肢體信號(hào)輔助采集單元的制作方法

本發(fā)明涉及微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種肢體信號(hào)輔助采集單元。

背景技術(shù)：

在康復(fù)醫(yī)療過程中，研究人員通常使用國(guó)外進(jìn)口的肢體信號(hào)采集裝置，對(duì)人體的手部等肢體的運(yùn)動(dòng)能力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但由于多數(shù)康復(fù)醫(yī)療過程中，尤其是針對(duì)前期肢體運(yùn)動(dòng)幅度不大的情形，例如，手部彎曲、手指彎曲等的幅度較小的情形，監(jiān)測(cè)到的信號(hào)非常微弱，并且很容易受到待檢測(cè)人體周圍的其他醫(yī)療儀器的白噪聲干擾，在相位上產(chǎn)生畸變，因此在該初期監(jiān)測(cè)得到的信號(hào)往往難以準(zhǔn)確反映被監(jiān)測(cè)者的準(zhǔn)確動(dòng)作幅度。

此外，國(guó)外進(jìn)口的肢體信號(hào)采集裝置(例如西門子、東芝等公司的醫(yī)療信號(hào)采集系統(tǒng))往往價(jià)格昂貴，使得肢體信號(hào)的采集和監(jiān)測(cè)價(jià)格高昂，從而阻礙了康復(fù)醫(yī)療的發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了以較低的成本實(shí)現(xiàn)高精度的肢體微小幅度(本發(fā)明所稱的“微小幅度”通常指待監(jiān)測(cè)部位在其運(yùn)動(dòng)方向上的運(yùn)動(dòng)幅度大于2mm且小于15mm)信號(hào)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，本發(fā)明提供了一種肢體信號(hào)輔助采集單元，包括：

運(yùn)動(dòng)檢測(cè)感應(yīng)單元，用于檢測(cè)肢體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的模擬信號(hào)；

信號(hào)預(yù)處理單元，用于對(duì)所述模擬信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；

其中所述信號(hào)預(yù)處理單元包括弱信號(hào)放大單元，用以對(duì)經(jīng)過相位處理得到的信號(hào)進(jìn)行放大。

進(jìn)一步地，所述運(yùn)動(dòng)檢測(cè)感應(yīng)單元包括運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)單元和運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)開啟單元，所述運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)開啟單元向所述弱信號(hào)放大單元輸出START信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)單元包括：

運(yùn)動(dòng)距離傳感器陣列，用于以陣列的行駛檢測(cè)待測(cè)部位在運(yùn)動(dòng)方向上的運(yùn)動(dòng)距離。

進(jìn)一步地，所述運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)開啟單元包括：

加速度傳感器陣列，用于以陣列的形式檢測(cè)待測(cè)部位的加速度信息；

角度傳感器陣列，用于以陣列的形式檢測(cè)待測(cè)部位的角度變化信息。

進(jìn)一步地，所述信號(hào)預(yù)處理單元包括弱信號(hào)放大單元和A/D轉(zhuǎn)換單元，所述A/D轉(zhuǎn)換單元用于把經(jīng)過預(yù)處理的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述弱信號(hào)放大單元包括兩級(jí)信號(hào)放大單元、兩級(jí)相位調(diào)整單元和兩級(jí)信號(hào)濾波單元。

進(jìn)一步地，所述弱信號(hào)放大單元包括：

第一信號(hào)濾波單元，用于對(duì)所述模擬信號(hào)進(jìn)行第一級(jí)濾波處理；

第一信號(hào)放大單元，用于對(duì)所述模擬信號(hào)進(jìn)行第一級(jí)放大處理；

第一相位調(diào)整單元，用于對(duì)經(jīng)過第一級(jí)濾波處理和第一級(jí)放大處理得到的信號(hào)進(jìn)行第一級(jí)相位調(diào)整；

第二信號(hào)濾波單元，用于對(duì)經(jīng)過第一級(jí)相位調(diào)整得到的信號(hào)進(jìn)行第二級(jí)濾波；

第二信號(hào)放大單元，用于對(duì)經(jīng)過第一級(jí)濾波的信號(hào)和經(jīng)過第二級(jí)濾波得到的信號(hào)進(jìn)行第二級(jí)放大處理。

進(jìn)一步地，所述運(yùn)動(dòng)距離傳感器陣列包括紅外位移傳感器陣列。

進(jìn)一步地，所述A/D轉(zhuǎn)換單元采用ADS7825。

進(jìn)一步地，所述加速度傳感器陣列采用三維加速度傳感器。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)能夠基于相位轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理降低微弱信號(hào)放大過程中，可能由噪聲引起的干擾，從而提高了弱信號(hào)放大處理時(shí)的信噪比。

(2)根據(jù)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的傳感器輸出信號(hào)總和判斷待測(cè)部位是否真正發(fā)生位移或角度改變，并將此信號(hào)作為弱信號(hào)放大器的開關(guān)信號(hào)，從而降低了弱信號(hào)放大相關(guān)電路的功耗，延長(zhǎng)了儀用放大器的壽命，進(jìn)而延長(zhǎng)了整個(gè)肢體信號(hào)輔助采集單元的使用壽命。

附圖說(shuō)明

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的肢體信號(hào)輔助采集單元的組成框圖。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的弱信號(hào)放大單元的電路圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，肢體信號(hào)輔助采集單元包括：

運(yùn)動(dòng)檢測(cè)感應(yīng)單元，用于檢測(cè)肢體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的模擬信號(hào)；

信號(hào)預(yù)處理單元，用于對(duì)所述模擬信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；

其中所述信號(hào)預(yù)處理單元包括弱信號(hào)放大單元，用以對(duì)經(jīng)過相位處理得到的信號(hào)進(jìn)行放大。

在該優(yōu)選實(shí)施例中，所述運(yùn)動(dòng)檢測(cè)感應(yīng)單元包括運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)單元和運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)開啟單元。

所述運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)單元包括運(yùn)動(dòng)距離傳感器陣列，用于以陣列的行駛檢測(cè)待測(cè)部位在運(yùn)動(dòng)方向上的運(yùn)動(dòng)距離。該運(yùn)動(dòng)距離傳感器例如采用紅外位移傳感器，以檢測(cè)手指等待測(cè)部位的移動(dòng)距離。該運(yùn)動(dòng)距離傳感器陣列由多個(gè)運(yùn)動(dòng)距離傳感器以矩陣的形式構(gòu)成，從而用于檢測(cè)手指、手腕、腰部等具有不同幾何形狀和尺寸的待測(cè)部位。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)單元的啟動(dòng)受到特定的開啟信號(hào)的控制。具體地，該開啟信號(hào)由運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)開啟單元產(chǎn)生，該運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)開啟單元包括：

加速度傳感器陣列，用于以陣列的形式檢測(cè)待測(cè)部位的加速度信息；

角度傳感器陣列，用于以陣列的形式檢測(cè)待測(cè)部位的角度變化信息；

比較電路，用于確定所述加速度傳感器陣列和所述角度傳感器陣列的輸出信號(hào)是否均超過預(yù)設(shè)閾值；

與門電路，用于根據(jù)所述比較電路的輸出信號(hào)，對(duì)所述加速度傳感器陣列和所述角度傳感器陣列的輸出信號(hào)進(jìn)行與運(yùn)算。

上述加速度傳感器陣列和角度傳感器陣列分別由多個(gè)加速度傳感器和多個(gè)角度傳感器以陣列的形式構(gòu)成。其矩陣形式的具體結(jié)構(gòu)可以根據(jù)待測(cè)部位的不同幾何形狀和尺寸形成。優(yōu)選地，所述加速度傳感器陣列采用三維加速度傳感器，且所述角度傳感器采用陀螺儀等角度傳感器。

當(dāng)比較電路經(jīng)過比較，確定所述加速度傳感器陣列和所述角度傳感器陣列輸出的加速度值和角度變化值均超過預(yù)設(shè)閾值(例如，加速度＞0，角度變化＞2°)時(shí)，運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)開啟單元的與門電路將向信號(hào)預(yù)處理單元輸出大于0.7V直流電壓作為START信號(hào)。

所述信號(hào)預(yù)處理單元包括弱信號(hào)放大單元和A/D轉(zhuǎn)換單元，所述A/D轉(zhuǎn)換單元用于把經(jīng)過預(yù)處理的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述A/D轉(zhuǎn)換單元采用ADS7825。

所述弱信號(hào)放大單元包括兩級(jí)信號(hào)放大單元、兩級(jí)相位調(diào)整單元和兩級(jí)信號(hào)濾波單元。具體地，該弱信號(hào)放大單元的電路圖如圖2所示，包括：

第一信號(hào)濾波單元，用于對(duì)所述模擬信號(hào)進(jìn)行第一級(jí)濾波處理；

第一信號(hào)放大單元，用于對(duì)所述模擬信號(hào)進(jìn)行第一級(jí)放大處理；

第一相位調(diào)整單元，用于對(duì)經(jīng)過第一級(jí)濾波處理和第一級(jí)放大處理得到的信號(hào)進(jìn)行第一級(jí)相位調(diào)整；

第二信號(hào)濾波單元，用于對(duì)經(jīng)過第一級(jí)相位調(diào)整得到的信號(hào)進(jìn)行第二級(jí)濾波；

第二信號(hào)放大單元，用于對(duì)經(jīng)過第一級(jí)濾波的信號(hào)和經(jīng)過第二級(jí)濾波得到的信號(hào)進(jìn)行第二級(jí)放大處理。

所述運(yùn)動(dòng)距離傳感器陣列包括紅外位移傳感器陣列。

如圖2所示，所述弱信號(hào)放大單元包括：15kΩ電阻、20kΩ電阻、50kΩ電阻、1MΩ電阻、90°移相器、180°移相器、第一運(yùn)算放大器、第二運(yùn)算放大器、第三運(yùn)算放大器、第四運(yùn)算放大器、第五運(yùn)算放大器、第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管、第四晶體管、第五晶體管、第六晶體管、第七晶體管、第八晶體管、第九晶體管、第十晶體管、第一電容器、第二電容器、第三電容器、第四電容器、第一或非門、第二或非門、第一與非門，以及第二與非門，其中，所述弱信號(hào)放大單元的信號(hào)輸入端連接所述15kΩ電阻的第一端以及90°移相器的輸入端，15kΩ電阻的第二端連接第二運(yùn)算放大器的反相輸入端、第一運(yùn)算放大器的正相輸入端、第一電容器的第一端以及第一晶體管的基極，所述第一電容器的第二端接地，第一運(yùn)算放大器的輸出端連接第一與非門的第一輸入端以及第一或非門的第一輸入端，第一晶體管的發(fā)射極連接第二晶體管的集電極，第二晶體管的發(fā)射極連接第三晶體管的集電極，第三晶體管的基極與第三晶體管的發(fā)射極連接，第二晶體管的基極連接第三運(yùn)算放大器的反相輸入端，第二晶體管的發(fā)射極連接第一運(yùn)算放大器的反相輸入端，第三晶體管的發(fā)射極連接第一與非門的第二輸入端和第一或非門的第二輸入端，并連接50kΩ電阻的第一端，50kΩ電阻的第二端連接第二電容器的第一端，第二電容器的第二端接地，第二電容器的第一端連接第五晶體管的基極，第一晶體管的集電極連接第八晶體管的發(fā)射極和第三運(yùn)算放大器的反相輸入端，第一與非門的輸出端連接第四晶體管的集電極，第四晶體管的發(fā)射極分別連接第二或非門的兩個(gè)輸入端，第一或非門的輸出端連接第五晶體管的集電極，第五晶體管的發(fā)射極連接第二與非門的兩個(gè)輸入端，第一或非門的輸出端連接第三電容器的第一端和第二運(yùn)算放大器的正相輸入端，第三電容器的第二端接地，第二與非門的輸出端連接第三運(yùn)算放大器的正相輸入端和第四電容器的第一端，第四電容器的第二端接地，第二運(yùn)算放大器的輸出端連接第七晶體管的集電極以及第四運(yùn)算放大器的正相輸入端，第三運(yùn)算放大器的輸出端連接第六晶體管的集電極和第五運(yùn)算放大器的反相輸入端，第六晶體管和第七晶體管的基極彼此相連，第六晶體管的發(fā)射極連接第四運(yùn)算放大器的反相輸入端，第七晶體管的發(fā)射極連接第五運(yùn)算放大器的正相輸入端，第四運(yùn)算放大器的輸出端連接第九晶體管的第一端，第八晶體管的基極連接電源端，第八晶體管的集電極通過20kΩ電阻接地，第八晶體管的集電極通過1MΩ電阻連接第五運(yùn)算放大器的輸出端，第四運(yùn)算放大器的輸出端連接第九晶體管的集電極，第九晶體管的基極連接90°移相器的輸出端以及180°移相器的輸入端，第九晶體管的發(fā)射極連接第十晶體管的集電極，180°移相器的輸出端連接第十晶體管的基極，第十晶體管的發(fā)射極連接所述弱信號(hào)放大單元的信號(hào)輸出端，所述第四晶體管的基極連接START信號(hào)。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述第一電容器為0.1uF電容器，所述第二電容器為0.22uF電容器，所述第三電容器為0.47uF電容器，所述第四電容器為0.31uF電容器，所述電源為+5V直流電源VCC。上述各運(yùn)算放大器使用儀用放大器。

以上對(duì)于本發(fā)明的較佳實(shí)施例所作的敘述是為闡明的目的，而無(wú)意限定本發(fā)明精確地為所揭露的形式，基于以上的教導(dǎo)或從本發(fā)明的實(shí)施例學(xué)習(xí)而作修改或變化是可能的，實(shí)施例是為解說(shuō)本發(fā)明的原理以及讓所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員以各種實(shí)施例利用本發(fā)明在實(shí)際應(yīng)用上而選擇及敘述，本發(fā)明的技術(shù)思想企圖由權(quán)利要求及其均等來(lái)決定。