生物微弱信號檢測與分析

程　亮

（河北大學， 河北　保定　071000）

生物微弱信號檢測與分析

程亮

（河北大學， 河北保定071000）

【摘要】為了更精確地采集生物微弱信號，本研究利用力平臺檢測裝置采集人體重心運動軌跡，采用以QNX為核心的實時操作系統(tǒng)和工業(yè)級的PC/104控制器來構建評測系統(tǒng)，對被測者進行重心數(shù)據(jù)采集。通過對20名健康大學生進行試驗研究，結果表明采用16位高精度的力傳感器以及QNX實時處理操作系統(tǒng)可以有效地提高評測的準確性。

【關鍵詞】QNX；PC/104控制器；力平臺

0　前言

隨著科學技術的深入發(fā)展，微弱特征信號的檢測在國民經濟及軍事等領域有廣泛應用。在軍事變革的趨勢下，武器裝備向著隱形化、信息化發(fā)展，提升對隱形戰(zhàn)機、潛艇的偵查能力至關重要。在國民經濟中適用范圍更廣，包括光、磁、熱、聲、電、力學、生物、通信、地震、機械、醫(yī)學及材料等領域。如工業(yè)測量，生物電測量，醫(yī)學信號處理以及機電系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測都會遇到微弱信號監(jiān)測問題[1]。微弱信號檢測是一門綜合技術，涉及信息理論、電子學、非線性科學、信號處理及計算機技術等學科，是研究提取有用信號的一種新技術。微弱信號檢測方法與理論日新月異。從傳統(tǒng)的時域平均法、同步相關檢測、頻譜分析到最近發(fā)展的小波分析、混沌理論、神經網絡等，在微弱信號檢測中均有廣泛應用[2]。

1　方法

為了更精確地采集生物微弱信號，本實驗要求被測者靜止直立站位于力檢測平臺中心，用力傳感器實時采集人體重心數(shù)據(jù)并通過C編程實時顯示重心點的運動軌跡，通過力檢測平臺采集人體重心數(shù)據(jù)并經串口傳送給上位機，由上位機軟件對數(shù)據(jù)進行分析、顯示和存儲，應用混沌理論中的方法對數(shù)據(jù)進行處理，得到相關參數(shù)，并進行結果分析，可以得到一個評估受試者平衡能力的指標。靜態(tài)站位評測系統(tǒng)由以下四部分組成：PC/104模塊，AD與嵌入式單片機，顯示裝置和人體壓力中心(center of pressure，COP)檢測裝置。完整的評測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　評測系統(tǒng)構成

操作系統(tǒng)采用加拿大QNX軟件系統(tǒng)公司開發(fā)的一種分布式、多用戶、多任務嵌入式實時操作系統(tǒng)——QNX操作系統(tǒng)。對比Windows操作系統(tǒng)而言，QNX操作系統(tǒng)可靠性更高，速度更快，實時性更強。QNX操作系統(tǒng)對力檢測平臺采集的數(shù)據(jù)進行讀取和保存。

系統(tǒng)控制器采用PC/104單板微機作為中央處理器，該模塊與PC總線系統(tǒng)在體系結構、軟硬件方面完全兼容，開發(fā)者可以很快掌握其軟、硬件的使用。費用低，風險小，大大的縮短了產品的開發(fā)周期；同時它采用了適于嵌入式應用的緊湊型堆棧式結構，體積小、重量輕、可靠性高、配置靈活，因此在工控領域得到了廣泛的應用。

實驗對象為男女比例1：1的20名健康的大學生。測量時，在一間安靜的屋內，要求被測者雙腳站立于力檢測平臺中心，上身自然站立，雙手自然下垂于身體兩側，不能扭頭、人為晃動身體。本研究提出一種新的評價指標，將人體平衡能力定義為最大Lyapunov指數(shù)(largest Lyapunov exponent，LLE)[3]。

現(xiàn)將20名被測者詳細實驗數(shù)據(jù)的LLE的數(shù)據(jù)以柱狀圖的形式顯示于圖1。

圖1　人體SLLE分布圖

2　結論

隨著電子技術的不斷發(fā)展，微弱信號的檢測能力得到了大大提高。所有信號檢測儀器正朝著微元化、數(shù)字化發(fā)展。本文設計了一套生物微弱信號采集系統(tǒng)，具有結構簡單、響應速度快、可靠性及精確度高的特點，實現(xiàn)了程序化、數(shù)字化。為精確采集生物微弱信號提供了強有力的支持。

【參考文獻】

[1] 高晉占.微弱信號檢測[M].清華大學出版社有限公司，2004.

[2] 江國舟，江超.微弱信號檢測的基本原理與方法研究[J].湖北師范學院學報 (自然科學版)，2001，21(4)： 45-52.

[3] Takens F.Detecting strange attractors in turbulence[J].Dynamical Systems and Turbulence，Springer Ber lin Heidelberg，1980，898： 366-381．

【個人簡介】

程亮（1989年-），男，河北省石家莊，河北大學電子信息工程學院檢測技術及其自動化裝置，碩士研究生。