從生物電信號中去除噪聲的裝置和方法
【專利說明】從生物電信號中去除噪聲的裝置和方法
[0001]相關(guān)申請
[0002]該申請要求2013年2月I日提交的申請?zhí)枮?3/757，604的美國專利申請的優(yōu)先權(quán)，并通過引用將其全部內(nèi)容并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明一般涉及用于數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的自適應(yīng)噪聲消除的系統(tǒng)，尤其涉及用于消除可能包含高速瞬時或非周期性成分的信號(例如，生物電信號)中的噪聲的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004]某些生物試驗涉及對細胞或細胞膜生成的生物電信號進行測量和分析。這種生物電信號可以在細胞中自然生成，例如在打開或關(guān)閉離子通道活動的過程中生成，或者對施加到細胞膜或部分細胞膜上的刺激作出響應(yīng)而生成。這種刺激可以是電刺激或者可以是化合物的添加或細胞環(huán)境的變化。微電極感測到的生物電信號作為電特性(例如，電阻抗、電壓、電流)的變化。通常，對微電極提供的模擬信號進行采樣從而生成表示該模擬信號的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流的數(shù)值?？稍诜治銮皩υ摂?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流進行處理，從而去除存在于包含數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流在內(nèi)的數(shù)值中的噪聲成分。
[0005]來自生物電源的作為對刺激的響應(yīng)的信號通常包括電特性的快速轉(zhuǎn)換。此外，這種信號容易受到來自運行在微電極附近的其它電氣設(shè)備的電噪聲的影響。來自這種電氣設(shè)備的噪聲通常是周期性的，其頻率與本地電源的頻率(例如，在美國為60Hz，在世界上的多數(shù)其它地區(qū)是50Hz)及其諧波頻率相同。盡管可使用典型的自適應(yīng)噪聲消除(ANC)單元來將這些電噪聲從生物電信號中過濾掉，但是這種典型的ANC單元會對生物電信號中的快速轉(zhuǎn)換做出反應(yīng)，因此會試圖去除ANC單元的帶寬內(nèi)的與這種轉(zhuǎn)換相關(guān)聯(lián)的頻率成分。這種試圖去除與快速轉(zhuǎn)換相關(guān)聯(lián)的頻率成分會在ANC單元的輸出中引入非自然信號(artifact)，直到ANC適應(yīng)了信號的轉(zhuǎn)換后的狀態(tài)為止。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]提供了一種從生物電信號中去除噪聲的方法。從生物電測試探針接收主模擬信號，并接收選通信號。該方法還包括步驟:生成與來自所述生物電測試探針的所述主模擬信號相關(guān)聯(lián)的主數(shù)據(jù)流，并通過從所述主數(shù)據(jù)流中去除估計噪聲成分來生成輸出數(shù)據(jù)。該方法還包括步驟:只有選通信號指示出所述主模擬信號是在沒有生物電活動的周期中采集的，才根據(jù)所述主信號來對估計噪聲成分進行更新。
[0007]還提供了一種從生物電信號中去除噪聲的裝置。該裝置包括主模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)單元，其根據(jù)從生物電測試探針接收到主模擬信號來生成主數(shù)據(jù)流。該裝置還包括接收選通信號的選通模塊以及自適應(yīng)噪聲消除(ANC)單元。ANC單元通過將估計的噪聲成分從所述主數(shù)據(jù)流中去除來生成輸出數(shù)據(jù)流，并且只有選通信號指示出主模擬信號是在沒有生物電活動的周期中采集的，所述ANC單元才根據(jù)主信號來對估計噪聲成分進行更新。
[0008]通過考慮下面的詳細描述，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點將會變得清晰。
【附圖說明】
[0009]圖1是用于采集和處理生物電信號的系統(tǒng)的系統(tǒng)示意圖；
[0010]圖2是圖1的系統(tǒng)的數(shù)字轉(zhuǎn)換器的一個實施例的系統(tǒng)示意圖；
[0011]圖3是圖2的數(shù)字轉(zhuǎn)換器實施例的選通模塊的系統(tǒng)示意圖；
[0012]圖4A是圖2的數(shù)字轉(zhuǎn)換器實施例的重構(gòu)模塊的一個實施例的系統(tǒng)示意圖；
[0013]圖4B是圖2的數(shù)字轉(zhuǎn)換器實施例的重構(gòu)模塊的另一個實施例的系統(tǒng)示意圖；
[0014]圖5A是圖1的系統(tǒng)的控制器的一個實施例所進行的處理的流程圖；
[0015]圖5B是圖1的系統(tǒng)的控制器的一個實施例所進行的處理的流程圖；
[0016]圖6圖示了通過圖2的數(shù)字轉(zhuǎn)換器實施例的ANC單元去除噪聲；以及
[0017]圖7是圖2的數(shù)字轉(zhuǎn)換器實施例的ANC單元的一個實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0018]參照圖1，生物電信號采集系統(tǒng)50包括控制器100、數(shù)字轉(zhuǎn)換器裝置102和測試探針104(例如微電極)。此外，生物電信號采集系統(tǒng)的用戶界面106允許用戶向控制器100提供采集參數(shù)。電源108為數(shù)字轉(zhuǎn)換器102提供線性電源，需要時，還向生物電信號采集系統(tǒng)的其它組件提供線性電源。通常，控制器100引導(dǎo)測試探針104開始從測試樣本(例如，細胞)中采集信號，并將采集的信號提供給數(shù)字轉(zhuǎn)換器102。數(shù)字轉(zhuǎn)換器102將來自測試探針104的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流的數(shù)值。對于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言顯而易見的是，在數(shù)字轉(zhuǎn)換器102接收如此修改后的信號前，一個或多個中間設(shè)備(未示出)，例如放大器，可對來自測試探針104的信號進行接收和修正。本文將這種修正信號描述為從測試探針104接收到。此外，數(shù)字轉(zhuǎn)換器102可對數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流的數(shù)值進行處理，例如，對原始信號中的電噪聲進行估計，并濾除數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流中可能存在的噪聲成分。
[0019]在一個實施例中，控制器100可向數(shù)字轉(zhuǎn)換器102提供選通信號，該選通信號表示:來自測試探針104的模擬信號是否是樣本中的生物電活動的結(jié)果，并且其中是否會具有快速轉(zhuǎn)換或高頻率生物電成分。如果選通信號指出通過測試探針104采集的信號可能包括由于生物電活動產(chǎn)生的成分，則數(shù)字轉(zhuǎn)換器102的噪聲消除電路并不包括這種信號，來對要從來自測試探針的信號中過濾掉的噪聲的估計進行更新。另一方面，如果選通信號指出該信號不包括與生物電活動相關(guān)聯(lián)的成分，則該信號被用于對來自測試探針104的信號中存在的噪聲的估計進行更新。對噪聲的估計基本上實時更新，并且被用于從根據(jù)來自測試探針104的信號產(chǎn)生的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流中去除噪聲成分，不論測試探針104是在生物電活動周期中捕捉到該信號或者是在沒有生物電活動的周期中捕捉到該信號。如上所述，在噪聲的估計中不含有生物電活動周期中生成的信號的情況，避免了在這些信號中存在的快速轉(zhuǎn)換和頻率分布干擾噪聲估計并因此在數(shù)字轉(zhuǎn)換器102的輸出中引入不需要的非自然信號。
[0020]對數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流進行處理從而過濾掉其中的噪聲后，數(shù)字轉(zhuǎn)換器102將這些處理后的數(shù)據(jù)流提供給控制器100或其它設(shè)備(未示出)，用于顯示給操作員或用于進一步分析。
[0021]在一些實施例中，數(shù)字轉(zhuǎn)換器102可具有多個輸入通道，并且每個輸入通道可與一個測試探針104或其它信號源相關(guān)聯(lián)。在一些實施例中，數(shù)字轉(zhuǎn)換器102可同時從多個單獨的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流中移除噪聲，其中每個這種數(shù)據(jù)流是對測試探針104或數(shù)字轉(zhuǎn)換器102的特定輸入通道上的其它信號源提供的模擬信號進行采樣而的結(jié)果。此外，在一些實施例中，用戶可通過控制器100指出數(shù)字轉(zhuǎn)換器是否要從測試探針104或其它信號源提供的信號的基頻、該信號的一個或多個諧頻、或者它們的組合中去除噪聲。
[0022]參照圖2，數(shù)字轉(zhuǎn)換器102的一個實施例包括主模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)單元200、線性ADC單元202和ANC單元204。主ADC單元200對來自測試探針104的模擬信號進行采樣從而產(chǎn)生數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流的數(shù)值。線性ADC單元202對來自電源108的信號進行采樣從而生成表示基準(zhǔn)信號的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流的數(shù)值。
[0023]具體地，主ADC單元200的ADC模塊206連續(xù)地對一個或多個測試探針104提供給數(shù)字轉(zhuǎn)換器102的信號進行采樣。在一些實施例中，ADC模塊206可以是16位ADC并以500K個樣本每秒(KSPS)的速率進行采樣。應(yīng)當(dāng)明白，可將ADC模塊206配置為以不同的速率采樣和/或生成不同位長的數(shù)值。在一些實施例中，操作員可選擇用于噪聲過濾的輸入通道，并且在被數(shù)字轉(zhuǎn)換器102提供給控制器100或其它組件(未示出)之前，該輸入通道上接收到的信號被濾除掉噪聲。圖2展示了對數(shù)字轉(zhuǎn)換器102的一個輸入通道上接收到的信號進行的處理。圖2的部件可以被復(fù)制并且并行運行來對從額外通道接收到的信號進行處理，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說應(yīng)該是顯而易見的。此外，數(shù)字轉(zhuǎn)換器102可將在未被選作噪聲過濾的通道上接收到的信號的采樣提供給控制器100或其它部件(未示出)，以用于進行顯示或進一步分析，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說應(yīng)該是顯而易見的。
[0024]主ADC單元206通過對選作噪聲過濾的輸入通道上接收的信號進行采樣而生成每個數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流的數(shù)值，縮放和校準(zhǔn)單元208對該數(shù)值進行縮