基于关于可穿戴式双导生物电信号传感器的研究

发表时间:2019/5/13   来源:《知识-力量》2019年8月26期   作者:汪一鸣 王惠敏 姜伟
[导读] 科技永远是最能推动人类社会发展的动力。以对“生物电信号”的研究为例。现阶段,通过“生物电信号”的监测,已经能够实时的分析人体生理和心理的状态,进而提供必要的帮助。
(西安交通大学)
基金项目:陕西省重点研发计划项目(No.2017KW-030)。
摘要:科技永远是最能推动人类社会发展的动力。以对“生物电信号”的研究为例。现阶段,通过“生物电信号”的监测,已经能够实时的分析人体生理和心理的状态,进而提供必要的帮助。在未来,对“生物电信号”的采集和检测的应用将越来越多,因此,关于可穿戴式生物电信号传感器的研究,对于随时随地采集生物电信号而言,具备极高的研究价值。本次研究简述了可穿戴式双导生物电信号传感器的设计目标、设计实现、实测分析,为相关从业人员的后续研究提供一定的参考。
关键词:生物电信号传感器;可穿戴;研究现状;设计目标;设计实现

 
         所谓的“生物传感器”是基于生物物质敏感的基础上,可以把生物物质的浓度变换为电信号并提供实时监测的仪器[1]。其基本元件包括识别生物物质的敏感材料制作成的“识别元件”;将生物物质浓度变换文电信号的“换能器”;将信号放大并分析的软件系统[2]。因此,一个合格的“生物传感器”必须具备“接受”“转换”和“分析”的功能,在此基础上,还需要实现可穿戴的“便携”功能。
         1.可穿戴生物传感器研究现状
         当今社会,可穿戴设备早已不是新鲜话题。无论是智能手环还是谷歌眼镜,都让可穿戴设备进入百姓生活。在可穿戴生物传感器的研究上,加州大学伯克利分校开发出了一种可以对汗液中的电解质以及代谢物进行监测的可穿戴设备传感器。通过蓝牙连接用户的智能手环后,可以对用户的疲劳或脱水情况进行有效鉴别,并第一时间发出警报[3]。
         可穿戴生物传感器更多的被用于医学上。以糖尿病为例,糖尿病是现代非常常见的疾病,危害性很高,如果长期血糖水平不断上升,还会对人的眼睛、肾脏乃至心脏都会造成严重损害。全球糖尿病患者人数的不断升高,成为各个国家医疗机构必须面对的社会问题。每一天,糖尿病患者都需要同糖尿病进行斗争,对自己的血糖水平要不间断的检测。但是,目前主要采用手指血的方式进行血糖测试,这种方法伴随一定的痛感,导致很多患者拒绝接受检测。
         2.可穿戴式双导生物电信号传感器设计目标
         基于穿戴式传感器的必备功能,在对可穿戴式双导生物电信号传感器进行设计的时候,需要实现采集两个独立导联的信号并且通过可以放大信号,通过转换数模形成数字串流,最终以无线通信将信号传递出去,被其他设备所接受。
         系统首先进行的是信号放大以及合适的量化采样。生物电信号的振幅在几百微伏到几毫伏之间。要将其放大到伏特级,系统应该有数百倍的放大率。eg信号、eeg信号和eeg信号的能量主要集中在60hz以下,其中60-120h之间的eeg信号仍有一小部分存在,因此,根据采样定理,该系统的采样率不应低于240赫兹。目前主流的数字转换模块一般采用16位元的量化精度,以满足生物电信号转换的要求。另外,为了能够实时传输数位流,无线传输系统的传输速率不应低于960字节/s。
         3.可穿戴式双导生物电信号传感器设计实现
         穿戴式双导生物电信号传感器的实现需要传感器主体以及可更换电极。
         前者通过紧贴皮肤表面的电极收集用户的生物电信号,经由镀银屏蔽线将用户的生物电信号传输主体内部,而后,由主体内的各模块对传输到的用户生物电信号进行处理,最终再借由蓝牙系统将其传输到有关设备中。
         而后者是为了满足不同情景下的眼电、脑电和心电采集而设计的。通过更换两种不同样式的电极,来实现这一设计。为了完成用户生物电信号的采集,可以在主体上,基于电信号的人-机交互,安装一种干式不锈钢电极片,借此实现对眼电的采集。而心电和脑电采集则主要依靠一次性银-氯化银纽扣式不干胶电极。
         4.实测分析
          对可穿戴式双导生物电信号传感器的实测分析,主要基于数据采集、功耗和连续运行三项测试。具体测试如下所述:
         数据采集测试的目的是检验传感器系统能否完成数据的采集。在测试过程中,首先让测试者快速的眨眼以及进行眼球运动。之后通过检测软件,查看传感器的信号变换,并通过傅里叶变换,进行频域的分析。发现信号的能量主要集中在20hz以下的频带和50hz的频带,这表明信号受到50hz频率噪声的污染,其平均信噪比约为17db。带通滤波器采用冷杉数字带通滤波器频率0进行去噪。在5赫兹-30赫兹之后,时间域信号变得更容易识别。由此得出,可穿戴式双导生物电信号传感器能够满足数据的采集需要。
         功耗测试的目的是测量系统正常运行时的功耗。在测试过程中,传感器系统首先与3.3v电源安培计串联,然后开启传感器系统的电源开关,传感器系统与计算机的蓝牙连接,并启动数据收集。当电流读数稳定后,每3分钟读取一次电流读数,并测量8组数据。具体如表1所示。
         表1 电能消耗采样表

         如上表所示,最终采集到的电能平均耗电61.1875m Ah ,基于一般锂聚合物电池电量在1 350 m Ah的情况下,理论上,电池可以提供22.06小时左右的连续工作。假设,一般人的活动时间为14 -18 h/1d,由此得出,可穿戴式双导生物电信号传感器理论上可以实现日常穿戴要求。
         连续运行测试的目的是检验传感器系统能否支持长时间连续运行,数据采集工作能否稳定地完成。在测试过程中,通过计算机,进行传感器连续工作的记录。在计算机的记录中,传感器的数据发送完整。由此得出,可穿戴式双导生物电信号传感器可以满足持续数据采集的研究要求。
         结论
         综上所述,本次研究主要是论述一种可穿戴式双导生物电信号传感器的实现。通过对其设计目标、设计实现的阐述,说明了通过该系统可以完成采集双导联生物电信号的目的,并且可以经过蓝牙,实现同步数据到其他设备的功能。本次研究为相关从业人员在研究电信号、脑电信号和心电信号的采集方面提供了一定的技术参考,具备现实意义。
参考文献
[1]杜家振,王伟,李富平,顾杰峰. F-P光纤传感器检测变压器中不同局部放电信号的特性对比[A].输变电工程技术成果汇编——国网上海经研院青年科技论文成果集[C].上海浦江教育出版社有限公司,2017:5.
[2]何乐生.用Microchip智能传感器方案构建高性能的生物电信号采集系统前端模块[J].电子产品世界,2008(11):146-148.
[3]陈超.多种生理信号监测的可穿戴设备研发[D].电子科技大学,2017.
[4]佐妍.低电压生物信号传感器专用集成电路设计[D].天津工业大学,2017.

作者简介:汪一鸣(1969.06-),男,职务/职称:副教授,学历:硕士,研究方向:体育教学训练。
 
 
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