生物信号获取设备和系统、获取生物信号的方法技术方案

用于获取特别是同步或同时获取光学生物信号和电生物信号的生物信号获取设备，其中光学生物信号和电生物信号都由用于生物信号的模拟前端设备接收，其中光电转换器用于将光学生物信号转换成电信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】生物信号获取设备和系统、获取生物信号的方法本专利技术涉及具有权利要求1的特征的生物信号获取设备、具有权利要求11的特征的生物信号获取设备的系统以及具有权利要求15的特征的用于获取生物信号的方法。特别是在远程医疗、神经技术和脑-机接口(BCI)的领域中，混合多模态获取技术和信号处理势头增大。因此，需要用于移动获取生物信号的有效设备、系统和方法。在下面参考附图以示例性方式描述本专利技术。图1示出了生物信号获取设备的系统的实施例的多模态模块化概念和示例场景；图2示出了包括生物信号获取设备的实施例的系统硬件架构的实施例；图3示出了生物信号获取设备的实施例的单个模块的混合NIRS和EEG获取定时方案；图4A示出了光学NIRS表征的实验设置；图4B示出了电模型(phantom)；图5示出了不含电池的独立M3BA模块，其包括生物信号获取设备的实施例；图6A-D示出了结合生物信号获取设备的实施例的fNIRS/EEG单元的性能特征；图7示出了在M3BA和商用(COM)设备之间的比较EEG(N100)结果。图8示出了在深呼吸和睁眼/闭眼期间来自自由移动受试者中的一个M3BA模块的同步记录的原始多模态数据；图9示出了包括生物信号获取设备的实施例的示意性概览；图10示出了电路设计/电路板布局中不同层的示意图。由具有不断增强的计算能力的可穿戴计算机和智能电话发起，移动身体传感器、远程医疗和普及医疗保健的趋势持续进行。在获取硬件和传感器变得越来越小型化的同时，通信技术也迅速向结合高可用性、可靠性和安全性(例如触觉互联网)的极低延迟转变。因此，无线身体传感器网络(WBSN)成为可能，它使用和融合了越来越多的生物信号模态并集成了上下文环境信息。在另一领域——脑-机接口(BCI)的领域——中，在过去的十年里，主要为静态的应用的范围已通过将BCI与其他生理或技术信号结合而大大扩大。另外，功能性近红外光谱(fNIRS)加入了用于多模态BCI或基于脑电图(EEG)的BCI增强的模态集。fNIRS是一种无创光学技术，用于使用近红外光谱中的至少两种波长局部测量大脑皮质区中的氧合-(O2HB)和脱氧-(HHB)血红蛋白浓度变化。这些所谓的“混合BCI”(参见G.Pfurtscheller等人于2010年在神经科学前沿的第4卷、第3期的“ThehybridBCI”)显示了通过使用信号集中的公共和补充信息来显著增加信息量的潜力。这也增加了各方法的选项，以便在现实生活场景中更恶劣的条件下实现更稳健的操作。这些进步也影响了与这两个领域相关的新研究领域：神经工效学(Neuroergonomics)和适应性神经技术研究的重点是利用大脑和身体的生物信号来设计新技术，从更普遍的人机界面意义上来说，这些技术改善工作环境、效率和安全性并提高对现实世界场景中大脑功能的理解。这里描述的实施例有助于例如BCI技术进一步向实验室之外的应用并进入更广泛背景的可穿戴传感器应用中的发展，这些应用通过使用混合(hybridization)和情境化而超越传统的BCI。本文描述的实施例包括用于新一代的移动小型化混合生物光学和生物电设计的架构，该设计通常与WBSN场景兼容。虽然通用方法适用于各种应用和信号，但本文描述的大多数实施例用于混合神经技术解决方案，特别是BCI和神经工效学，其通过聚焦于作为主要模态的fNIRS和EEG生物信号以及作为附加模态的加速度计、心电图(ECG)和肌电图(EMG)。来自开源fNIRS设计的功能模块可用于成本有效地创建测量电信号和光信号的混合生物信号获取技术。已知的fNIRS解决方案通常是背包大小的，并且没有小型化到足以直接穿在身体上或者局限于施加在前额上。除了实现考虑上述问题的设计的目的之外，可以为用于生物信号获取设备、系统和方法的新型架构的实施例设定三个附加目标：●对于灵活的WBSN场景，模块可以模块化组合，因此是可扩展的但仍然是独立的。●此外，至少两种不同的生物电模态(通常有不同的参考)应该可以由单个模块——例如低通道计数EEG与同步ECG相结合——同时测量。这就需要设计一种灵活的生物电位参考的设置。●最后，相对便宜的已知集成电路可以用来确保市场上的长期可用性和详细性能特征的可用性。在下一节中，将演示仪器概念和系统硬件架构。随后，描述了用于在用户研究中获取生理数据、所获取的生理数据的光和电特性和一些定性结果的设备、系统和方法。最后，讨论了结果。仪器概念：为了说明具有移动、模块化、多模态生物信号获取(M3BA)设备的系统概念和应用目标的设备的实施例，图1示出了典型的混合WBSNBCI应用场景。这种M3BA包括生物信号获取设备的实施例。模块(Mx-1…3)可被组合以增加fNIRS通道计数和同步获取的模态数目。模块M1、M2、M3一起形成系统，该系统包括多个生物信号获取设备，这些设备尤其可以具有相同的设计。每个模块M1、M2、M3提供4+2个生物电信号获取通道和4+2个生物光信号获取通道以及一个3D加速度计。多模态信号分析允许提取集合中的公共和补充信息。虽然详细的场景和相应的BCI研究不在本公开的范围内，但是它们举例说明了设计模块的典型用例，包括必要的特征，如模块化、移动性、小型化和多模态、可扩展性和可重构参考。另外，它们意味着多模态信号分析方法的得到的潜力：单个M3BA模块M1、M2、M3为生物电信号获取提供了4+2个通道，这些通道被设计用于EEG信号的科学级获取，也可用于ECG、EMG和EOG(眼电图)记录。四个通道相对固定的公共参考获得信号。附加的两个通道可用于相对同一公共电极或(通过微动开关)相对另一独立参考而获得。每个模块M1、M2、M3还提供4+2个光学fNIRS通道(每个都有两个检测器和发射器)，其中+2个通道在邻近的M3BA模块M1、M2、M3以时分多址方式共享发射器/检测器资源时可用。此外，每个模块M1、M2、M3包括用于获取加速度数据的3D加速度计。电极和光极(optode)可以但不必固定到模块M1、M2、M3。因此，根据应用,模块M1、M2、M3可以但不必“现场”佩戴，可以使用头饰或帽子。在图1中的示例场景中(见上部分)，三个模块M1、M3、M3被组合以用于同时测量EEG、fNIRS、EMG和ECG：M1和M2以及M3的一对光极测量左侧体觉皮层上的8个EEG和13个fNIRS通道，而M3测量颈部的2个EMG通道和胸部的2个ECG通道。M1和M2共享参考和接地电极，而不使用额外可用4个EEG通道。M3使用针对EMG和ECG的独立获取而分离的可用参考。M1、M2和M3共享fNIRS检测器/发射器资源，从而创建4个共享的fNIRS通道。必要时，模块M1、M2、M3共享用于公共时间关键信号的物理(非无线)接口，该公共时间关键信号例如共享采样时钟和fNIRS通道控制信号以及正如M1和M2的情况的公共参考。所有模块经由其3D加速度计获取运动(速度变化)。所得到的一组同步获取的(生物)信号使得用于多模态信号分析的多种新方法成为可能。已经有越来越多的新方法尝试关联和优化从集合中提取的信息的量，这些信息在单一模态中是公共的或补充的(诸如核互相关分析(kCCA)和多模态源功率相关性(mSPoC))(参见Biesmann等人在2010年的“Tempor本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于获取光学生物信号和电生物信号特别是同步或同时获取光学生物信号和电生物信号的生物信号获取设备，其中所述光学生物信号和电生物信号都由用于生物信号的模拟前端设备接收，其中光电转换器用于将所述光学生物信号转换成电信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.04 US 15/090,1411.一种用于获取光学生物信号和电生物信号特别是同步或同时获取光学生物信号和电生物信号的生物信号获取设备，其中所述光学生物信号和电生物信号都由用于生物信号的模拟前端设备接收，其中光电转换器用于将所述光学生物信号转换成电信号。2.根据权利要求1所述的生物信号获取设备，其中，所述模拟前端设备向微控制器传输数据以供进一步处理。3.根据权利要求1或2所述的生物信号获取设备，还包括至少一个差分生物电位传感器、至少一个EEG传感器、至少一个ECG传感器、至少一个EMG传感器、至少一个EOG传感器、至少一个fNIRS传感器和/或至少一个脉搏血氧计传感器，这些光学传感器和电传感器的数据被传输到所述模拟前端设备。4.根据前述权利要求中至少一项所述的生物信号获取设备，其中，所述模拟前端设备和/或微控制器控制光信号的发射器，特别是NIR发射器。5.根据前述权利要求中至少一项所述的生物信号获取设备，其中，电路线路布局被设计成最小化干扰，特别是以下中的至少一项：●通过将组件集成在单个多层电路板上，使得电路布局和电位表面被用作屏蔽装置以最小化噪声和/或串扰，●星形接地设计，●多层设计，即线路位于电源和地之间，用于屏蔽、分割模拟域和数字域，即通过拼接和/或电路设计分割电源平面、分割光(发射器)、模拟输入(生物电检测器和光检测器)和数字信号层，使得除了在专用/不同的接合点之外，没有域(模拟、输入、发射器、功率、数字信号)交叉。...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚历山大·冯卢曼，克劳斯罗伯特·穆勒，
申请(专利权)人：柏林工业大学，
类型：发明
国别省市：德国,DE