一种生物电信号采集与分析系统的制作方法

本发明涉及一种生物电信号采集与分析系统，特别是一种基于低功耗通讯协议传输的多设备多模态生物电信号采集与分析系统。

背景技术：

1、脑电信号，心电信号和肌电信号可以反映人体的疾病，运动，精神状态甚至思想。精确地采集到这些信号，一方面可以研究和预判人体的多种疾病，另一方面可以解析出人的想法，从而对外部设备进行控制。因此生物电采集系统广泛应用于科学研究，军事，医疗及生活辅助等各个方面，具有重要的实际意义。

2、但是，现有背景技术中的信号传输和时间同步存在如下两方面问题。

3、首先是信号传输问题：

4、在生物电信号的采集与分析中，生物电信号的传输是其中十分重要的一环，传统的信号传输方法通常采用有线连接。然而，有线连接在实际应用中存在一些重要的局限性，包括：

5、1）限制活动范围和自由度：有线连接可能会限制被监测对象的活动范围和自由度，尤其在需要进行大范围运动或活动的情况下；

6、2）引入额外干扰：有线连接可能会引入额外的噪声和干扰，影响信号的质量和准确性；

7、3）不便携：有线连接的设备通常较为笨重，不便于携带和使用（尤其对于穿戴式设备等应用场景）；

8、4）复杂设置：有线连接的设备可能需要复杂的设置和调整，对于普通用户来说可能较为繁琐；

9、为了解决这些问题，无线传输技术逐渐出现在生物电信号采集领域，其中比较常用的方式是wifi传输和蓝牙传输。

10、由于生物电微弱信号的特性，其模数转换采用的高精度adc通常输出2byte或4byte数据，同时生物电信号采集所需的高采样率使得含有16个采样通道的生物电测量设备每秒采集数据可能达到128kbyte，生物电测量系统尤其是高采样率的多通道肌肉电信号测量系统通常通过wifi协议进行无线数据传输。

11、由于不同通讯协议传输单位bit数据功耗并未有显著差异，ble、sub1g等低功耗无线通讯方法的功耗虽然通常仅为wifi方法的10分之一甚至更低，但是其低功耗特点由其低传输速率所产生。以最高2mbps速率的ble5.0为例，其实际有效数据传输速率约为120kbyte/s，远低于wifi的数mbyte/s级实际有效数据传输速率。

12、基于wifi协议的无线通讯方法高速数据传输的同时产生的高功耗也使得基于该协议的无线设备在小体积短续航和长续航大体积间进行选择。

13、其次是时间同步问题：

14、在人体运动和运动损伤分析过程中，通常涉及对不同种类系统所采集的数据进行综合分析。未进行时间同步采集的系统通常会存在时钟误差导致数据会存在错位的情况，进而导致数据分析结果的准确性较差。

15、现有时钟同步方法通常应用于一种生物电信号测量系统的多个节点之中，不同类型的生物电信号测量系统往往需要人工进行同步。相关技术中依赖硬件电路触发或向人体输出电信号进行时间同步，然而，硬件触发的方式需要设备之间直接或通过线缆连接，限制了设备使用的灵活性；向人体输出电信号的方法更多应用于位于同一部位的不同设备之间，对于位于不同部位的其它设备由于输出电信号安全性限制，其信号强度不高往往难以识别，同时该方法会对用户体验产生负面影响。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的技术问题和需求，本发明提供了一种基于低功耗通讯协议传输的多设备多模态生物电信号采集与分析系统，以解决现有技术存在的数据传输功耗大，多个生物电测量设备之间采集到的数据不同步的缺陷。

2、本发明的具体技术方案如下： 本发明提供了一种生物电信号采集与分析系统，由生物电无线测量设备、融合收发设备和计算分析设备组成，其特征在于，

3、所述融合收发设备为多个无线通讯收发模块或多个无线通讯收发模块和控制模块的组合；

4、所述无线通讯收发模块采用低功耗通讯协议和方法，所述低功耗通讯协议和方法应用中传输速率低于10mbps，包括但不限于低功耗蓝牙（ble）或sub 1g等；

5、所述生物电无线测量设备的各个节点与所述融合收发设备的各个无线通讯收发模块分别连接，各个无线通信收发模块直接或经过控制模块通过高速通讯协议与所述计算分析设备连接；

6、所述计算分析设备通过所述融合收发设备与所述生物电无线测量设备各节点通过无线通讯同步系统时间，同步各个节点的系统时间是为实现各个生物电无线测量设备的采集数据自动时序对齐。

7、所述生物电无线测量设备由一个或者多个心脏电信号（ecg）无线测量设备、肌肉电信号（emg）无线测量设备、脑部电信号（eeg）无线测量设备组成。

8、所述肌肉电信号（emg）无线测量设备可以根据用户校准动作的执行来选择肌肉电信号的最佳采样通道。

9、所述用户校准动作为事先设计好的肢体动作，用户按照校准动作执行，肌肉电信号（emg）无线测量设备即可选择肌肉电信号的最佳采样通道。

10、所述心脏电信号（ecg）无线测量设备由心脏电信号（ecg）无线计算单元，电池、心脏电信号（ecg）采样电极模块和显示模块组成；

11、所述肌肉电信号（emg）无线测量设备由肌肉电信号（emg）无线计算单元，电池、肌肉电信号（emg）采样电极模块和显示模块组成；

12、所述脑部电信号（eeg）无线测量设备由脑部电信号（eeg）无线计算单元，电池、脑部电信号（eeg）采样电极模块和显示模块组成。

13、所述无线计算单元由无线控制模块、生物电处理模块和惯性传感单元（imu）所组成。

14、所述无线计算单元直接或间接与所述生物电采样电极模块相连接。

15、所述生物电采样电极模块由一个或多个采样电极单元组成，一个采样电极单元包含多个生物电采样通道与一个或者多个辅助电极，辅助电极为右腿驱动电路（rld）电极或参考电极（ref）的一个或多个。

16、所述生物电处理模块由集成的模拟前端（analog front end，简称afe）芯片、或者分立器件、或者经结合的模拟前端afe芯片与分立器件组成，实现生物电信号的放大、滤波、模数转换等功能与减少生物电信号噪声的辅助电极对应功能。

17、所述生物电无线测量设备采集到稳定的生物电信号后，先采取一段时间窗内的静止的信号幅值作为基线信号，来优化生物电信号的采集和处理，用此方法可以观察采集到的生物电信号的质量，如果噪声过大，会进行相应地调整并重新评估噪声，直到可以记录到满意的生物电信号。

18、所述生物电无线测量设备上还安装有显示终端，显示终端展示用户的实时数据信息。

19、所述显示终端包括led灯组、lcd显示屏、oled显示屏或电子墨水显示屏等。

20、所述显示终端还向用户展示针对不同肌肉群的完全激活动作，在用户执行这些动作的过程中，所述肌电信号采集与分析系统上会采集不同部位的肌电信号幅值，并结合各个通道的信号信噪比（signal-to-noise ratio，简称snr）来判断最佳通道。

21、针对背景技术中存在的缺陷，本发明的有益效果包括：

22、1）低功耗无线通讯方法进行数据传输具备优势。

23、ble、sub1g等低功耗无线通讯方法是专门为低功耗应用而设计的无线通信技术，相比wifi，它们的功耗更低，这对于移动设备和穿戴式生物传感器等需要长时间运行或低能耗的应用非常有利。

24、2）用户状态采集更加全面和方便。

25、本发明提高了同时进行肌电、心电脑电与姿态数据测量的便利性。通过将肌电、心电脑电采集设备与惯性传感器（imu）系统进行整合，通过计算分析设备通过融合收发设备向生物电测量系统各节点发送系统时间，以自动时序对齐采集到的数据信息，减少了各个系统间人工进行数据对齐的工作，更加全面且方便的实现用户肌电、心电脑电监测与运动学数据收集。

26、3）有益于人体功能的改善。

27、本发明可以提供给用户有关肌肉活动、心脏状态和脑部活动和姿态数据的反馈，这可以帮助用户了解他们的人体活动，以便他们可以更好地控制和改善他们的人体行为。这对于康复训练、运动训练、疾病预防等方面都具有重要的价值。

28、4）易用性更好。

29、通过对肌肉电信号无线测量设备进行电极校准与检测，有助于采集测量同一部位的多通道肌电测量设备确定最佳采样通道，降低了肌肉电信号采集对肌电信号最佳采样点辨识的专业要求，提高肌电信号采集的质量和准确性。