电极对应一种模态的第一生理电信号，所述n为大于等于2的整数；
7.所述至少一个采集主机，分别与所述信号输入模块中的n种信号输入电极连接，用于接收所述信号输入模块采集的所述n种模态的第一生理电信号，对所述n种模态的第一生理电信号进行处理，得到n种模态的第二生理电信号，向所述客户端输出所述n种模态的第二生理电信号；
8.所述客户端，与所述至少一个采集主机连接，用于显示所述n种模态的第二生理电信号。
9.其中，所述采集主机包括前端采集模块，所述前端采集模块包括阵列开关、阵列滤波器、阵列放大电路以及阵列模拟数字转换器(analog-to-digitalconverter，adc)，其中：
10.所述阵列开关，包括多个开关，所述多个开关中的一个开关用于控制接收所述一种模态的第一生理电信号；
11.所述阵列滤波器，包括多个滤波器，所述阵列滤波器与所述阵列开关连接，所述多个滤波器中的一个滤波器用于对所述一种模态的第一生理电信号进行滤波，得到滤波后的所述一种模态的第一生理电信号；
12.所述阵列放大电路，包括多个放大电路，所述阵列放大电路与所述阵列滤波器连
接，所述多个放大电路中的一个放大电路用于放大所述滤波后的所述一种模态的第一生理电信号，得到放大后的所述一种模态的第一生理电信号；
13.所述阵列adc，包括多个adc，所述阵列adc与所述阵列放大电路连接，所述多个adc中的一个adc用于将放大后的所述一种模态的第一生理电信号转换成一种模态的第二生理电信号。
14.其中，所述采集主机包括：
15.数据同步接口，用于所述至少一个采集主机同步接收所述n种模态的第一生理电信号，同步对所述n种模态的第一生理电信号进行处理。
16.其中，所述采集主机包括：
17.人机交互接口，用于接收终端设备配置的采集参数；或，向所述终端设备发送所述生理电信号采集系统的运行情况。
18.其中，所述采集主机包括：
19.存储模块，用于在离线状态下，存储所述信号输入模块离线采集的所述n种模态的第一生理电信号。
20.其中，所述采集主机包括：
21.主控制器，包括操作系统，所述主控制器用于通过所述操作系统控制所述采集主机中前端采集模块、数据同步接口、人机交互接口、无线模块以及存储模块的工作。
22.其中，所述客户端还用于：
23.通过分析所述n种模态的第二生理电信号中的每种模态的第二生理电信号之间的信号联系，确定人体生理状态报告。
24.其中，所述采集主机包括：
25.无线模块，用于与所述客户端建立无线连接，通过建立的所述无线连接向所述客户端发送所述n种模态的第二生理电信号。
26.本实用新型实施例中，所述信号输入模块的n种信号输入电极用于采集n种模态的第一生理电信号；所述至少一个采集主机用于接收所述信号输入模块采集的所述n种模态的第一生理电信号，对所述n种模态的第一生理电信号进行处理，得到n种模态的第二生理电信号，向所述客户端输出所述n种模态的第二生理电信号；所述客户端用于显示所述n种模态的第二生理电信号。通过生理电信号采集系统，可以根据用户需求和设备实际情况同步采集n种模态的第一生理电信号，采集主机方便移动随身携带，能够脱离客户端进行离线采集，提高生理电信号的采集效率。
附图说明
27.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是本实用新型提供的一种生理电信号采集系统的第一实施例的结构示意图；
29.图2是本实用新型提供的一种前端采集模块200的结构示意图；
30.图3是本实用新型提供的一种阵列开关的结构示意图；
31.图4是本实用新型提供的一种阵列滤波器400的结构示意图；
32.图5是本实用新型提供的一种阵列放大电路500的结构示意图；
33.图6是本实用新型提供的一种导联脱落检测600的结构示意图；
34.图7是本实用新型提供的一种主动屏蔽驱动网络700的结构示意图；
35.图8是本实用新型提供的一种生理电信号采集系统的第二实施例的结构示意图。
具体实施方式
36.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
37.请参见图1，图1是本实用新型提供的一种生理电信号采集系统的第一实施例的结构示意图。如图所示，在本实用新型实施例中包括：
38.信号输入模块101，包括n种信号输入电极，所述n种信号输入电极用于采集n种模态的第一生理电信号，一种信号输入电极对应一种模态的第一生理电信号，所述n为大于等于2的整数。
39.具体实现中，信号输入模块101可以包括矩阵电极、单电极线、标准脑/肌电导联扩展器、心电标准导联、脑电电极帽等n种信号输入电极。其中，一种信号输入电极包括多个电极，所述多个电极用于与人体皮肤接触，采集所述一种模态的第一生理电信号。所述n种模态的第一生理电信号是n种种类的第一生理电信号，其中第一生理电信号的种类可以包括脑电、心电、肌电、眼电、呼吸等n种。信号输入模块101可以根据用户采集的需求选择相应的信号输入电极，例如，若用户需要采集脑电的生理电信号，则可以选择标准脑/肌电导联扩展器或脑电电极帽；若用户需要采集心电的生理电信号，则可以选择心电标准导联；若用户需要采集肌电的生理电信号，则可以选择阵列式电极。将信号输入模块101中的n种信号输入电极的多个电极与人体皮肤相接触，对n种模态的第一生理电信号进行引导，针对不同的信号输入电极，配合不同的电极转接电路，实现n种模态的第一生理电信号的采集。
40.至少一个采集主机102，包括前端采集模块，分别与所述信号输入模块中的n种信号输入电极连接，用于接收所述信号输入模块采集的所述n种模态的第一生理电信号，对所述n种模态的第一生理电信号进行处理，得到n种模态的第二生理电信号，向所述客户端103输出所述n种模态的第二生理电信号。
41.具体实现中，至少一个采集主机102根据采集主机的通道数是否能满足用户的采集需求选择采集主机的数量，至少有以下两种部署情况，具体如下：
42.情况一，只有一个采集主机。若用户需要采集一种模态的第一生理电信号，一个采集主机为64通道，其中，一个采集主机的64通道中的10个通道用作所述一种模态的第一生理电信号的采集通道，则只需要一个采集主机。若用户需要采集两种模态的第一生理电信号，一个采集主机为64通道，其中，一个采集主机的64通道中的10个通道用作其中一种模态的第一生理电信号的采集通道，一个采集主机中剩余54通道中的20个通道用作另一种模态的第一生理电信号的采集通道，则只需要一个采集主机。
43.情况二，两个及以上采集主机。若用户需要采集两种模态的第一生理电信号，一个
采集主机为64通道，其中，一个采集主机的64通道中的40个通道用作其中一种模态的第一生理电信号的采集通道，还需要40个通道用作另一种模态的第一生理电信号的采集通道，但上述一个采集主机剩余24通道，无法满足采集需求，因此需要连接另一个采集主机，将上述一个采集主机剩余的24通道和另一个采集主机的64通道中的16个通道用作另一种模态的第一生理电信号的采集通道，则需要两个采集主机。两个以上采集主机以此类推。
44.所述至少一个采集主机102通过与信号输入模块101连接，从而实现对n种模态的第一生理电信号的接收，接着对第一生理电信号进行滤波、放大、模数转换处理后得到n种模态的第二生理电信号，并向客户端103输出处理后的所述n种模态的第二生理电信号。
45.客户端103，与至少一个采集主机102连接，用于显示所述n种模态的第二生理电信号。
46.具体实现中，客户端103是具有处理能力和数据收发能力的装置。客户端103中可以产生发送指令、接收指令、或者监测采集过程，从而显示通过采集及处理后得到的n种模态的第二生理电信号。例如，客户端103可以是计算机、笔记本电脑、平板电脑、掌上电脑、台式机、诊断仪、手机、超级移动个人计算机(ultra-mobile personal computer，umpc)、上网本、个人数字助理(personal digital assistant，pda)等。
47.在本实用新型实施例中，首先信号输入模块的n种信号输入电极采集n种模态的第一生理电信号；然后采集主机接收信号输入模块采集到的所述n种模态的第一生理电信号，再对所述n种模态的第一生理电信号进行处理，得到n种模态的第二生理电信号，向客户端输出所述n种模态的第二生理电信号；最后客户端显示所述n种模态的第二生理电信号。通过生理电信号采集系统可以采集人体的多种模态的生理电信号，从而了解人体的生理状况。
48.请参见图2，图2是本实用新型提供的一种前端采集模块200的结构示意图。如图所示，在本实用新型实施例中的电路包括：屏蔽层201、阵列开关202、阵列滤波器203、阵列放大电路204、阵列adc205、导联脱落检测206、主动屏蔽驱动网络207和屏蔽层208。其中：
49.屏蔽层201的输出端口与阵列开关202的一端连接，所述屏蔽层201的地线与屏蔽层208的地线、电阻r1的一端连接，所述阵列开关202的另一端与阵列滤波器203的输入端口连接，所述阵列滤波器203的输出端口与阵列放大电路204的第一端口连接，所述阵列放大电路204的第二端口与阵列adc205的第一端口连接，所述阵列放大电路204的第三端口与主动屏蔽驱动网络207的第一端口、导联脱落检测206的一端连接，所述阵列adc205的第二端口与所述导联脱落检测206的另一端连接，所述主动屏蔽驱动网络207的第二端口与电阻r4的一端、电阻r1的另一端连接，所述主动屏蔽驱动网络207的第三端口与运算放大器的同相输入端连接，所述运算放大器的反相输入端与所述电阻r4的另一端、电阻r2的一端连接，所述运算放大器的输出端口与电阻r2的另一端、电阻r3的一端连接，所述电阻r3的另一端与屏蔽层208的输入端口连接。
50.具体实现中，所述阵列开关202包括多个开关，所述多个开关中的一个开关用于控制接收一种模态的第一生理电信号；如图3所示，图3是本实用新型提供的一种阵列开关的结构示意图，in1p表示一个正极开关，in1n表示一个负极开关，in8p表示另一个正极开关，in8n表示另一个负极开关，其余开关以此类推。根据用户不同的需求，可以配置成单端输入和差分输入，若多个开关中的所有负极开关闭合作为所有正极的公共端，则完成上述单端
输入的配置；若多个开关中的所有正极开关和负极开关都断开，则完成上述差分输入的配置。上述单端输入可以减少输入端的导联线，差分输入可以更好地抑制共模信号。
51.所述阵列滤波器203包括多个滤波器，所述多个滤波器中的一个滤波器用于对所述一种模态的第一生理电信号进行滤波，得到滤波后的所述一种模态的第一生理电信号；如图4所示，图4是本实用新型提出的一种阵列滤波器400的结构示意图。阵列滤波器400包括静电释放(electro-static discharge，esd)防护电路401和多个差分低通滤波器402，esd防护电路401中的io1的端口与一个差分低通滤波器中的r1的一端连接，esd防护电路401中的io2的端口与一个差分低通滤波器中的r2的一端连接，esd防护电路401中的io3的端口与另一个差分低通滤波器中的r1的一端连接，esd防护电路401中的io4的端口与另一个差分低通滤波器中的r2的一端连接，其余差分低通滤波器以此类推。一个差分低通滤波器中，r1的另一端与电容c
diff
的一端、电容c
cm1
的一端连接，r2的另一端与电容c
diff
的另一端、电容c
cm2
的一端连接，电容c
cm1
的另一端与地线连接，电容c
cm2
的另一端与地线连接。在采集的过程中，由于电极需要频繁拔插，容易产生接触式静电危害，因此将电极之后连接esd防护电路，esd防护电路用于将静电产生的瞬时过压脉冲导入地，保护电路器件免受静电损害。差分低通滤波器由电阻和电容组成一阶低通滤波器，用于滤除带外噪声，防止奈奎斯特频率之外的信号与带内一种模态的第一生物电信号发生混叠。
52.所述阵列放大电路204包括多个放大电路，所述多个放大电路中的一个放大电路用于放大所述滤波后的所述一种模态的第一生理电信号，得到放大后的所述一种模态的第一生理电信号；如图5所示，图5是本实用新型提出的一种阵列放大电路500的结构示意图。阵列放大电路500中的一个放大电路中，inp端口与上述一个差分滤波器中的r1的另一端、电容c
diff
的一端、电容c
cm1
的一端、运算放大器a1的同相输入端连接，inn端口与r2的另一端、电容c
diff
的另一端、电容c
cm2
的一端、运算放大器a2的同相输入端连接，所述运算放大器a1的反向输入端与增益gain的第一端口连接，所述运算放大器a1的输出端口与所述增益gain的第二端口连接，所述运算放大器a2的反向输入端与增益gain的第三端口连接，所述运算放大器a2的输出端口与所述增益gain的第四端口连接，所述增益gain的第五端口与运算放大器a3的第一输入端口连接，所述增益gain的第六端口与运算放大器a3的第二输入端口连接。人体的生理电信号及其微弱，在阵列放大电路204中采用了仪表放大器和可编程增益，使其具有超高输入阻抗、良好的共模抑制比(common mode rejection ratio，cmrr)、低输入偏移和低输出阻抗，能够放大共模电压下的一种模态的第一生理电信号。
53.所述阵列adc205包括多个adc，所述多个adc中的一个adc用于将放大后的所述一种模态的第一生理电信号转换成一种模态的第二生理电信号。
54.导联脱落检测206包括多个导联脱落检测，所述一个导联脱落检测用于实时检测电极是否与人体皮肤接触良好，避免由于电极与皮肤的不良接触影响到所述一种模态的第一生理电信号的采集结果。如图6所示，图6是本实用新型提供的一种导联脱落检测600的结构示意图。导联脱落检测600中的一个导联脱落检测中，vinp表示差分输入的正极，vinn表示差分输入的负极，所述vinp与电流源、比较器的第一端口连接，所述vinn与电流沉、比较器的第二端口连接，所述比较器的out1端口与所述主动屏蔽驱动网络207连接，所述比较器的out2端口与所述阵列adc205连接。在采集的过程中，通过所述比较器将采集的所述一种模态的第一生理电信号的电压值与预设值进行比较，可以判断出电极是否脱落。如果电极
与皮肤接触不好或者脱落，则会导致通路上被所述电流源或所述电流沉灌满，使得所述一种模态的第一生理电信号的电压值接近adc的电压参考值。
55.主动屏蔽驱动网络207用于去除所述一种模态的第一生理电信号的共模干扰信号。如图7所示，图7是本实用新型提供的一种主动屏蔽驱动网络700的结构示意图。将差分输入的正、负通路信号通过运算放大器相加，将其中的差模信号相互抵消，剩下共模信号vcom。再将获取的所述共模信号vcom经过运算放大器，输出shd与屏蔽层208的一端连接。在屏蔽层208上加上一定电位时，将大大减小由屏蔽层208与芯线之间分布电容耦合引入的干扰。再经过右腿驱动电路后输出，屏蔽层208的另一端注入人体，使共模信号相互抵消，达到去除共模干扰信号的目的。
56.在本实用新型实施例中，所述阵列开关202可以通过闭合或断开多个正极、负极开关接收多种模态的第一生理电信号；所述阵列滤波器203可以用于对所述多种模态的第一生理电信号进行滤波，得到滤波后的所述多种模态的第一生理电信号；所述阵列放大电路204可以用于放大所述滤波后的所述多种模态的第一生理电信号，得到放大后的所述多种模态的第一生理电信号；所述阵列adc205可以用于将放大后的所述多种模态的第一生理电信号转换成多种模态的第二生理电信号；所述导联脱落检测206可以用于实时检测电极是否与人体皮肤接触良好，避免由于电极与皮肤的不良接触影响到所述多种模态的第一生理电信号的采集结果；所述主动屏蔽驱动网络207可以用于去除所述多种模态的第一生理电信号的共模干扰信号。通过前端采集模块200，可以采集人体的多种模态的生理电信号，提高生理电信号的采集效率。
57.请参见图8，图8是本实用新型提供的一种生理电信号采集系统的第二实施例的结构示意图。如图所示，在本实用新型实施例中包括：
58.信号输入模块810，包括n种信号输入电极，所述n种信号输入电极用于采集n种模态的第一生理电信号，一种信号输入电极对应一种模态的第一生理电信号，所述n为大于等于2的整数。
59.具体实现中，信号输入模块810可以包括矩阵电极811、单电极线812、标准脑/肌电导联扩展器813、心电标准导联814、脑电电极帽815等n种信号输入电极以及转接口816。根据用户采集的需求选择信号输入模块中的多个信号输入电极，例如，若用户需要采集脑电和心电的生理电信号，则可以选择信号输入模块中的脑电电极帽815和心电标准导联814，其中，脑电电极帽815用于采集脑电的第一生理电信号，心电标准导联814用于采集心电的第一生理电信号。将信号输入模块810中的n种信号输入电极的多个电极与人体皮肤相接触，并通过转接口816将采集的n种模态的第一生理电信号转换成能输入至采集主机820的前端采集模块821中的信号，其中，一种信号输入电极对应一个转接口。
60.采集主机820包括至少一个采集主机，分别与所述信号输入模块中的n种信号输入电极连接，用于接收所述信号输入模块810采集的所述n种模态的第一生理电信号，对所述n种模态的第一生理电信号进行处理，得到n种模态的第二生理电信号，向客户端830输出所述n种模态的第二生理电信号。
61.具体实现中，采集主机820包括：前端采集模块821、主控制器822、人机交互接口823、数据同步接口824、无线模块825和存储模块826。其中：
62.所述前端采集模块821与所述主控制器822连接，所述前端采集模块821采用阵列
式方案，对获取的所述n种模态的第一生理电信号进行滤波、放大、模数转换处理后得到所述n种模态的第二生理电信号。
63.所述主控制器822，包括操作系统，所述主控制器822用于通过所述操作系统控制所述采集主机820中所述前端采集模块821、所述人机交互接口823、所述数据同步接口824、所述无线模块825和所述存储模块826。
64.可选的，所述主控制器822可以是将中央处理器(central process unit，cpu)的频率与规格做适当缩减后形成的，具有运算、控制、计时和存储等功能的单片机。
65.所述人机交互接口823与所述主控制器822连接，用于接收终端设备配置的采集参数；或，向所述终端设备发送所述生理电信号采集系统的运行情况。
66.所述终端设备可以包括计算机、笔记本电脑、平板电脑、掌上电脑、台式机、诊断仪、手机、超级移动个人计算机(ultra-mobile personal computer，umpc)、上网本、个人数字助理(personal digital assistant，pda)等。主控制器822通过人机交互接口823接收终端设备根据用户输入的指令配置的采集参数，所述采集参数可以包括开始/停止采集、采集模式、采集通道、采样率、放大器倍数等。或，主控制器822通过人机交互接口823向终端设备发送所述生理电信号采集系统的运行情况，所述终端设备显示所述生理电信号采集系统的运行情况，所述生理电信号采集系统的运行情况可以包括系统的采集时长、系统的剩余电量、系统的当前采集状态等。
67.所述数据同步接口824与所述主控制器822连接，用于所述至少一个采集主机同步接收所述n种模态的第一生理电信号，同步对所述n种模态的第一生理电信号进行处理。
68.所述数据同步接口824用于级联设备的同步，该设备可以是另一个生理电信号采集系统，也可以是其他设备。若该设备是另一个生理电信号采集系统，则可以同步接收多种模态的第一生理电信号，并同步对所述多种模态的第一生理电信号进行处理；若该设备是刺激器，则可以同步所述刺激器，同步诱发脑电处理的起始点与刺激脉冲，在开始截取处理脑电信号的同时给予所述刺激器一个脉冲，自动获取诱发脑电图。
69.所述无线模块825与所述主控制器822连接，用于与所述客户端建立无线连接，并通过建立的无线连接向所述客户端发送所述n种模态的第二生理电信号。
70.所述存储模块826与所述主控制器822连接，用于在离线状态下，存储所述信号输入模块离线采集的所述n种模态的第一生理电信号。
71.在离线状态时，所述无线模块825无法与所述客户端建立无线连接，因此主控制器822将采集到的所述n种模态的第一生理电信号存入存储模块826，能够脱离客户端进行离线采集，确保在离线状态或无线连接不稳定的情况下，采集的数据不会丢失，同时也方便移动随身携带采集主机。
72.客户端830，与采集主机820连接，用于显示所述n种模态的第二生理电信号。
73.可选的，所述客户端830还用于通过分析所述n种模态的第二生理电信号中的每种模态的第二生理电信号之间的信号联系，确定人体生理状态报告。
74.具体实现中，客户端830接收所述采集主机820中的所述无线模块825发送的n种模态的第二生理电信号，并显示所述n种模态的第二生理电信号。例如，客户端接收三种模态的第二生理电信号分别为：心电生理电信号、脑电生理电信号和肌电生理电信号，通过分析某一相同时刻内的心电生理电信号与脑电生理电信号的波形与参数，可以确定心电生理电
信号与脑电生理电信号之间的联系，从而确定人体的生理状态报告；此外，若脑电生理电信号的某段时间内出现异常，可以同时检测心电生理电信号与肌电生理电信号是否也出现异常，若心电生理电信号与肌电生理电信号出现异常，则说明人体生理状态不佳；若心电生理电信号与肌电生理电信号未出现异常，则说明脑电生理电信号出现异常可能是因为除生理因素之外的其他原因，所述其他原因可以包括：电极与人体接触不良，人体突然紧张等。
75.在本实用新型实施例中，所述信号输入模块810，包括n种信号输入电极，所述n种信号输入电极用于采集n种模态的第一生理电信号，一种信号输入电极对应一种模态的第一生理电信号，所述n为大于等于2的整数；所述采集主机820包括至少一个采集主机，分别与所述信号输入模块中的n种信号输入电极连接，用于接收所述信号输入模块810采集的所述n种模态的第一生理电信号，对所述n种模态的第一生理电信号进行处理，得到n种模态的第二生理电信号，向客户端830输出所述n种模态的第二生理电信号；客户端830用于显示所述n种模态的第二生理电信号。通过生理电信号采集系统，可以根据用户需求和设备实际情况同步采集n种模态的第二生理电信号，采集主机820方便移动随身携带，能够脱离客户端进行离线采集，提高生理电信号的采集效率。
76.本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：闪存盘、只读存储器(英文：read-only memory，简称：rom)、随机存取器(英文：random access memory，简称：ram)、磁盘或光盘等。
77.以上对本实用新型实施例所提供的内容下载方法及相关设备、系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。