生物體表電信號探測電極陣列的制作方法
【專利摘要】一種生物體表電信號探測電極陣列，包括柔性印刷電路板的電極載體，所述電極載體采用雙面印刷電路布線，在電極載體上設(shè)有陣列狀排列的電極點，所述電極載體的電極點陣列左右平均分割為2個區(qū)域，并分別采用2?3mm的印刷電路布線作為地線進行全封閉包圍，所述電極點上還設(shè)置有微型加熱電阻，每個微型加熱電阻有兩個引腳，其中一個引腳通過與焊盤另一側(cè)的PCB布線，連接至公共接口端，另一個引腳通過與焊盤另一側(cè)的PCB布線，連接至5V電源，所述微型加熱電阻與焊盤、焊錫之間均呈絕緣連接，且微型加熱電阻本體埋于焊錫之中。本實用新型可使得每個電極點的溫度可控，減小溫度誤差。
【專利說明】
生物體表電信號探測電極陣列
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種適用于生物體表面微弱電信號的探測電極陣列的設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]生物體表面的電信號探測一直是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的難題之一。生物體表的電信號探測有以下問題:
[0003]1、信號幅度非常微弱，如神經(jīng)電位、肌電信號等，用常規(guī)的探測方法和設(shè)備無法直接獲取，若引入放大器，則會帶來很大干擾并使得原有信號特征被噪聲信號淹沒。
[0004]2、現(xiàn)有生物電信號的獲取大部分采用微電極，并且為了獲取神經(jīng)電信號、生物觸發(fā)信號等微弱信號，為了避免噪聲，采用侵入式探測方法(如針狀電極等)，不僅對被測生物體帶來了額外的傷害，而且會引入新的噪聲。
[0005]3、生物信號是非平穩(wěn)信號，隨機性強，根據(jù)不同的測試條件和需求，電極的狀態(tài)和探測方法需要及時改變。
[0006]4、因為生物體和生物信號本身的特性，現(xiàn)有的探測電極無法保證測試條件的一致性。
[0007]針對上述問題，本發(fā)明提出一種針對生物體表微弱電信號探測的電極陣列探測系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是為生物體體表微弱電信號提供一種高效、可靠的電極探測系統(tǒng)，以實現(xiàn)電信號的穩(wěn)定、高效探測。
[0009 ]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0010]—種生物體表微弱電信號探測電極系統(tǒng)，包括采用柔性印刷電路板的電極載體，所述電極載體采用雙面印刷電路布線，在電極載體上設(shè)有陣列狀排列的電極點，所述電極載體的電極點陣列左右平均分割為2個區(qū)域，并分別采用2-3_的印刷電路布線作為地線進行全封閉包圍，并且所述的電極點上設(shè)置焊盤，并通過焊錫填充焊盤的方式實現(xiàn)焊錫與焊盤的電連接，焊錫表面鍍銀或氯化銀，在采用雙面電路布線的電極載體的其中一面印刷電路上將各電極點焊盤通過印刷布線電連接至公共接口端，公共接口端通過屏蔽電纜連接至激勵源和信號采集器，公共接口端可根據(jù)需要對探測點電極的探測/激勵以及電平狀態(tài)進行控制，所述電極點上還設(shè)置有微型加熱電阻，微型加熱電阻通過與焊盤另一側(cè)的PCB布線，連接至公共接口端，所述微型加熱電阻與焊盤呈絕緣連接，且微型加熱電阻本體埋于焊錫之中。所述的生物體表微弱電信號探測電極系統(tǒng)，其特征在于:所述電極點上的焊錫填充高度統(tǒng)一控制在5mm，形狀為半球形。
[0011]該探測電極配套使用的探測系統(tǒng)，其設(shè)計要點如下:采用低頻屏蔽電纜制作連接線組件，避免微弱電信號的互相干擾和引入噪聲。其接線包括每個電極點的數(shù)據(jù)連接線、接地信號傳輸專用線路。數(shù)據(jù)連接線與接地信號線交錯排列以最大限度的降低信號線之間的串?dāng)_。輸出端口與控制電路板連接，且控制電路板的電路地與電極探測地相連，保證接地電位的統(tǒng)一。
[0012]優(yōu)選的，微型加熱電阻表面可涂覆復(fù)合樹脂絕緣材料。
[0013]控制系統(tǒng)包括信號前端輸入光電耦合放大模塊、低通濾波模塊、單片機控制模塊、輸出放大模塊、存儲模塊、輸入鍵盤。光電耦合放大模塊采用OPA系列光電耦合一體化放大芯片即可;低通濾波模塊采用二階巴特沃夫濾波器，截止頻率設(shè)計為15kHz。單片機控制模塊對輸入、輸出信號進行協(xié)調(diào)控制，并且通過串行口連接E2R0M芯片或USB芯片，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的片上存儲或USB外部存儲器存儲。
[0014]該控制系統(tǒng)的PCB設(shè)計采用多組屏蔽的設(shè)計方法，其地線采用2-3mm的超寬布線，且走線形狀為閉環(huán)包圍形式，以使得地線包圍范圍內(nèi)的電極實現(xiàn)較高的隔離效果。
[0015]單片機控制流程如下:
[0016]1、在空載狀態(tài)下先對電極陣列的邊角四個位置的電極點和中心位置的四個電極點進行掃描，判斷其電平的誤差，如果在5%以上，則通過改變電極單元的溫度進行校準(zhǔn)。通過單片機控制不同區(qū)域的加熱電阻輸出功率，直至系統(tǒng)誤差符合要求。
[0017]2、通過用戶鍵盤對電極點的輸入和輸出狀態(tài)進行逐一設(shè)定。
[0018]3、對預(yù)置的輸入信號進行選擇。典型的輸入信號可選擇:方波、三角波、正弦波、高電平、低電平。同時設(shè)定輸入信號的峰峰值(mV)、周期(ms)。
[0019]4、按照設(shè)定對電極進行驅(qū)動，同時掃描探測電極點的數(shù)據(jù)，將其存儲在存儲器單元中。
[0020]本發(fā)明的生物體體表電信號探測電極，采用柔性、絕緣的材料作為電極陣列排布的載體，電極底部呈現(xiàn)半球狀表面與體表接觸，所有電極可根據(jù)生物信號探測需要實現(xiàn)編程，可以連接信號發(fā)生器作為激勵電極，也可以連接示波器或信號采集裝置作為探測電極，亦可以接地作為屏蔽電極。如果需要探測恒定電平在生物體內(nèi)的傳輸特性，還可以將探測或激勵電極直接設(shè)定為高/低電平位置，可實現(xiàn)生物體表信號的高速、靈活化的測量。
[0021]該探測系統(tǒng)的控制端包括以下幾部分組成:電路基板、單片機芯片及其外圍電路、開關(guān)陣列及其地址線和數(shù)據(jù)線、信號采集電路模塊、存儲模塊、信號激勵模塊、上位機通信豐旲塊、輸入鍵盤t旲塊及顯不t旲塊。
[0022]該系統(tǒng)以單片機為核心，對開關(guān)陣列進行控制，開關(guān)狀態(tài)為導(dǎo)通，則所對應(yīng)端口為待測或激勵狀態(tài)，開關(guān)狀態(tài)斷開則所對應(yīng)端口為接地狀態(tài)，呈現(xiàn)低電平。開關(guān)陣列通過地址線及數(shù)據(jù)線與單片機通信，并接受單片機控制。
[0023]信號采集電路包括前級放大器、光電耦合電路、電源隔離模塊及低通濾波器。所述前級放大器選用三組普通運放器件組成差動放大器以抑制共模噪聲;光電耦合電路選擇內(nèi)部帶有光電隔離的一體式儀器放大器，電源隔離模塊選擇DC/DC隔離芯片。低通濾波器采用巴特沃斯二階濾波器，截止頻率為8kHz_l 5kHz。
[0024]上述模塊采用一點接地方式接地，并且控制模塊表面采用金屬屏蔽罩以杜絕電磁干擾。
[0025]與現(xiàn)有的電生理探測技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果:
[0026]I)可以非平面多點同時探測或激勵，并實現(xiàn)高速、高通量的測試以及存儲。
[0027]2)在實際探測應(yīng)用時，該探測電極系統(tǒng)只需固定一次，后續(xù)的各電極狀態(tài)可根據(jù)單片機編程實現(xiàn)，以最大限度保證試驗條件的一致性。
[0028]3)電極陣列采用柔性PCB板作為基底，可根據(jù)生物體表形狀進行貼合，同時在電極表面鍍氯化銀作為非極化電極，最大限度的減小接觸環(huán)節(jié)噪聲的引入。
[0029]4)通過設(shè)定電極陣列上的幾個、一排或多排電極的接地，可以有效的實現(xiàn)激勵信號、探測信號在電學(xué)上的隔離，以防止偽跡的出現(xiàn)。
[0030]5)針對該電極陣列設(shè)計的探測系統(tǒng)采用了單片機智能控制、多種連接方式、低噪聲設(shè)計等，實現(xiàn)了針對體表電生理信號的高效探測。
【附圖說明】
[0031 ]圖1是生物體表電信號探測電極陣列俯視示意圖。
[0032]圖2是生物體表電信號探測電極陣列中電極單元的側(cè)視示意圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖，作詳細(xì)說明，如圖1、圖2所示，采用柔性印刷電路板的電極載體3，所述電極載體3采用雙面印刷電路布線，在電極載體3上設(shè)有陣列狀排列的電極點2，所述電極載體3的電極點陣列左右平均分割為2個區(qū)域，并分別采用2-3_的印刷電路布線作為地線I進行全封閉包圍，并且所述的電極點2上設(shè)置焊盤6，并通過焊錫7填充焊盤的方式實現(xiàn)焊錫7與焊盤6的電連接，焊錫表面鍍銀或氯化銀8，在采用雙面電路布線的電極載體3的其中一面印刷電路上將各電極點2焊盤6通過印刷布線4電連接至公共接口端5，公共接口端5通過屏蔽電纜連接至激勵源和信號采集器，公共接口端5可根據(jù)需要對探測點電極的探測/激勵以及電平狀態(tài)進行控制，所述電極點2上還設(shè)置有微型加熱電阻9，每個微型加熱電阻9有兩個引腳，其中一個引腳通過與焊盤6另一側(cè)的PCB布線，連接至公共接口端5，另一個引腳通過與焊盤6另一側(cè)的PCB布線，連接至5V電源，所述微型加熱電阻與焊盤6、焊錫7之間均呈絕緣連接，且微型加熱電阻9本體埋于焊錫之中。所述電極點2上的焊錫7填充高度統(tǒng)一控制在5mm，形狀為半球形。并且在電路板上將各電極點位焊盤通過印刷布線的方式電連接至公共接口端，公共接口端可根據(jù)需要對探測點電極的探測/激勵以及電平進行控制。在電極點位上，通過焊錫填充焊盤的方式實現(xiàn)焊錫與焊盤的電連接。焊錫表面鍍氯化銀，以適應(yīng)多次測量的環(huán)境而避免被氧化。
[0034]電極點2上的微型加熱電阻9其中一個引腳連接至公共接口端后，連接鎖存器后再連接至控制系統(tǒng)。
[0035]采用低頻屏蔽電纜，優(yōu)選同軸電纜制作連接線組件，避免微弱電信號的互相干擾和引入噪聲。其接線包括每個電極點的數(shù)據(jù)連接線、接地信號傳輸專用線路。數(shù)據(jù)連接線與接地信號線交錯排列以最大限度的降低信號線之間的串?dāng)_。輸出端口 5與控制電路板連接，且控制電路板的電路地與電極探測地相連，保證接地電位的統(tǒng)一。
[0036]信號控制端包括:信號前端輸入光電耦合放大模塊、低通濾波模塊、單片機控制模塊、輸出放大模塊、外接存儲模塊、輸入鍵盤，所述單片機控制模塊通過串行口與存儲模塊連接，所述外接存儲模塊采用E2R0M芯片或FLASH閃存芯片。通過單片機編程控制通道選擇器的狀態(tài)，實現(xiàn)電極陣列的電極選擇，并確定工作模式是輸入或輸出，如果是輸入模式，則信號經(jīng)過光電耦合、放大電路、低通濾波電路、單片機輸入接口后輸入單片機，進而由單片機系統(tǒng)存儲于外接存儲模塊，實現(xiàn)電極信號的采集;如果是輸出模式，則根據(jù)單片機程序產(chǎn)生的信號通過放大模塊、通道選擇器后加到指定電極上實現(xiàn)電極信號的激勵，特別的，在此模式下輸出的信號為O，則電極電位為O，工作狀態(tài)為接地(屏蔽)；通過單片機對通道選擇器每個通道的循環(huán)選擇，實現(xiàn)電極陣列上所有電極狀態(tài)的控制。使用單片機系統(tǒng)通過地址線、數(shù)據(jù)線分別設(shè)定各電極的工作狀態(tài)，為接地電極(屏蔽電極)、探測電極、激勵電極中的一種。同時，由單片機可以選通指定的電極點內(nèi)的微型加熱電阻進行激勵，使其產(chǎn)生熱量，電極點內(nèi)微型加熱電阻的選取方法與電極點的選取方法相同，也通過單片機控制通道選擇器進行加熱。單片機選通某電極點內(nèi)微型加熱電阻的方法是:通過通道選擇器定位到某一個微型加熱電阻，如果需要加熱，輸出為低電平(O電平)，經(jīng)鎖存器鎖存，則微型加熱電阻產(chǎn)生5V壓降，進行加熱;如果不需要加熱，輸出為高電平(5V)，經(jīng)鎖存器鎖存，則微型加熱電阻兩端無壓降，則不進行加熱。
[0037]所述光電親合放大模塊米用OPA系列光電親合一體化放大芯片，所述低通濾波模塊采用二階巴特沃夫濾波器，截止頻率設(shè)計為llkHz-15kHz，所述的通道選擇器可采用1-3片CD4067芯片。
[0038]整個電極基板平均分為左右兩個區(qū)域。根據(jù)實驗方案，使用單片機系統(tǒng)通過地址線、數(shù)據(jù)線分別設(shè)定各電極的工作狀態(tài)，為接地電極、探測電極、激勵電極中的一種。實現(xiàn)激勵、探測信號在電學(xué)上的隔離，在電極上形成一個信號傳輸通道。
[0039]電極基板進入待測狀態(tài)后，單片機對基板上不同位置的電極信號進行掃描式探測，并將探測結(jié)果臨時存儲于E2R0M或外置存儲器中，對所有電極點的靜態(tài)電位(直流電平)進行測定。全部掃描完成后取最大值Vm，并再次對電極點進行逐一校準(zhǔn)，校準(zhǔn)方式為:對每個電極點進行加熱，加熱后期探測值Vi (i = l,2,3……)將會升高，直至其升高到Vm值的5 %誤差限之內(nèi)為止，如此循環(huán)一遍，直至每個電極點的探測目標(biāo)值差距均達到5%以內(nèi)，即可開始進行實際探測。這樣的方式可通過溫度漂移的誤差抵消接觸電阻、濕度變化、外界干擾等其他引入誤差，實現(xiàn)探測的誤差最小化。
[0040]對預(yù)置的輸入信號進行選擇。典型的輸入信號可選擇:方波、三角波、正弦波、高電平、低電平。同時設(shè)定輸出激勵信號的峰峰值(mV)、周期(ms)，以及探測電極的采集周期，優(yōu)選為0.05ms。按照設(shè)定對電極進行驅(qū)動，同時通過并行或串行方式掃描探測電極點的數(shù)據(jù)，將其以離散數(shù)據(jù)點的形式存儲在存儲器單元中。
【主權(quán)項】
1.一種生物體表電信號探測電極陣列，其特征在于:采用柔性印刷電路板的電極載體(3)，所述電極載體(3)采用雙面印刷電路布線，在電極載體(3)上設(shè)有陣列狀排列的電極點(2)，所述電極載體(3)的電極點陣列左右平均分割為2個區(qū)域，并分別采用2-3mm的印刷電路布線作為地線(I)進行全封閉包圍，并且所述的電極點(2)上設(shè)置焊盤(6)，并通過焊錫(7)填充焊盤的方式實現(xiàn)焊錫(7)與焊盤(6)的電連接，焊錫表面鍍銀或氯化銀(8)，在采用雙面電路布線的電極載體(3)的其中一面印刷電路上將各電極點(2)焊盤(6)通過印刷布線(4)電連接至公共接口端(5)，公共接口端(5)通過屏蔽電纜連接至激勵源和信號采集器，公共接口端(5)可根據(jù)需要對探測點電極的探測/激勵以及電平狀態(tài)進行控制，所述電極點(2)上還設(shè)置有微型加熱電阻(9)，每個微型加熱電阻(9)有兩個引腳，其中一個引腳通過與焊盤(6)另一側(cè)的PCB布線，連接至公共接口端(5)，另一個引腳通過與焊盤(6)另一側(cè)的PCB布線，連接至5V電源，所述微型加熱電阻與焊盤(6)、焊錫(7)之間均呈絕緣連接，且微型加熱電阻(9)本體埋于焊錫之中。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物體表電信號探測電極陣列，其特征在于:所述電極點(2)上的焊錫(7)填充高度統(tǒng)一控制在5mm，形狀為半球形。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物體表電信號探測電極陣列，其特征在于:所述電極點(2)上的微型加熱電阻(9)其中一個引腳連接至公共接口端后，連接鎖存器后再連接至控制系統(tǒng)。4.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的生物體表電信號探測電極陣列，其特征在于:所述微型加熱電阻表面涂覆復(fù)合樹脂絕緣材料。
【文檔編號】A61B5/04GK205672022SQ201620205630
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年3月17日 公開號201620205630.7, CN 201620205630, CN 205672022 U, CN 205672022U, CN-U-205672022, CN201620205630, CN201620205630.7, CN205672022 U, CN205672022U
【發(fā)明人】王宇航, 黃岑宇
【申請人】鎮(zhèn)江市高等?？茖W(xué)校