趙鳴奇

(隴東學(xué)院信息工程學(xué)院，甘肅慶陽(yáng)745000)

一種可穿戴式雙導(dǎo)生物電信號(hào)傳感器的實(shí)現(xiàn)

趙鳴奇

(隴東學(xué)院信息工程學(xué)院，甘肅慶陽(yáng)745000)

生物電信號(hào)能夠觀察和分析人的工作狀態(tài)，因此隨時(shí)隨地實(shí)時(shí)地采集生物電信號(hào)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。為完成基于眼電信號(hào)的計(jì)算機(jī)輔助輸入系統(tǒng)以及后續(xù)生理心理計(jì)算應(yīng)用方面的研究，基于Think Gear AM生物電信號(hào)模擬前端、STM32微控制器以及藍(lán)牙通信模塊，實(shí)現(xiàn)了一款可穿戴式雙導(dǎo)聯(lián)無(wú)線生物電信號(hào)傳感器。同時(shí)對(duì)其進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集測(cè)試、功耗測(cè)試和連續(xù)運(yùn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明其平均信噪比約為17 dB，平均工作電流約59 mA，能夠連續(xù)工作19小時(shí)左右。這說(shuō)明該傳感器系統(tǒng)能夠勝任其后續(xù)研究與應(yīng)用中日常穿戴并持續(xù)數(shù)據(jù)采集的需求。

可穿戴；生物電信號(hào)；傳感器

生物電信號(hào)是由生物體活動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的可測(cè)量的電信號(hào)，觀察和分析生物電信號(hào)能在一定程度上清晰地得出有關(guān)生物體工作狀態(tài)的結(jié)論[1]。人作為一種生物體，其體電信號(hào)主要有[2]：心臟活動(dòng)所產(chǎn)生的心電信號(hào)(Electrocardiogram,ECG)、大腦活動(dòng)所產(chǎn)生的腦電信號(hào)(Electroencephalogram,EEG)、肌肉活動(dòng)所產(chǎn)生的肌肉電信號(hào)(Electromyogram,EMG)和眼活動(dòng)所產(chǎn)生的眼電信號(hào)(Electrooculogram,EOG)。這些電信號(hào)被廣泛地研究與應(yīng)用，如：認(rèn)知機(jī)理相關(guān)的研究[3]、人機(jī)交互接口[4]、疾病診斷[5]等等。隨著相關(guān)研究和應(yīng)用的發(fā)展，隨時(shí)隨地實(shí)時(shí)地采集生物電信號(hào)變得越來(lái)越重要，穿戴式腦電、心電等采集設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。穿戴式生物電信號(hào)傳感器可分為入侵式和非入侵式兩類，入侵式即將電極甚至整個(gè)傳感器通過(guò)手術(shù)植入體內(nèi)；非入侵式即將電極貼于體表。非入侵式因其便捷、安全無(wú)需手術(shù)等優(yōu)勢(shì)而有著廣泛的研究。

國(guó)外的相關(guān)研究起步較早，最早的可追溯到霍特等人[6]的動(dòng)態(tài)心電圖采集研究。隨著時(shí)間的推移，相當(dāng)數(shù)量的關(guān)注普適計(jì)算環(huán)境下的可穿戴健康的科研機(jī)構(gòu)開始進(jìn)行可穿戴生物電信號(hào)傳感器的研究與應(yīng)用。比較多見(jiàn)的是穿戴式心電信號(hào)采集，比較新的研究如Nemati等人[7]的低功耗、可長(zhǎng)期工作的心電信號(hào)傳感器，Suresh等人[8]的低功耗可穿戴心電設(shè)備。也有一些穿戴式腦電信號(hào)采集的研究，例如Artem等人[9]的基于超高頻和射頻身份識(shí)別的可穿戴腦電信號(hào)采集系統(tǒng)。眼電信號(hào)和肌電信號(hào)傳感器也有一些研究與應(yīng)用，比較著名的有Bulling等人[10]的眼電信號(hào)采集護(hù)目鏡和Moon等人[11]的基于肌肉電信號(hào)控制的輪椅系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究有北京工業(yè)大學(xué)吳水才教授[12]的穿戴式心電傳感設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的相關(guān)研究，東南大學(xué)薛詩(shī)靜、高帥鋒[13]等人的可穿戴心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)等等。

本文所設(shè)計(jì)的傳感器是隴東學(xué)院青年科技創(chuàng)新項(xiàng)目(XYZK1510):基于眼電信號(hào)的可穿戴式計(jì)算機(jī)輔助輸入系統(tǒng)研究的一部分。該傳感器能夠采集兩個(gè)獨(dú)立導(dǎo)聯(lián)的眼電信號(hào)，同時(shí)也兼顧心電、腦電的采集，以滿足后續(xù)的可穿戴智能健康監(jiān)護(hù)相關(guān)研究與應(yīng)用。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本穿戴式傳感器能夠?qū)蓚€(gè)獨(dú)立導(dǎo)聯(lián)的信號(hào)進(jìn)行采集、放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換，最終將數(shù)字串流通過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)狡渌O(shè)備，圖1給出了系統(tǒng)的模塊框圖。

本傳感器系統(tǒng)除了滿足體積小重量輕的基本條件外，還應(yīng)該滿足一定的技術(shù)參數(shù)。為進(jìn)行信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)首先應(yīng)該滿足信號(hào)放大倍率、采樣率的條件，同時(shí)也應(yīng)該選擇合適的量化精度。生物電信號(hào)的幅值在數(shù)百微伏到數(shù)十毫伏之間[1]，要將其放大到伏級(jí)別的幅度，系統(tǒng)應(yīng)該有數(shù)百倍的放大倍率。心電信號(hào)、腦電信號(hào)、眼電信號(hào)的能量主要集中在60 Hz以下，其中腦電信號(hào)還有少部分能量處60～120 Hz之間[1,14]，肌肉電信號(hào)因其高頻成分多，且在本項(xiàng)目及將來(lái)的應(yīng)用中不會(huì)涉及，在此不考慮采集。因此，根據(jù)采樣定理，系統(tǒng)的采樣率應(yīng)不小于240 Hz。目前主流的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊一般采用16 bit量化精度，滿足對(duì)生物電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的要求。除此之外，為了能夠?qū)?shù)字串流進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，無(wú)線傳輸系統(tǒng)的傳輸速率不應(yīng)該小于960 Byte/s。

圖1 系統(tǒng)模塊框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

如圖2各模塊示意圖所示，系統(tǒng)由可更換電極和傳感器主體兩部分組成。生物電信號(hào)由緊貼皮膚表面的電極收集，通過(guò)鍍銀屏蔽線傳輸?shù)絺鞲衅髦黧w內(nèi)部，傳感器主體內(nèi)的各模塊對(duì)其進(jìn)行處理，最終由藍(lán)牙無(wú)線通信傳輸?shù)狡湓O(shè)備。

圖2 各模塊示意圖

2.1 可更換式電極

為滿足眼電、腦電和心電不同情景下的采集應(yīng)用，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種不同樣式的電極，能夠進(jìn)行更換。在進(jìn)行基于眼電信號(hào)的人-機(jī)交互應(yīng)用時(shí)，可在傳感器主體上安裝一種裝有四個(gè)圓形干式不銹鋼電極片的護(hù)目鏡以完成信號(hào)的采集(見(jiàn)圖3)。而在心電和腦電采集中，為了保證信號(hào)不受身體運(yùn)動(dòng)干擾，可使用紐扣式一次性銀-氯化銀不干膠電極(見(jiàn)圖4)。這樣，通過(guò)兩種可更換的電極設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同應(yīng)用的適應(yīng)性。

圖3 護(hù)目鏡信號(hào)收集裝置

圖4 一次性銀-氯化銀不干膠電極

2.2 傳感器主體

如圖2所示，傳感器主體(見(jiàn)圖5)由數(shù)?；旌喜杉岸?、微控制器、無(wú)線通信和電源四部分組成。

圖5 傳感器主體實(shí)物圖

為保證采集到的生物電信號(hào)的質(zhì)量，我們采用了性能良好的數(shù)模混合采集前端模塊Think Gear AM。該模塊是一款專用集成電路(ASIC)模塊，輸入為單導(dǎo)聯(lián)生物電信號(hào)，輸出為包含數(shù)字化信號(hào)的數(shù)據(jù)串流，具有256 Hz采樣率、16 bit量化精度。本傳感器使用兩塊Think Gear AM實(shí)現(xiàn)雙導(dǎo)聯(lián)的信號(hào)采集，分別與微控制器的兩個(gè)異步串口(UART)相連接。

一個(gè)STM32F1038T6被用作傳感器系統(tǒng)的微控制器，以實(shí)現(xiàn)采集前端模塊控制、數(shù)據(jù)串流打包和藍(lán)牙通信模塊的控制。該微控制器是一款A(yù)RM Cotex-M3微控制器，工作頻率最高可達(dá)72MHz，并且擁有豐富的接口資源以便后續(xù)的研究中添加其他如軀體姿態(tài)、肢體運(yùn)動(dòng)等生理數(shù)據(jù)采集模塊。

系統(tǒng)采用一個(gè)與微控制器異步串口(UART)連接的HC-06藍(lán)牙通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送，該模塊上的藍(lán)牙通信為2.0版本，具有設(shè)備兼容性好、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)。

為保證本傳感器系統(tǒng)能連續(xù)工作20小時(shí)以上同時(shí)兼顧可穿戴性，考慮到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電流在60mA左右，采用一款1300mAh的鋰聚合物電池和一個(gè)充放電管理模塊作為傳感器系統(tǒng)的電源模塊。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)運(yùn)行于微控制器上，在 Keil u5 MDK集成開發(fā)環(huán)境下由C語(yǔ)言編寫而成。其主要作用有：在系統(tǒng)上電時(shí)，對(duì)各模塊進(jìn)行初始化；從數(shù)模采集前端模塊讀取數(shù)據(jù)串流；對(duì)數(shù)據(jù)串流按照傳輸協(xié)議打包；將打包后的數(shù)據(jù)串流通過(guò)藍(lán)牙通信模塊發(fā)送；從藍(lán)牙通信接收系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)等。

3.1 任務(wù)調(diào)度

表1給出了需要軟件系統(tǒng)調(diào)度的各項(xiàng)任務(wù)，其中微控制器資源和各模塊的初始化任務(wù)需要系統(tǒng)啟動(dòng)后執(zhí)行一次，讀取采集前端、數(shù)據(jù)串流打包和發(fā)送任務(wù)需要所有初始化完成后循環(huán)執(zhí)行。

表1 任務(wù)及執(zhí)行方式

圖6 任務(wù)調(diào)度流程圖

系統(tǒng)的工作流程如圖6所示，即啟動(dòng)后首先初始化微控制器的資源，如存儲(chǔ)器、異步串口等；然后進(jìn)行兩個(gè)Think Gear AM模塊的初始化，如控制其工作方式等。接著初始化藍(lán)牙通信模塊，如通信的波特率等；初始化部分結(jié)束后，開始循環(huán)執(zhí)行部分：首先讀入Think Gear AM 1的數(shù)據(jù)和Think Gear AM 2的數(shù)據(jù)。然后將其按照3.2中的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議添加幀頭、幀尾，以數(shù)據(jù)串流的形式通過(guò)藍(lán)牙通信模塊發(fā)送出去。在循環(huán)的最后，還要從藍(lán)牙讀取設(shè)置信息并進(jìn)行配置，這為其他設(shè)備通過(guò)藍(lán)牙對(duì)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行配置提供了途徑。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽?、各?dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)的可識(shí)別以及后續(xù)研究的可擴(kuò)展，設(shè)計(jì)了一種定長(zhǎng)幀結(jié)構(gòu)。

圖7 幀結(jié)構(gòu)示意圖

如圖7所示，一個(gè)幀由幀頭、數(shù)據(jù)負(fù)載、幀尾三部分組成。其中幀頭由2字節(jié)的同步碼組成。為避免與TinkGear幀協(xié)議沖突，同步碼設(shè)置為兩個(gè)0x59。數(shù)據(jù)負(fù)載為幀結(jié)構(gòu)承載有效數(shù)據(jù)的部分，目前其長(zhǎng)度為2字節(jié)，分別為兩個(gè)導(dǎo)聯(lián)的生物電信號(hào)數(shù)據(jù)，根據(jù)后續(xù)研究的需要，可增加長(zhǎng)度以傳輸其他生理數(shù)據(jù)，如軀體姿態(tài)、肢體運(yùn)動(dòng)等。幀尾為校驗(yàn)字節(jié)，內(nèi)容數(shù)據(jù)負(fù)載求和的低8位按位取反。需要注意的是，數(shù)據(jù)負(fù)載中的數(shù)據(jù)字節(jié)1和數(shù)據(jù)字節(jié)2分別來(lái)自前端采集模塊Think Gear AM 1和Think Gear AM 2，是分別屬于兩個(gè)Think Gear AM幀的字節(jié)。因此，要拿到原始生物電信號(hào)數(shù)值，在解完圖7中的協(xié)議后，還需將數(shù)據(jù)字節(jié)1和數(shù)據(jù)字節(jié)2分別當(dāng)作數(shù)據(jù)串流，分別解兩個(gè)Think Gear AM的數(shù)據(jù)協(xié)議。

4 測(cè)試及結(jié)果分析

數(shù)據(jù)采集測(cè)試、功耗測(cè)試和連續(xù)運(yùn)行測(cè)試這三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)被實(shí)施，以驗(yàn)證本傳感器系統(tǒng)能夠滿足后續(xù)研究與應(yīng)用的功能需求。

數(shù)據(jù)采集測(cè)試的目的是檢驗(yàn)傳感器系統(tǒng)能否完成數(shù)據(jù)的采集。為完成該項(xiàng)測(cè)試，開發(fā)了一款基于C#的桌面圖形用戶界面采集軟件(見(jiàn)圖8)。用該軟件采集了一段眼電信號(hào)，對(duì)其時(shí)域(見(jiàn)圖9.a)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)能從其中清楚地看到眨眼和眼球運(yùn)動(dòng)所引起的信號(hào)變化。對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉變換，分析其頻域(見(jiàn)圖9.b)，發(fā)現(xiàn)信號(hào)的能量主要集中在低于20 Hz的頻段和50 Hz的頻段，這表明信號(hào)受到了50 Hz工頻噪聲的污染，其平均信噪比約為17dB。在對(duì)其進(jìn)行帶通濾波去噪(見(jiàn)圖10，F(xiàn)IR數(shù)字帶通濾波器通帶頻率0.5 Hz-30 Hz)后，時(shí)域信號(hào)變得更加容易識(shí)別。以上結(jié)果表明，本傳感器系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)后續(xù)研究與應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集需求。

圖8 采集軟件界面截圖

圖9 一段眼電信號(hào)的時(shí)域和頻域圖

圖10 帶通濾波去噪后的眼電信號(hào)的時(shí)域和頻域圖

功耗測(cè)試的目的是測(cè)量系統(tǒng)在正常工作時(shí)對(duì)電能的消耗。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先在傳感器系統(tǒng)與3.3V電源串聯(lián)電流表，然后打開傳感器系統(tǒng)電源開關(guān)，完成傳感器系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的藍(lán)牙連接并開始數(shù)據(jù)采集，待電流讀數(shù)穩(wěn)定后，每個(gè)3分鐘讀取一個(gè)電流讀數(shù)，共測(cè)量8組數(shù)據(jù)(見(jiàn)表 2)，得其平均電流為59.7毫安，在1 350 mAh鋰聚合物電池供電的情況下，理論上可連續(xù)工作22小時(shí)左右。一般人每天活動(dòng)時(shí)間為14～18小時(shí)，由此可見(jiàn)，本傳感器系統(tǒng)能夠滿足日?；顒?dòng)時(shí)的穿戴需求。

表2 工作電流采樣

圖11 傳感器電量耗盡時(shí)的采集界面

連續(xù)運(yùn)行測(cè)試的目的是檢驗(yàn)本傳感器系統(tǒng)能否在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行時(shí)，能否穩(wěn)定地完成數(shù)據(jù)采集工作。在測(cè)試時(shí)，將傳感器系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)相連進(jìn)行正常數(shù)據(jù)采集，讓其連續(xù)運(yùn)行并由采集軟件記錄工作時(shí)長(zhǎng)和采集到的數(shù)據(jù)。采集軟件顯示傳感器系統(tǒng)在工作19小時(shí)23分鐘14秒(見(jiàn)圖 10)后電池電量耗盡，發(fā)送出的數(shù)據(jù)記錄完整。這表明本傳感器系統(tǒng)能夠勝任后續(xù)研究與應(yīng)用中日常穿戴并持續(xù)數(shù)據(jù)采集的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

為完成科研項(xiàng)目及其后續(xù)相關(guān)研究的需要，實(shí)現(xiàn)了一種可穿戴式雙導(dǎo)聯(lián)生物電信號(hào)傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能完成雙導(dǎo)聯(lián)生物電信號(hào)的采集，并通過(guò)藍(lán)牙通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌O(shè)備，還能通過(guò)可更換式電極適應(yīng)眼電信號(hào)、腦電信號(hào)和心電信號(hào)的采集環(huán)境。在實(shí)現(xiàn)傳感系統(tǒng)后，還對(duì)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集、功耗和連續(xù)運(yùn)行三項(xiàng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該傳感器系統(tǒng)能夠滿足在日常穿戴情況下的對(duì)兩導(dǎo)聯(lián)生物電信號(hào)的持續(xù)采集任務(wù)。在后續(xù)研究中，本傳感器將被應(yīng)用在基于眼電信號(hào)的計(jì)算機(jī)輔助輸入系統(tǒng)中以實(shí)現(xiàn)利用眼電對(duì)計(jì)算機(jī)的控制，這在殘疾人輔助和計(jì)算機(jī)游戲控制等方面有一定的應(yīng)用前景。本傳感器系統(tǒng)還將不斷改進(jìn)，以適應(yīng)穿戴式軀體運(yùn)動(dòng)與姿態(tài)、心電信號(hào)和腦電信號(hào)智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的需求，在可穿戴普適個(gè)人生理心理健康計(jì)算[15]方面進(jìn)行研究與應(yīng)用探索。

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【責(zé)任編輯 朱世廣】

Implementation of a Wearable Bi-channel Biological Electrical Signal Sensor

ZHAO Ming-qi

(SchoolofInformationEngineering,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu)

Biological electrical signal can be significant in observing and analyzing human status,therefore,it is useful to collect these signals anytime and anywhere. For the purpose of completing an electrooculogram based computer type system,a wearable bi-channel biological electrical signal sensor based on Think Gear AM,STM32 microcontroller and Bluetooth wireless module is implemented. Test experiments,including data collecting test,power consuming test and continuously running test,are also conducted. Results show that the sensor system’s signal noise ratio is about 17dB,working current is about 59mA,and could continuously work for about 19 hours. That means the system is adequate for daily wearing and continuous data collection in its future research and application.

Wearable;biological electrical signal;Sensor

1674-1730(2017)03-0020-05

2016-10-10

2015年隴東學(xué)院青年科技創(chuàng)新項(xiàng)目《基于眼電信號(hào)的可穿戴式計(jì)算機(jī)輔助輸入系統(tǒng)研究》(XYZK1510)

趙鳴奇(1989—)，男，甘肅寧縣人，助教，碩士，主要從事生物電信號(hào)應(yīng)用研究。

TP212.9

A