Page 78 - 《中国医疗器械杂志》2025年第6期

Chinese Journal of Medical Instrumentation 2025年 第49卷 第6期

设 计 与 制 造

其中， R SN 为信噪比；P 为信号功率；P 为噪声功
S
N
率。然而，在实际测试中，噪声功率难以直接获
得。因此，本研究测试方案利用信号发生器产生频
率为10 Hz的正弦信号作为输入，通过计算信号的
频谱并测量信号峰值 S P 、噪声能量 F N 以及调整采
样数目获得输出频谱的参数因子，从而计算信噪
比，计算式如下：
R SN = S P − F N −10lgN (2)
通过改变输入信号幅度，得到如表1所示的测
试结果。

图8 上位机软件界面 表1 不同信号输入幅度的信噪比
Fig.8 Upper computer software interface Tab.1 SNR for different signal input amplitudes
4 刺激器实现与测试 信号幅度/mV SNR/dB
5 29.3
4.1 刺激器实现 10 35.5
20 38.5
通过上述设计，最终研制的可监测脑电信号的
50 42.4
多模式耳迷走神经刺激器原型样机如图9所示。其 100 42.6
整体尺寸为85 mm×50 mm×17 mm，通过耳夹电极
在测试完模拟信号后，开展人体信号实测，首
实现耳部迷走神经的电刺激，通过外部电极帽实现
先选取时域特征稳定且容易采集的心电信号进行测
脑电信号的采集。
试。测试得到的心电波形如图10a所示。

0.6
0.5
0.4
0.3
幅值/mV 0.2 0
0.1
−0.1
−0.2
−0.3
−0.4
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
时间/s
(a) 实测ECG信号
(a) Measured ECG signal
−85
−90
功率谱密度/dB −100
−95
−105
−110
−115
−120
−125
0 20 40 60 80 100 120 140
频率/Hz
(b) ECG信号的功率谱
图9 耳迷走神经刺激器实物 (b) Power spectrum of ECG signal
Fig.9 Physical prototype of auricular vagus nerve stimulator
图10 实测ECG信号和功率谱
4.2 脑电信号采集测试 Fig.10 Measured ECG signals and its power spectrum
首先，对刺激器脑电采集部分进行模拟信号测试。 在计算功率谱密度时，采用较为简单的直接
将ADS1299芯片放大倍数设为24，采样率设为250 Hz。 法。具体而言，首先对心电信号x(n)（其中 n=0, 1,
利用信号发生器，测试输入参考噪声和信噪比。 2,…, N−1）进行离散傅里叶变换，变换公式为：
∑ N−1
输入参考噪声测试中，输入电极短接并接地，重 X (k) = x(n)e − j2πkn/N , k = 0,1,2,...,N −1 (3)
n=0
复采集10次10 s数据计算均方根V rms 和峰峰值V pp [19] ， 式中：X(k)是信号在频率k处的频率分量。随后根
得到V rms 为(0.14±0.01) µV，V 为(0.99±0.15) µV。 据式(4)进行功率谱密度估计：
pp
理论上，信噪比计算公式为 ： 1
[20]
P xx (k) = |X(k)| 2 (4)
P S N
R SN = 10lg (1)
式中： P xx (k)是信号在频率k处的功率谱密度估计
P N
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