用于可穿戴设备的新型生物信号采集方法和算法技术

一种装置，包括一组N个电极(22)，其被配置为接近受试者的表皮(24)定位，并获取由在受试者内的电源生成的信号。该装置还包括一组M个通道，其被配置为传送信号，其中M小于N；以及开关(40)，其被配置为重复地且随机地选择来自N个电极的M个信号，并将M个信号引导到M个通道。该装置还包括处理器(28)，其被配置为激活开关，并接收和分析来自所述M个通道的所述M个信号，以便确定所述电源在所述受试者内的相应位置。

A New Biological Signal Acquisition Method and Algorithms for Wearable Equipment

A device includes a set of N electrodes (22) configured to locate near the subject's epidermis (24) and acquire signals generated by the power supply in the subject. The device also includes a set of M channels, which are configured to transmit signals, where M is less than N, and a switch (40), which is configured to repeatedly and randomly select M signals from N electrodes and guide M signals to M channels. The device also includes a processor (28) configured to activate the switch and receive and analyze the M signals from the M channels in order to determine the corresponding position of the power source within the subject.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于可穿戴设备的新型生物信号采集方法和算法相关申请的交叉引用本申请要求于2016年7月13日提交的美国临时专利申请62/361,529的权益，其通过引用并入本文。专利
本专利技术总体上涉及信号采集，且特别涉及生物信号采集。根据欧盟的第七框架计划(FP7/2007-2013)/ERC拨款协议第335491号，导致这项专利技术的工作得到了欧洲研究理事会的资助。专利技术背景根据福布斯2014年的研究，71％的16-24岁的人想要可穿戴技术。虽然在一开始的时候，对于使用这种技术的趋势迅速增长，允许可穿戴设备(诸如智能手表、智能腕带、智能服装或虚拟现实耳机)的用户控制电子设备或监控他们的身体参数，用于娱乐或医疗保健。然而，例如由于设备在使用时的运动，当前设备的主要缺点之一是它们的低信号质量和低可靠性。此外，设备的感测通道的数量受到成本的限制，并且通道数量的减少会影响信号质量。专利技术概述本专利技术的实施例提供了装置，包括：一组N个电极，其被配置为接近受试者的表皮定位，并获取由在受试者内的电源生成的信号；一组M个通道，其被配置为传送信号，其中M小于N；开关，其被配置为重复且随机地选择来自N个电极的M个信号，并将M个信号引导到M个通道；和处理器，其被配置为激活开关，并接收和分析来自M个通道的M个信号，以便确定电源在受试者内的相应位置。在公开的实施例中，处理器被配置成确定电源的相应幅值。在另一公开的实施例中，装置包括相应的电流源，并且处理器被配置成激活开关以便在N个电极的所选择的对之间从源注入相应的预定电流。通常，注入的电流具有多个基带频率。注入的电流可以具有在10Hz和100GHz之间的频率。在又一公开的实施例中，开关包括开关矩阵。在可选实施例中，电极中的至少一个电容耦合到表皮。在另一可选实施例中，处理器被配置成将N个电极中所选择的电极一起短路。在又一可选实施例中，信号包括稀疏激活。根据本专利技术的实施例，还提供了一种方法，包括：接近受试者的表皮定位一组N个电极，以便获取由在所述受试者内的电源生成的信号；经由一组M个通道传送信号，其中M小于N；重复且随机地选择来自N个电极的M个信号，并经由开关将M个信号引导到M个通道；和激活开关，并接收和分析来自M个通道的M个信号，以便确定电源在受试者内的相应位置。根据本专利技术的实施例，还提供了一种方法，包括：将一组N个电极定位在受试者的表皮上，其中电极被配置成获取来自受试者的信号；选择彼此邻近的N个电极的子集；测量子集相对于彼此的阻抗；和当阻抗变化时，使用阻抗的变化来估计所获取信号的变化，并应用所获取信号的变化从而校正所获取信号。在公开的实施例中，测量阻抗包括将预定信号注入子集中的一个，以及测量响应于注入在子集的剩余电极处生成的所获取信号的电势。在另一个公开的实施例中，受试者的运动引起所获取信号的变化。在又一公开的实施例中，信号源自受试者内部。根据本专利技术的实施例，还提供了一种方法，包括：将一组N个电极定位在受试者的表皮上，其中电极被配置成获取来自受试者的信号；当受试者执行初始手势时，经由N个电极中的至少一个将信号注入受试者，并且测量响应于注入在N个电极处生成的N个相应电势；公式化N个相应电势和N个电极中的至少一个电极的初始矩阵；形成初始矩阵和初始手势之间的对应关系；和使用该对应关系来识别受试者的后续手势对应于初始手势。该方法还可以包括经由N个电极中的每一个将信号注入受试者，并将初始矩阵公式化为N个相应电势和N个电极的N×N矩阵。在公开的实施例中，使用该对应关系来识别受试者的后续手势对应于初始手势包括：在执行后续手势的同时，经由N个电极中的至少一个将信号注入到受试者中；响应于注入，测量在N个电极处生成的另外N个相应电势；公式化另外N个相应电势和N个电极中的至少一个电极的后续矩阵；以及将后续矩阵与初始矩阵进行比较。根据本专利技术的实施例，还提供了一种装置，包括：一组N个电极，其被配置成定位在受试者的表皮上，其中电极被配置成获取来自受试者的信号；开关，其连接到该组N个电极；和控制器，其被配置成：操作开关以选择彼此接近的N个电极的子集，测量子集相对于彼此的阻抗；和当阻抗变化时，使用阻抗的变化来估计所获取信号的变化，并应用所获取信号的变化从而校正所获取信号。通常，测量阻抗包括经由开关将预定信号注入子集中的一个，以及在子集的剩余电极处经由开关测量响应于注入生成的所获取信号的电势。根据本专利技术的实施例，还提供了一种装置，包括：一组N个电极，其被配置成定位在受试者的表皮上，其中电极被配置成获取来自受试者的信号；开关，其连接到该组N个电极；和控制器，其被配置成：当受试者执行初始手势时，经由N个电极中的至少一个将信号注入受试者，并且测量响应于注入在N个电极处生成的N个相应电势；公式化N个相应电势和N个电极中的至少一个电极的初始矩阵；形成初始矩阵和初始手势之间的对应关系；和使用该对应关系来识别受试者的后续手势对应于初始手势。根据结合附图进行的本专利技术的实施例的以下详细描述，本专利技术将得到更完全地理解，其中：附图说明图1是根据本专利技术的实施例的连接到附接到受试者的电极的开关电路的示意图；图2是根据本专利技术的实施例的可选开关电路的示意图；图3是根据本专利技术的实施例的在信号的采集期间在减少的运动伪影中由控制器执行的算法的步骤的流程图；图4是根据本专利技术的实施例的在识别受试者的几何结构或手势时由控制器执行的算法的步骤的流程图；图5-8示出了根据本专利技术的实施例的大脑激活；以及图9绘制了根据本专利技术的实施例的局部身体电势与记录电势的比率vs.电极与身体的电容耦合。具体实施方式概要最近，引入了对于信号采集和处理的一系列新方法，称为压缩传感。压缩传感基于这样的观察，即自然界中的许多信号在某种“基础”上是“稀疏的”。这个基础在本文中被称为字典，并且它可以被认为是一组原型信号。上面提到的信号在本质上可以在此基础上使用少量的原型信号(也称为元素或原子)来表示。因此，使用奈奎斯特速率对这些信号进行采样会引入冗余。这一观察允许发展数学理论，用于在这些信号的采集和处理中利用这种冗余来降低采集和处理系统的采样频率、存储要求和功耗。对于符合一些自然统计特性的真实信号，可以开发机器学习算法来学习最佳字典和学习信号解码算法。对压缩采样的信号使用该字典将信号恢复算法的计算负担降低到适合实时应用的水平。有证据表明电生理信号具有稀疏性。例如，在特定任务期间，我们的大脑通常只有一小部分是活跃的。因此，本专利技术的实施例使用基于生物组织内生物信号传播的电磁特性的建模的数学思想来提供用于生物信号采集的新方法，以及用于其处理的算法。在该方法中，在电生理信号采集期间，与受试者接口连接的电极之间的可控开关组被及时改变，并且这些信号的组合被引入采集通道。使用我们的方法，不受采集通道数量的限制(在我们的系统中，采集通道的数量由活动源(activesources)的数量而不是由传统设计中的传感元件的数量确定)，可以将许多传感元件放置在针对肌电图(EMG)的腕带上或在针对脑电图(EEG)的帽/头盔上，并且仍然可以使用少量A/D通道来实现改善的信号质量。我们可以通过在同一感测位置附近使不同数量的传感元件短路来实现这一点，这样做我们就改变了等效电极和身体之间的电容耦合。另外，由于电容耦合取决于电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，包括：一组N个电极，其被配置为接近于受试者的表皮被定位，并获取由在所述受试者内的电源生成的信号；一组M个通道，其被配置为传送所述信号，其中M小于N；开关，其被配置为重复且随机地选择来自所述N个电极的M个信号，并将所述M个信号引导到所述M个通道；和处理器，其被配置为激活所述开关，并接收和分析来自所述M个通道的所述M个信号，以便确定所述电源在所述受试者内的相应位置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.13 US 62/361,5291.一种装置，包括：一组N个电极，其被配置为接近于受试者的表皮被定位，并获取由在所述受试者内的电源生成的信号；一组M个通道，其被配置为传送所述信号，其中M小于N；开关，其被配置为重复且随机地选择来自所述N个电极的M个信号，并将所述M个信号引导到所述M个通道；和处理器，其被配置为激活所述开关，并接收和分析来自所述M个通道的所述M个信号，以便确定所述电源在所述受试者内的相应位置。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理器被配置为确定所述电源的相应幅值。3.根据权利要求1所述的装置，还包括相应的电流源，并且其中所述处理器被配置为激活所述开关，以便在所述N个电极的所选择的对之间从所述源注入相应的预定电流。4.根据权利要求3所述的装置，其中，注入的电流具有多个基带频率。5.根据权利要求3所述的装置，其中，注入的电流具有在10Hz和100GHz之间的频率。6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其中，所述开关包括开关矩阵。7.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其中，所述电极中的至少一个电容耦合到所述表皮。8.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其中，所述处理器被配置为将所述N个电极中所选择的电极一起短路。9.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其中，所述信号包括稀疏激活。10.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其中，所述N个电极、所述M个通道、所述开关和所述处理器被包括在可穿戴设备中。11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述可穿戴设备包括踝带、腿带、臂带、固定在所述受试者腰部周围的带和颈带之一。12.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其中，所述N个电极、所述M个通道和所述开关被包括在可穿戴设备中，并且其中，所述处理器远离所述可穿戴设备。13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述可穿戴设备包括踝带、腿带、臂带、固定在所述受试者腰部周围的带和颈带之一。14.一种方法，包括：接近受试者的表皮定位一组N个电极，以便获取由在所述受试者内的电源生成的信号；经由一组M个通道传送所述信号，其中M小于N；重复且随机地选择来自所述N个电极的M个信号，并经由开关将所述M个信号引导到所述M个通道；和激活所述开关，并接收和分析来自所述M个通道的所述M个信号，以便确定所述电源在所述受试者内的相应位置。15.根据权利要求14所述的方法，还包括确定所述电源的相应幅值。16.根据权利要求14所述的方法，还包括提供相应的电流源，以及激活所述开关，以便在所述N个电极的所选择的对之间从所述源注入相应的预定电流。17.根据权利要求16所述的方法，其中，注入的电流具有多个基带频率。18.根据权利要求16所述的方法，其中，注入的电流具有在10Hz和100GHz之间的频率。19.根据权利要求14-18中任一项所述的方法，其中，所述开关包括开关矩阵。20.根据权利要求14-18中任一项所述的方法，其中，所述电极中的至少一个电容耦合到所述表皮。21.根据权利要求14-18中任一项所述的方法，还包括将所述N个电极中所选择的电极一起短路。22.根据权利要求14-18中任一项所述的方法，其中，所述信号包括稀疏激活。23.一种方法，包括：将一组N个电极定位在受试者的表皮上，其中所述电极被配置成获取来自所述受试者的信号；选择彼此相近的所述N个电极的子集；测量所述子集相对于彼此的阻抗；和当所述阻抗变化时，使用阻抗的变化来估计所获取信号的变化，并应用所获取信号的变化从而校正所述所获取信号。24.根据权利要求23所述的方法，其中，测量所述阻抗包括将预定信号注入所述子集中的一个，以及测量响应于所述注入在所述子集的剩余电极处生成的所述所获取信号的电势。2...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚历克斯·布龙施泰因，叶夫根尼·齐辛戈德曼，
申请(专利权)人：特拉维夫大学拉莫特有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列,IL