CN102694509B - 具有交流激励功能的集成电生理信号放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有交流激励功能的集成电生理信号放大器，包括电容耦合放大器、低通滤波电路、带通滤波电路、振荡电路、正交激励电流发生电路和阻抗分析电路，所述电容耦合放大器的输出端分别与所述低通滤波电路的输入端、所述带通滤波电路的输入端连接；所述电容耦合放大器与电生理信号采集电极通过电容进行交流耦合；所述振荡电路产生频率为激励频率的正弦电压信号；所述正交激励电流发生电路，将该正弦电压信号转换为双路正交的交流激励电流信号；所述阻抗分析电路，通过比较所述振荡电路和所述带通滤波电路的输出信号，分析出电生理信号采集电极的阻抗。本发明能够实时监控电极的阻抗特性，可准确判断电极与皮肤的接触情况。
Description
技术领域
本发明涉及集成生理信号放大器，特别涉及一种具有交流激励功能并可以进行电极阻抗监测的集成心电信号放大器。
背景技术
随着社会信息化进程的不断加快以及人们对生命健康的日趋重视，医疗仪器与生物医学设备的发展呈现出家用化、小型化和微型化的趋势，而用于放大或采集心电、脑电、眼电、肌电等低频动态生理信号的专用集成电路更成为其中一个热点方向。
目前，以CMOS或BJT工艺实现的全集成生理信号放大器多采用交流耦合结构，通常设置高值电容为输入耦合器件，设置工作在亚阈值区的晶体管作为高值伪电阻器件，以获得较低的低频高通截止频率(例如，低于1Hz)，故造成此类放大器的建立时间较慢，在临床使用中稳定性较差。
另一方面，这种集成的生理信号放大器常常用于便携式心电或脑电监控设备当众，这一类设备由于摘带频繁、使用随意性较强，在测试过程中记录电极特别容易受到人为的干扰而改变状态，人们却不能实时有效地掌握电极的情况，从而造成测试的不准确。
发明内容
本发明旨在解决交流耦合结构集成电生理信号放大器建立时间较慢，且无法在正常采集生理信号的同时有效地监控电极阻抗情况的问题。为解决这两个问题，本发明提出了一种具有交流激励功能的集成电生理信号放大器结构。
为达到上述目的，本发明公开了一种具有交流激励功能的集成电生理信号放大器，包括电容耦合放大器、低通滤波电路、带通滤波电路、振荡电路、正交激励电流发生电路和阻抗分析电路，其中，
所述电容耦合放大器，其输出端分别与所述低通滤波电路的输入端、所述带通滤波电路的输入端连接，对来自所述电生理信号采集电极的低频电生理信号进行放大；
所述电容耦合放大器与电生理信号采集电极通过电容进行交流耦合；
所述低通滤波电路，对所述电容耦合放大器的输出信号进行处理，滤去所述电容耦合放大器对来自所述正交激励电流发生电路的激励电流信号的响应以及高频噪声，最终输出放大后的生理信号；
所述带通滤波电路，对所述电容耦合放大器的输出信号进行处理，滤去除对来自所述正交激励电流发生电路的激励电流信号的响应外的信号，最终输出所述电容耦合放大器对该激励电流信号的响应；
所述振荡电路，产生频率为激励频率的正弦电压信号；
所述正交激励电流发生电路，将该正弦电压信号转换为双路正交的交流激励电流信号，并通过两输出端分别输出；
所述正交激励电流发生电路的一输出端通过电生理信号采集电极与所述电容耦合放大器的正输入端连接；
所述正交激励电流发生电路的另一输出端通过参考电极与所述电容耦合放大器的负输入端连接；
所述阻抗分析电路，通过比较所述振荡电路和所述带通滤波电路的输出信号，分析出电生理信号采集电极的阻抗。
实施时，所述电容耦合放大器提供不小于40dB的电压增益，并具有带通频率特性，通带的低频截止频率达1Hz以下，而高频截止频率达10KHz以上。
实施时，低通滤波电路采用开关电容结构或者Gm-C结构，其特征频率介于100Hz至250Hz之间。
实施时，所述带通滤波电路采用开关电容结构或者Gm-C结构，其特征频率高于所述低通滤波电路10倍频程，该特征频率介于1KHz至2.5KHz之间。
实施时，所述振荡电路产生频率为所述带通滤波电路的特征频率的电压激励信号。
实施时，电生理信号采集电极、参考电极、地电极分别放置在同一人体或者动物体的三个不同位置；
所述电生理信号采集电极与所述地电极之间存在生物组织，形成电学上的通路；
所述参考电极与所述地电极之间存在生物组织，形成电学上的通路；
所述正交激励电流发生电路，具有正输出端和负输出端，其中，
该正输出端通过电生理信号采集电极，在电生理信号采集电极与地电极之间的生物组织通路中，形成第一激励电流信号；
该负输出端通过参考电极，在参考电极与地电极之间的生物组织通路中，形成第二激励电流信号；
第一激励电流信号与第二激励电流信号正交，从而在各自的生物组织通路中产生交变电势差，该交变电势差不高于所述电生理信号采集电极采集得到的电生理信号的平均值的十分之一。
与现有技术相比，本发明所述的具有交流激励功能的集成电生理信号放大器，将交流激励功能引入集成电生理信号放大器，采用-3dB带宽为万赫兹量级的电容耦合放大器作为电生理信号的放大模块，采用频率为千赫兹量级的正交交变电流信号作为激励源，激励电极以及放大器的输入耦合电容。本发明能够有效降低电容耦合放大器的建立时间，并能够保证在正常采集生理信号的同时，实时监控电极的阻抗特性，可准确判断电极与皮肤的接触情况，有望大规模应用于心电、脑电、眼电、肌电等低频电生理信号的测量。
附图说明
图1是本发明所述的具有交流激励功能的集成电生理信号放大器的结构图；
图2是本发明所述的具有交流激励功能的集成电生理信号放大器的工作原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种具有交流激励功能的集成电生理信号放大器，包括电容耦合放大器1、低通滤波电路2、带通滤波电路3、振荡电路4、正交激励电流发生电路5和阻抗分析电路6，其中，
所述电容耦合放大器1，其输出端分别与所述低通滤波电路2的输入端、所述带通滤波电路3的输入端连接，完成对来自电生理信号采集电极7的心电、脑电、眼电、肌电等低频电生理信号的放大；
所述电容耦合放大器1与所述电生理信号采集电极7通过电容进行交流耦合，以避免电生理信号采集电极7采集的生理信号中的直流漂移对所述电容耦合放大器1的放大性能产生影响；
所述低通滤波电路2，对所述电容耦合放大器1的输出信号进行处理，滤去所述电容耦合放大器1对来自所述正交激励电流发生电路5的激励电流信号的响应以及其他高频噪声，最终输出放大后的生理信号；
所述带通滤波电路3，对所述电容耦合放大器1的输出信号进行处理，滤去除对来自所述正交激励电流发生电路5的激励电流信号的响应外的信号，最终输出所述电容耦合放大器1对该激励电流信号的响应；
所述振荡电路4，产生频率为激励频率的正弦电压信号；
所述正交激励电流发生电路5，将该正弦电压信号转换为具有一定输出阻抗的双路正交的交流激励电流信号；
所述正交激励电流发生电路5的一输出端通过电生理信号采集电极7与所述电容耦合放大器1的正输入端连接；
所述正交激励电流发生电路5的另一输出端通过参考电极8与所述电容耦合放大器1的负输入端连接；
所述阻抗分析电路6，通过比较所述振荡电路4和所述带通滤波电路3的输出信号，分析出电生理信号采集电极7的阻抗。
本发明所述的具有交流激励功能的集成电生理信号放大器的工作原理如图2所示，其中：
10为振荡电路4的输出信号，作为正交激励电流发生电路5的输入；
11为振荡电路4的输出信号，作为阻抗分析电路6的输入；
12为正交激励电流发生电路5的输出信号，作为“正相位输入电极7-地电极9”回路的交变激励电流；
13为正交激励电流发生电路5的输出信号，作为“负相位输入电极8-地电极9”回路的交变激励电流；
14为电极采集到的电生理信号，为正相位输入电极7与负相位输入电极8之间的电势差；
15为电容耦合放大器1的输出信号，包含放大后的电生理信号以及放大器对激励信号的响应；
16为低通滤波电路2的输出信号，仅包含放大后的电生理信号；
17为带通滤波电路3的输出信号，仅包含放大器对激励信号的响应。
电生理信号采集电极7，为正相位输入电极，直接接触生物组织，用于心电、脑电、眼电、肌电等低频电生理信号；
参考电极8，为负相位输入电极，直接接触生物组织；
地电极9，直接接触生物组织，使接触处电位与所述具有交流激励功能的集成电生理信号放大器的地电位相同。
所述电生理信号采集电极7、所述参考电极8、所述地电极9分别放置在同一人体或者其他动物体的三个不同位置。
所述电生理信号采集电极7与所述地电极9之间存在生物组织，形成电学上的通路，通路阻抗为生物组织阻抗。
所述参考电极8与所述地电极9之间存在生物组织，形成电学上的通路，通路阻抗为生物组织阻抗。
所述正交激励电流发生电路5，具有正输出端和负输出端，其中，
该正输出端通过电生理信号采集电极7，在电生理信号采集电极7与地电极9之间的生物组织通路中，形成激励电流信号12；
该负输出端通过参考电极8，在参考电极8与地电极9之间的生物组织通路中，形成激励电流信号13；
激励电流信号12与激励电流信号13正交，从而在各自的生物组织通路中产生交变电势差，该交变电势差应不高于电生理信号的平均值的十分之一。
在具体实施时，本发明所述的具有交流激励功能的集成电生理信号放大器，是单片集成，完全采用CMOS或BJT等现代集成电路工艺设计与实现。
根据一种具体实施方式，所述电容耦合放大器1可提供不小于40dB的电压增益，并具有带通频率特性，通带的低频(高通)截止频率可达1Hz以下，而高频(低通)截止频率可达10KHz以上，适用于放大心电、脑电、眼电、肌电等低频动态生理信号；
所述低通滤波电路2采用开关电容结构或者Gm-C结构，特征频率介于100至250Hz之间，覆盖心电、脑电、眼电、肌电等低频动态生理信号的主要频率成分；
所述带通滤波电路3采用开关电容结构或者Gm-C结构，特征频率高于低通滤波电路10倍频程，介于1KHz至2.5KHz之间；
所述振荡电路4可产生频率为所述带通滤波电路3的特征频率的电压激励信号；
所述正交激励电流发生电路5可产生具有一定输出阻抗的双路正交的交流激励电流信号，该交流激励电流信号在“电极-地”回路中产生的电势应不高于电生理信号的平均值的十分之一；
所述阻抗分析电路6可比较所述振荡电路4和所述带通滤波电路3的输出信号，通过分析相位与幅度的差异，得出“电极-地”回路的阻抗。
实施时，所述电容耦合放大器1是一千赫兹量级的交变电势差激励放大器，这一千赫兹量级的交变电势差激励放大器一直处于工作状态，从而避免电生理信号到来时放大器的重新建立，缩短此类电容耦合集成放大器的建立时间。同时交变电势差与电极采集到的电生理信号14(百赫兹量级)相互调制，被-3dB带宽为激励频率10倍频程左右(万赫兹量级)的电容耦合放大器1所放大，输出信号15包含放大后的电生理信号以及放大器对激励信号的响应的信号。信号15进入低通滤波电路2(采用开关电容结构或者Gm-C结构)，滤去放大器对激励电流信号的响应以及其他高频噪声，最终输出放大后的生理信号16。而信号15进入带通滤波电路3(采用开关电容结构或者Gm-C结构)，滤去除激励信号响应外的信号，最终输出放大器对激励信号的响应17。而阻抗分析电路6，通过比较振荡电路4的输出信号11和带通滤波电路3的输出信号17，通过输出信号11与输出17相位与幅度的关系，从而分析出电生理信号采集电极7的阻抗，到达对电生理信号采集电极7的阻抗进行实时监控的目的。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种具有交流激励功能的集成电生理信号放大器，其特征在于，包括电容耦合放大器、低通滤波电路、带通滤波电路、振荡电路、正交激励电流发生电路和阻抗分析电路，使用时，一电生理信号采集电极、一参考电极、一地电极分别放置在同一人体或者动物体的三个不同位置，其中，
所述电生理信号采集电极与所述地电极之间存在生物组织，形成电学上的通路；
所述参考电极与所述地电极之间存在生物组织，形成电学上的通路；
所述电容耦合放大器，其输出端分别与所述低通滤波电路的输入端、所述带通滤波电路的输入端连接，对来自所述电生理信号采集电极的低频电生理信号进行放大；
所述电容耦合放大器与电生理信号采集电极通过电容进行交流耦合；
所述低通滤波电路，对所述电容耦合放大器的输出信号进行处理，滤去所述电容耦合放大器对来自所述正交激励电流发生电路的激励电流信号的响应以及高频噪声，最终输出放大后的生理信号；
所述带通滤波电路，对所述电容耦合放大器的输出信号进行处理，滤去除对来自所述正交激励电流发生电路的激励电流信号的响应外的信号，最终输出所述电容耦合放大器对该激励电流信号的响应；
所述振荡电路，产生频率为激励频率的正弦电压信号；
所述正交激励电流发生电路具有正输出端和负输出端，所述正交激励电流发生电路将该正弦电压信号转换为双路正交的交流激励电流信号，并通过正输出端和负输出端分别输出该交流激励电流信号；
所述正交激励电流发生电路的正输出端通过电生理信号采集电极与所述电容耦合放大器的正输入端连接，该正输出端通过电生理信号采集电极，在电生理信号采集电极与地电极之间的生物组织通路中，形成第一激励电流信号；
所述正交激励电流发生电路的负输出端通过参考电极与所述电容耦合放大器的负输入端连接，该负输出端通过参考电极，在参考电极与地电极之间的生物组织通路中，形成第二激励电流信号；
第一激励电流信号与第二激励电流信号正交，从而在各自的生物组织通路中产生交变电势差，该交变电势差不高于所述电生理信号采集电极采集得到的电生理信号的平均值的十分之一；
所述阻抗分析电路，通过比较所述振荡电路和所述带通滤波电路的输出信号，分析出电生理信号采集电极的阻抗。
2.如权利要求1所述的具有交流激励功能的集成电生理信号放大器，其特征在于，所述电容耦合放大器提供不小于40dB的电压增益，并具有带通频率特性，通带的低频截止频率达1Hz以下，而高频截止频率达10KHz以上。
3.如权利要求1或2所述的具有交流激励功能的集成电生理信号放大器，其特征在于，低通滤波电路采用开关电容结构或者Gm-C结构，其特征频率介于100Hz至250Hz之间。
4.如权利要求3所述的具有交流激励功能的集成电生理信号放大器，其特征在于，所述带通滤波电路采用开关电容结构或者Gm-C结构，其特征频率高于所述低通滤波电路10倍频程，该特征频率介于1KHz至2.5KHz之间。
5.如权利要求4所述的具有交流激励功能的集成电生理信号放大器，其特征在于，所述振荡电路产生频率为所述带通滤波电路的特征频率的电压激励信号。
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Denomination of invention: An integrated electro-physiological signal amplifier with an AC excitation function Effective date of registration: 20180927 Granted publication date: 20170215 Pledgee: Bank of Jiaxing science and technology branch of Limited by Share Ltd Pledgor: ZHEJIANG HANSHOW ELECTRONIC TECHNOLOGY CO., LTD. Registration number: 2018330000296 |
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Date of cancellation: 20201202 Granted publication date: 20170215 Pledgee: Bank of Jiaxing science and technology branch of Limited by Share Ltd. Pledgor: ZHEJIANG HANSHOW TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: 2018330000296 |
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 314031 podium Building 1 / F, 4 / F and 7 / F, building 5 / F, No.1 building, Jiaxing photovoltaic technology innovation park, 1288 Kanghe Road, Xiuzhou District, Jiaxing City, Zhejiang Province Patentee after: Hanshuo Technology Co.,Ltd. Address before: 314000 33 buildings in Zhifu center, Xiuzhou District, Jiaxing, Zhejiang. Patentee before: ZHEJIANG HANSHOW TECHNOLOGY Co.,Ltd. |