生物微弱信號(hào)檢測(cè)與分析

程　亮

（河北大學(xué),河北　保定　071000）

生物微弱信號(hào)檢測(cè)與分析

程亮

（河北大學(xué),河北保定071000）

摘要：為了更精確地采集生物微弱信號(hào)，本研究利用力平臺(tái)檢測(cè)裝置采集人體重心運(yùn)動(dòng)軌跡，采用以QNX為核心的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和工業(yè)級(jí)的PC/104控制器來(lái)構(gòu)建評(píng)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)被測(cè)者進(jìn)行重心數(shù)據(jù)采集。通過(guò)對(duì)20名健康大學(xué)生進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明采用16位高精度的力傳感器以及QNX實(shí)時(shí)處理操作系統(tǒng)可以有效地提高評(píng)測(cè)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：QNX；PC/104控制器；力平臺(tái)

0　前言

隨著科學(xué)技術(shù)的深入發(fā)展，微弱特征信號(hào)的檢測(cè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)及軍事等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。在軍事變革的趨勢(shì)下，武器裝備向著隱形化、信息化發(fā)展，提升對(duì)隱形戰(zhàn)機(jī)、潛艇的偵查能力至關(guān)重要。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中適用范圍更廣，包括光、磁、熱、聲、電、力學(xué)、生物、通信、地震、機(jī)械、醫(yī)學(xué)及材料等領(lǐng)域。如工業(yè)測(cè)量，生物電測(cè)量，醫(yī)學(xué)信號(hào)處理以及機(jī)電系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)都會(huì)遇到微弱信號(hào)監(jiān)測(cè)問(wèn)題［1］。微弱信號(hào)檢測(cè)是一門綜合技術(shù)，涉及信息理論、電子學(xué)、非線性科學(xué)、信號(hào)處理及計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科，是研究提取有用信號(hào)的一種新技術(shù)。微弱信號(hào)檢測(cè)方法與理論日新月異。從傳統(tǒng)的時(shí)域平均法、同步相關(guān)檢測(cè)、頻譜分析到最近發(fā)展的小波分析、混沌理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，在微弱信號(hào)檢測(cè)中均有廣泛應(yīng)用［2］。

1　方法

為了更精確地采集生物微弱信號(hào)，本實(shí)驗(yàn)要求被測(cè)者靜止直立站位于力檢測(cè)平臺(tái)中心，用力傳感器實(shí)時(shí)采集人體重心數(shù)據(jù)并通過(guò)C編程實(shí)時(shí)顯示重心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)力檢測(cè)平臺(tái)采集人體重心數(shù)據(jù)并經(jīng)串口傳送給上位機(jī)，由上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示和存儲(chǔ)，應(yīng)用混沌理論中的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行結(jié)果分析，可以得到一個(gè)評(píng)估受試者平衡能力的指標(biāo)。靜態(tài)站位評(píng)測(cè)系統(tǒng)由以下四部分組成：PC/104模塊，AD與嵌入式單片機(jī)，顯示裝置和人體壓力中心（center of pressure，COP）檢測(cè)裝置。完整的評(píng)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　評(píng)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

操作系統(tǒng)采用加拿大QNX軟件系統(tǒng)公司開(kāi)發(fā)的一種分布式、多用戶、多任務(wù)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)——QNX操作系統(tǒng)。對(duì)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(shí)時(shí)性更強(qiáng)。QNX操作系統(tǒng)對(duì)力檢測(cè)平臺(tái)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和保存。

系統(tǒng)控制器采用PC/104單板微機(jī)作為中央處理器，該模塊與PC總線系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)、軟硬件方面完全兼容，開(kāi)發(fā)者可以很快掌握其軟、硬件的使用。費(fèi)用低，風(fēng)險(xiǎn)小，大大的縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期；同時(shí)它采用了適于嵌入式應(yīng)用的緊湊型堆棧式結(jié)構(gòu)，體積小、重量輕、可靠性高、配置靈活，因此在工控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為男女比例1：1的20名健康的大學(xué)生。測(cè)量時(shí)，在一間安靜的屋內(nèi)，要求被測(cè)者雙腳站立于力檢測(cè)平臺(tái)中心，上身自然站立，雙手自然下垂于身體兩側(cè)，不能扭頭、人為晃動(dòng)身體。本研究提出一種新的評(píng)價(jià)指標(biāo)，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(cè)者詳細(xì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的LLE的數(shù)據(jù)以柱狀圖的形式顯示于圖2。

圖2　人體SLLE分布圖

2　結(jié)論

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微弱信號(hào)的檢測(cè)能力得到了大大提高。所有信號(hào)檢測(cè)儀器正朝著微元化、數(shù)字化發(fā)展。本文設(shè)計(jì)了一套生物微弱信號(hào)采集系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、可靠性及精確度高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了程序化、數(shù)字化。為精確采集生物微弱信號(hào)提供了強(qiáng)有力的支持。

參考文獻(xiàn)：

［1］高晉占.微弱信號(hào)檢測(cè)［M］.清華大學(xué)出版社有限公司，2004.

［2］江國(guó)舟，江超.微弱信號(hào)檢測(cè)的基本原理與方法研究［J］.湖北師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001（04）：45-52.

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

個(gè)人簡(jiǎn)介：程亮（1989—），男，河北石家莊人，河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院檢測(cè)技術(shù)及其自動(dòng)化裝置，碩士研究生。