A study on time division multiplexing of stochastic resonance phenomena and its application to biological signal detection

随机共振现象时分复用研究及其在生物信号检测中的应用

基本信息

批准号：
22K18176
负责人：
塚原彰彦
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Tokyo Denki University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K18176/
关键词：
確率共鳴現象 FPGA LVDS 表面筋電位生体信号 AD変換器アナログフロントエンド

项目摘要

現在までに，時分割多重化した確率共鳴現象に基づく回路の設計・試作を行った．試作した確率共鳴回路は，任意のディジタル回路を構成可能なLSIであるFPGA（Field programable gate array）を用いて，この中に組み込まれたデータ通信に使用されるLVDS（Low voltage differential signaling）用の素子とカウンタ回路等により構成した．LVDS用素子を比較器として使用し，測定対象の信号と外部から印加したノイズを比較し，信号とノイズの比較結果を積分（出力結果の1ビットを高速にカウント）することで，アナログ信号をディジタル信号に変換する．試作では，生体信号等の低周波数の信号を対象として，サンプリング周波数が1 kHz程度となる回路を構成した．試作した回路の評価を，発振器を用いて行った．信号として正弦波電圧と，ホワイトノイズを発振器より印加し，試作した回路で得た波形と，理想的な正弦波との相関係数と決定係数を計算した．信号の振幅が1 mVrmsの場合でも，相関係数と決定係数は0.9以上の高い相関のある波形を得ることを確認した．また，生体信号計測への応用として，試作した回路に外付けの増幅回路を付加し，表面筋電位を計測した．USBオシロスコープでも同時計測を行い，試作した回路で得た波形とオシロスコープで得た波形との相関係数と決定係数を計算した．その結果，0.9以上の相関係数及び決定係数の波形を，試作した回路で得られることを確認した．これらの結果より，試作した回路の生体信号計測への応用の可能性が示唆された．今後は，さらなる性能の改善を行うと共に，適用限界を明らかにすることや，ΔΣ変調技術を適用することで改善があるか等の検討を行う．

迄今为止，我们已经根据时间分布的概率共振现象设计并原型制定了电路。原型概率共振电路用于使用FPGA（现场编程门阵列）中的数据通信的LVD（低压差异信号传导），该元素可以配置任何数字电路。模拟信号用作比较器，将要测量的信号与外部噪声进行比较，并整合了信号和噪声的比较结果（在高速下计算输出结果的一位）。在原型中，对于低频信号（例如生物信号），采样频率约为1 kHz的电路。使用振荡器对原型电路进行评估。作为信号，从振荡器中施加正弦波电压和白噪声，并计算了通过原型电路获得的波形和理想的正弦波获得的波形的相关系数。即使信号振幅为1 MVRM，也可以证实相关系数和决定因素系数的高相关波形为0.9或更多。另外，将外部放大电路添加到原型电路中，以应用于生物信号测量，并测量表面肌肉电位。时钟也在USB示波器中测量，并计算了通过原型电路获得的波形的相关系数和确定系数，并计算了示波器获得的波形。结果，已经确认相关系数的波形为0.9或更多，并且可以通过原型电路获得确定的系数。这些结果表明，将原型电路应用于生物信号测量的可能性。将来，我们将提高性能，阐明应用程序限制，并通过应用Δς调制技术检查是否有所改进。