基于压缩感知和组网传输的生物电信号监测系统及方法

本发明涉及基于压缩感知和组网传输的生物电信号监测系统，属于医疗监控系统领域。特别地，本发明还涉及基于压缩感知和组网传输的生物电信号监测方法。

背景技术：

人体的生物电信号主要包括心电信号、脑电信号、肌电信号、胃电信号等，这些体表生物电信号通常通过电极拾取，经适当的生物电放大器放大，记录而成为心电图、脑电图、肌电图、胃电图等。随着医疗技术的提高，以及神经科学、认知心理学和人工智能研究的深入发展，生物电信号被越来越多地应用到远程医疗、医学监测、实时监护以及新兴脑-机接口等领域。针对目前生物电信号检测设备的功耗较大，并且信号传输效率不高的问题，低功耗设计与无线组网传输成为生物电信号监测系统的设计方向。

专利cn110572444a中公开了一种用于传递神经信号的系统及方法，其中采集的目标肢体感知信号采用无线通讯进行传输；但该系统中的信号传输速度过慢，且无法实现同时采集并传输多种生物电信号，并且对采集的信号也无法进行选择性监测，生物电信号的数据传输没有选择性，导致传输效率低，同时也导致系统功耗过大。

专利cn109157209a中公开了一种基于压缩感知的生物电信号处理电路及方法，该方法能够设置采集的生物电信号的类型，并根据信号的不同类型进行相应的处理，以减小生物电信号的数据传输量，但该专利中没有公开对生物电信号进行组网传输，从而不能实现生物电信号的多路采集以及可选择性的依次传输。

因此，目前仍缺少一种生物电信号监测系统，将基于压缩感知的生物电信号处理方法与嵌入式开发设计相结合，并采用新的无线通信技术进行数据无线传输，以实现生物电信号的多路采集、组网传输并且同时降低生物电信号检测系统的功耗。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供基于压缩感知和组网传输的生物电信号监测系统及监测方法，以解决目前生物电信号监测系统的设备功耗大，并且基于无线通信进行数据传输的生物电信号数据采集和传输效率不高的问题。

为实现以上技术目的，本发明首先提供了基于压缩感知和组网传输的生物电信号监测系统，微处理器能够采用压缩感知算法，对采集到的生物电信号进行压缩处理，以减少数据传输量，实现生物电信号监测系统的低功耗设计；并且，本发明采用zigbee无线通信技术，并具体采用zigbee射频模块设计了数据的组网传输模式，能够同时对多路生物电信号进行采集，并选择多路生物电信号的传输顺序，依次进行传输，以提高数据采集传输效率，进一步降低生物电信号监测系统的功耗。

根据本发明的生物电信号监测系统，具体包括数据采集处理模块、射频模块和终端监测模块；其中，数据采集处理模块包括多个生物电信号传感器、多个模数转换模块(adc)以及多个微处理器；射频模块包括zigbee协调器及多个zigbee子节点；终端监测模块包括上位机。

根据本发明的生物电信号监测系统，多个生物电信号传感器用于采集多路生物电信号，多个模数转换模块(adc)用于对多个生物电信号传感器采集到的生物电信号进行模数转换，多个微处理器用于对模数转换后的生物电信号数据进行压缩处理。

根据本发明的生物电信号监测系统，多个生物电信号传感器的数量与多个模数转换模块(adc)以及多个微处理器的数量相同，并且每个生物电信号传感器与一个模数转换模块(adc)以及一个微处理器对应连接；具体地，多个生物电信号传感器中，每个生物电信号传感器的输出端连接至一个模数转换模块(adc)的输入端，将采集的生物电信号传输至该模数转换模块(adc)，并且该模数转换模块(adc)的输出端与一个微处理器的输入端连接，将模数转换后的生物电信号数据传输至该微处理器。

根据本发明的生物电信号监测系统，射频模块包括zigbee协调器及多个zigbee子节点，其中，多个zigbee子节点与zigbee协调器之间采用无线传输；并且，多个zigbee子节点的数量与多个生物电信号传感器的数量相同；zigbee协调器通过串口与上位机连接。

根据本发明的生物电信号监测系统，多个微处理器分别与多个zigbee子节点连接，多个zigbee子节点分别对多个微处理器处理后的生物电信号数据进行无线传输，并传输至zigbee协调器，由zigbee协调器将数据传输至上位机。

根据本发明的生物电信号监测系统，多个生物电信号传感器能够固定于待检测者的待检测部位，同时采集多路生物电信号；并且通过多个模数转换模块(adc)将生物电信号进行模数转换之后传输至多个微处理器；多个微处理器采用压缩感知算法分别对接收到的生物电信号数据进行压缩处理。

根据本发明的生物电信号监测系统，可选地，多个zigbee子节点分别对多个微处理器中经过数据压缩后的生物电信号数据进行无线传输，其中，每个zigbee子节点传输与该zigbee子节点相连接的微处理器中的生物电信号数据。

根据本发明的生物电信号监测系统，可选地，zigbee协调器和上位机分别设置有数据校验单元。zigbee协调器选择由多个zigbee子节点传输的多路生物电信号数据的传输顺序，依次接收多个zigbee子节点的生物电信号数据，并在接收到一个zigbee子节点传输的数据后，由数据校验单元对接收的数据添加校验码，将检验码与接收的数据进行打包，一起传输到上位机；上位机在接收到打包的数据之后，利用数据校验单元对接收到的数据进行解析，根据校验码对比数据格式，保证数据传输前后的一致性。

根据本发明的生物电信号监测系统，可选地，每个微处理器能够根据生物电信号的不同信号类型(例如心电、脑电、肌电、胃电等类型)而设置最匹配的数据压缩比，并对该类型的生物电信号数据进行压缩处理。

根据本发明的生物电信号监测系统，可选地，多个模数转换模块(adc)、多个微处理器及多个zigbee子节点能够分别集成于多个嵌入式开发板中；其中，多个嵌入式开发板的数量大于多个生物电信号传感器的数量。

根据本发明的生物电信号监测系统，可选地，互相连接的模数转换模块(adc)、微处理器及zigbee子节点集成于多个嵌入式开发板中的一个嵌入式开发板中，并且该嵌入式开发板相应地连接至多个生物电信号传感器中的一个，用于传输该生物电信号传感器的生物电信号数据。

根据本发明的生物电信号监测系统，可选地，多个嵌入式开发板中，每个与多个生物电信号传感器相连接的嵌入式开发板还包括定时器模块(timer)，定时器模块每隔一段时间产生一个中断，即产生一个数据转换周期，模数转换模块(adc)对每个中断之前获取的生物电信号数据，即一个数据转换周期内的生物电信号进行模数转换，将转换后的生物电信号数据传输至微处理器，由微处理器进行数据压缩处理，并经由zigbee子节点将压缩后的数据无线传输至zigbee协调器。

根据本发明的生物电信号监测系统，可选地，zigbee协调器集成于多个嵌入式开发板中的一个嵌入式开发板中，并且该嵌入式开发板还包括微控制器及通用异步收发器(uart)。

根据本发明的生物电信号监测系统，可选地，zigbee协调器通过微控制器对分别由多个zigbee子节点传输的多路生物电信号数据的传输顺序进行选择；并通过通用异步收发器(uart)将多个zigbee子节点的生物电信号数据依次传输至上位机。

根据本发明的生物电信号监测系统，上位机的监测程序对接收到的生物电信号数据进行重构和显示；其中，上位机对数据进行重构的重构算法为块稀疏贝叶斯算法。

根据本发明的生物电信号监测系统，可选地，多个生物电信号传感器、多个模数转换模块(adc)以及多个微处理器的数量能够根据待检测的生物信号的实际需要而设定；并且，用于集成模数转换模块(adc)、多个微处理器以及zigbee子节点的多个嵌入式开发板的数量能够根据生物电信号传感器、模数转换模块(adc)、微处理器以及zigbee子节点的数量而相应地增加。

根据本发明的生物电信号监测系统，可选地，多个生物电信号传感器能够根据监测者的实际需求选用多个心电信号传感器，多个脑电信号传感器，多个肌电信号传感器等各种生物电信号传感器及其组合。

根据本发明的生物电信号监测系统，可选地，多个模数转换模块(adc)中，每个模数转换模块(adc)采用与其相连接的生物电信号传感器相匹配的输入方式。例如，当生物电信号传感器采用单端输出的工作方式时，对应的模数转换模块(adc)采用与之匹配的输入方式。

本发明还提供了一种基于压缩感知和组网传输的生物电信号监测系统的生物电信号监测方法，根据本发明的方法具体包括如下步骤：

步骤一：将多个生物电信号传感器固定于待检测者的检测部位，用于采集生物电信号，并将采集到的多路生物电信号分别传输至对应的模数转换模块(adc)；

步骤二：模数转换模块(adc)选择与生物电信号传感器相匹配的分辨率，根据由定时器timer产生的数据转换周期对该周期内的生物电信号进行模数转换，并将转换后的生物电信号数据传输至微处理器；

步骤三：微处理器对接收到的生物电信号数据进行处理，采用压缩感知算法进行数据压缩，并在数据压缩完成后，将压缩后的生物电信号数据存储到微处理器存储单元的寄存器中，在下一个数据转换周期，微处理器在进行数据压缩的同时，将寄存器中压缩好的生物电信号数据依次传输给zigbee子节点；

步骤四：zigbee协调器选择所述zigbee子节点的生物电信号的传输顺序，依次接收zigbee子节点的生物电信号，所述zigbee协调器对接收到的生物电信号数据添加校验码，将数据和校验码打包传输至上位机；

步骤五：上位机利用数据校验码对接收到的数据进行比对，确保数据传输一致，并利用监测程序利用重构算法对数据进行重构并显示监测结果。

根据本发明的生物电信号监测方法，可选地，该方法能够应用于例如监测心电信号、脑电信号、肌电信号及胃电信号等多种生物电信号的监测。

本发明的有益效果是：

根据本发明的生物电信号监测系统及监测方法，微处理器采用压缩感知算法，对采集到的生物电信号进行压缩处理，减少了数据传输量，并且大幅降低了系统对存储空间、数据量、信道带宽的依赖，实现了生物电信号监测系统的低功耗设计。进一步，根据本发明的生物电信号监测系统，采用zigbee射频模块设计了数据的组网传输模式，能够同时对多路生物电信号进行采集，并有选择多路生物电信号的传输顺序，从而依次进行传输，提高了数据采集传输效率，降低了生物电信号监测系统的功耗。

根据本发明的生物电信号监测系统及监测方法，多个生物电信号传感器能够根据监测者的实际需求选用多个心电信号传感器，多个脑电信号传感器，多个肌电信号传感器等各种生物电信号传感器及其组合，从而能够监测同一个待检测者的不同生物电信号，以及多个不同待检测者的同一类型的生物电信号或不同类型的生物电信号。

根据本发明的生物电信号监测系统及监测方法，zigbee协调器与上位机均设置有数据校验单元，对接收的数据进行校验：zigbee协调器在接受到zigbee子节点传来的数据后，对数据添加校验码，并与数据打包一起发送到上位机，上位机接受到数据后，对数据进行解析，比对数据格式，保证数据传输前后的一致性，从而提高数据重构的准确率。

进一步，根据本发明的生物电信号监测系统及监测方法，综合应用了智能终端上位机及微处理器的嵌入式系统设计，不需要患者在固定的场合进行观察监测，增加了待监测者的自由度。并且，基于zigbee无线通信技术及嵌入式开发的系统设计，本发明的生物电信号监测系统还具有体积小，成本低以及便携性好等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1是根据本发明的基于压缩感知和组网传输的生物电信号监测系统的整体结构框图。

图2是根据本发明的实施例的生物电信号监测系统的示意图。

图3是根据本发明的实施例的生物电信号监测方法的流程示意图。

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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供基于压缩感知和组网传输的生物电信号监测系统，如图1-2所示，根据本发明的生物电信号监测系统包括数据采集处理模块、射频模块和终端监测模块。

根据本实施例，具体地，数据采集处理模块包括多个生物电信号传感器、多个模数转换模块(adc)以及多个微处理器；射频模块包括zigbee协调器及多个zigbee子节点；终端监测模块包括上位机。

根据本实施例，多个生物电信号传感器用于采集多路生物电信号，多个模数转换模块(adc)用于对多个生物电信号传感器采集到的生物电信号进行模数转换，多个微处理器用于对模数转换后的生物电信号数据进行压缩处理。

根据本实施例，如图2所示，多个生物电信号传感器的数量与多个模数转换模块(adc)以及多个微处理器的数量相同；并且每个生物电信号传感器与一个模数转换模块(adc)以及一个微处理器对应连接；具体地：每个生物电信号传感器的输出端连接至一个模数转换模块(adc)的输入端，将采集的生物电信号传输至该模数转换模块(adc)，并且该模数转换模块(adc)的输出端与一个微处理器的输入端连接，将模数转换后的生物电信号数据传输至该微处理器。

根据本实施例，射频模块包括zigbee协调器及多个zigbee子节点，其中，多个zigbee子节点与zigbee协调器之间采用无线传输；并且，多个zigbee子节点的数量与多个生物电信号传感器的数量相同，如图2所示；zigbee协调器通过串口与上位机连接。

根据本实施例，多个微处理器分别与多个zigbee子节点连接，多个zigbee子节点分别对多个微处理器处理后的生物电信号数据进行无线传输，并传输至zigbee协调器，由zigbee协调器将数据传输至上位机。

多个生物电信号传感器能够固定于待检测者的待检测部位，同时采集多路生物电信号；并且通过多个模数转换模块(adc)将生物电信号进行模数转换之后传输至多个微处理器；多个微处理器采用压缩感知算法分别对接收到的生物电信号数据进行压缩处理。

根据本实施例，多个zigbee子节点分别对多个微处理器中经过数据压缩后的生物电信号数据进行无线传输，其中，每个zigbee子节点传输与该zigbee子节点相连接的微处理器中的生物电信号数据。

根据本实施例，zigbee协调器选择多个zigbee子节点的生物电信号数据的传输顺序，依次接收多个zigbee子节点的生物电信号数据；并且zigbee协调器和上位机分别设置有数据校验单元，zigbee协调器在接收到一个zigbee子节点传输的数据后，由数据校验单元对接收的数据添加校验码，将检验码与接收的数据进行打包，一起传输到上位机；上位机在接收到打包的数据之后，利用数据校验单元对接收到的数据进行解析，根据校验码对比数据格式，保证数据传输前后的一致性。

根据本实施例，每个微处理器能够根据生物电信号的不同信号类型(即心电、脑电、肌电、胃电等)而设置最匹配的数据压缩比，并对该类型的生物电信号数据进行压缩处理。

根据本实施例，多个模数转换模块(adc)、多个微处理器及多个zigbee子节点能够分别集成于多个嵌入式开发板中；其中，多个嵌入式开发板的数量大于多个生物电信号传感器的数量。

根据本实施例，互相连接的模数转换模块(adc)、微处理器及zigbee子节点集成于多个嵌入式开发板中的一个嵌入式开发板中，并且该嵌入式开发板相应地连接至多个生物电信号传感器中的一个，用于传输该生物电信号传感器的生物电信号数据。

根据本实施例，多个嵌入式开发板中，每个与生物传感器相连接的嵌入式开发板还包括定时器模块(timer)，定时器模块每隔一段时间产生一个中断，即产生一个数据转换周期，模数转换模块(adc)对每个中断之前获取的生物电信号数据，即一个数据转换周期内的数据进行模数转换，将转换后的数据传输至微处理器，由微处理器进行数据压缩处理，并经由zigbee子节点将压缩后的数据无线传输至zigbee协调器。

根据本实施例，zigbee协调器集成于多个嵌入式开发板中的一个嵌入式开发板中，并且该嵌入式开发板还包括微控制器及通用异步收发器(uart)。

根据本实施例，zigbee协调器通过微控制器对分别由多个zigbee子节点传输的多路生物电信号数据的传输顺序进行选择；并通过通用异步收发器(uart)将多个zigbee子节点生物电信号数据依次传输至上位机。

根据本实施例，上位机的监测程序对接收到的生物电信号数据进行重构和显示；其中，重构算法为块稀疏贝叶斯算法。

根据本实施例，多个生物电信号传感器能够根据监测者的实际需求选用多个心电信号传感器，多个脑电信号传感器，多个肌电信号传感器等各种类型的生物电信号传感器及其组合。从而，本发明的生物电信号检测系统能够监测同一个待检测者的不同生物电信号，以及多个不同待检测者的同一类型的生物电信号或不同类型的生物电信号。

可选地，多个模数转换模块(adc)中，每个模数转换模块(adc)采用与其相连接的生物电信号传感器相匹配的输入方式。

根据本实施例，本发明的监测系统中，多个微处理器能够采用例如80c51内核。

根据本实施例，本发明的监测系统中，多个生物信号传感器能够采用例如多个心电信号传感器；并且，多个心电信号传感器能够固定于待检测者的手臂或腹部，固定方式例如为贴片式固定；并且，当多个心电信号传感器采用单端输入的方式时，对应的模数转换模块(adc)采用与之匹配的输入方式。

根据本实施例，模数转换模块(adc)用于对生物电信号传感器采集到的模拟信号进行模数转换，本实施例中模数转换模块(adc)的采样频率设置为500hz，采样时间间隔为2ms；并且，微处理器通过压缩感知算法对数据进行压缩处理，可根据信号类型(例如心电、脑电、肌电、胃电等)的不同设置最合适的数据压缩比；zigbee子节点对各个生物电信号传感器采集的多路心电信号同时进行数据的接收，并以组网的形式进行无线发送；

根据本实施例，每个互相连接的模数转换模块(adc)、微处理器与zigbee子节点集成于一个嵌入式开发板中；并且该嵌入式开发板还包括定时器模块(timer)，定时器模块timer每隔一段时间产生一个中断，模数转换模块(adc)对该中断之前，即一个数据转换周期内获取的生物电信号数据进行模数转换，本实例中timer每2ms产生一次中断，即数据转换周期为2ms。

根据本实施例，zigbee协调器集成于多个嵌入式开发板中的一个嵌入式开发板中，并且该嵌入式开发板还包括微控制器及通用异步收发器(uart)。

根据本实施例，zigbee协调器通过微控制器对分别由多个zigbee子节点传输的多路生物电信号数据的传输顺序进行选择；并通过通用异步收发器(uart)将多个zigbee子节点的生物电信号数据依次传输至上位机。

根据本实施例，上位机的监测程序采用块稀疏贝叶斯算法对生物电信号数据进行重构和显示。

图3是根据本实施例的生物电信号监测方法的部分算法流程。如图3所示，本实施例提供基于压缩感知和组网传输的生物电信号监测系统的生物电信号监测方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤一：将多个生物电信号传感器，例如多个心电信号传感器固定于多个检测者的待检测部位，用于采集生物电信号，并将采集得到的多路生物电信号传输至对应的模数转换模块(adc)；

步骤二：模数转换模块(adc)将接收的生物电信号进行模数转换：模数转换模块(adc)选择合适的分辨率，根据定时器(timer)设定的数据转换周期，每2ms转换一次数据；并将转换后的生物电信号数据传输至对应的微处理器；

步骤三：微处理器采用压缩感知算法对接收到的数据进行压缩处理，压缩过程如下：

其中，测量矩阵为φ，接收到的数据为矩阵x，压缩单元为y；

并且，其中，测量矩阵的列与接收到的数据进行矩阵乘法运算后累加到压缩单元中。进一步，在数据压缩完成后，压缩好的数据被存储到微处理器存储单元的寄存器中；在下一个数据转换周期，微处理器在进行数据压缩的同时，存储单元将压缩后的数据传输至zigbee子节点；

步骤四：zigbee协调器与子节点进行无线通信，在组网中选择zigbee子节点的生物电信号数据的传输顺序，依次接收zigbee子节点的生物电信号数据并将接收到的生物电信号数据添加校验码，并将数据和校验码打包，通过通用异步收发器(uart)将数据传输至上位机；

步骤五：上位机利用数据校验码对接收到的数据进行比对，确保数据传输一致，并利用监测程序利用重构算法对数据进行重构并显示。

本实施例中，根据本发明的生物电信号监测方能够应用于例如监测心电信号、脑电信号、肌电信号及胃电信号等多种生物电信号的监测。

本实施例中，基于压缩感知和组网传输的生物电信号监测系统的生物电信号监测方法，能够采用如实施例1中详述的生物电信号监测系统。进一步，根据本实施例的生物电信号监测方法，能够实现与本发明的生物电信号监测系统相同的技术效果。

根据本实施例，微处理器通过采用压缩感知算法，对采集到的生物电信号进行压缩处理，减少了数据传输量，实现生物电信号监测系统的低功耗设计。进一步，根据本实施例，采用zigbee无线通信技术，并具体采用zigbee射频模块设计了数据的组网传输模式，能够同时对多路生物电信号进行采集，并有选择性的依次进行传输，提高了数据采集传输效率，降低了生物电信号监测系统的功耗。

根据本实施例，zigbee协调器与上位机均设置有数据校验单元，对接收的数据进行校验：zigbee协调器在接收到zigbee子节点传输的数据后，对数据添加校验码，并将校验码与数据打包一起发送到上位机，上位机接受到数据后，对数据进行解析，比对数据格式，保证数据传输前后的一致性，从而提高数据重构的准确率。

进一步，根据本实施例，本发明的生物电信号监测系统综合应用了智能终端上位机及微处理器的嵌入式系统设计，不需要患者在固定的场合进行观察监测，增加了待监测者的自由度；并且，基于zigbee无线通信技术及嵌入式开发的系统设计，本发明的生物电信号监测系统还具有体积小，成本低以及便携性好等优点。

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。