生物微弱信号检测与分析

程　亮

（河北大学,河北　保定　071000）

生物微弱信号检测与分析

程亮

（河北大学,河北保定071000）

摘要：为了更精确地采集生物微弱信号，本研究利用力平台检测装置采集人体重心运动轨迹，采用以QNX为核心的实时操作系统和工业级的PC/104控制器来构建评测系统，对被测者进行重心数据采集。通过对20名健康大学生进行试验研究，结果表明采用16位高精度的力传感器以及QNX实时处理操作系统可以有效地提高评测的准确性。

关键词：QNX；PC/104控制器；力平台

0　前言

随着科学技术的深入发展，微弱特征信号的检测在国民经济及军事等领域有广泛应用。在军事变革的趋势下，武器装备向着隐形化、信息化发展，提升对隐形战机、潜艇的侦查能力至关重要。在国民经济中适用范围更广，包括光、磁、热、声、电、力学、生物、通信、地震、机械、医学及材料等领域。如工业测量，生物电测量，医学信号处理以及机电系统的状态监测都会遇到微弱信号监测问题［1］。微弱信号检测是一门综合技术，涉及信息理论、电子学、非线性科学、信号处理及计算机技术等学科，是研究提取有用信号的一种新技术。微弱信号检测方法与理论日新月异。从传统的时域平均法、同步相关检测、频谱分析到最近发展的小波分析、混沌理论、神经网络等，在微弱信号检测中均有广泛应用［2］。

1　方法

为了更精确地采集生物微弱信号，本实验要求被测者静止直立站位于力检测平台中心，用力传感器实时采集人体重心数据并通过C编程实时显示重心点的运动轨迹，通过力检测平台采集人体重心数据并经串口传送给上位机，由上位机软件对数据进行分析、显示和存储，应用混沌理论中的方法对数据进行处理，得到相关参数，并进行结果分析，可以得到一个评估受试者平衡能力的指标。静态站位评测系统由以下四部分组成：PC/104模块，AD与嵌入式单片机，显示装置和人体压力中心（center of pressure，COP）检测装置。完整的评测系统如图1所示。

图1　评测系统构成

操作系统采用加拿大QNX软件系统公司开发的一种分布式、多用户、多任务嵌入式实时操作系统——QNX操作系统。对比Windows操作系统而言，QNX操作系统可靠性更高，速度更快，实时性更强。QNX操作系统对力检测平台采集的数据进行读取和保存。

系统控制器采用PC/104单板微机作为中央处理器，该模块与PC总线系统在体系结构、软硬件方面完全兼容，开发者可以很快掌握其软、硬件的使用。费用低，风险小，大大的缩短了产品的开发周期；同时它采用了适于嵌入式应用的紧凑型堆栈式结构，体积小、重量轻、可靠性高、配置灵活，因此在工控领域得到了广泛的应用。

实验对象为男女比例1：1的20名健康的大学生。测量时，在一间安静的屋内，要求被测者双脚站立于力检测平台中心，上身自然站立，双手自然下垂于身体两侧，不能扭头、人为晃动身体。本研究提出一种新的评价指标，将人体平衡能力定义为最大Lyapunov指数（largest Lyapunov exponent，LLE）［3］。

现将20名被测者详细实验数据的LLE的数据以柱状图的形式显示于图2。

图2　人体SLLE分布图

2　结论

随着电子技术的不断发展，微弱信号的检测能力得到了大大提高。所有信号检测仪器正朝着微元化、数字化发展。本文设计了一套生物微弱信号采集系统，具有结构简单、响应速度快、可靠性及精确度高的特点，实现了程序化、数字化。为精确采集生物微弱信号提供了强有力的支持。

参考文献：

［1］高晋占.微弱信号检测［M］.清华大学出版社有限公司，2004.

［2］江国舟，江超.微弱信号检测的基本原理与方法研究［J］.湖北师范学院学报（自然科学版），2001（04）：45-52.

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

个人简介：程亮（1989—），男，河北石家庄人，河北大学电子信息工程学院检测技术及其自动化装置，硕士研究生。