一种二阶带反馈生理电检测有源电极

技术领域

本申请涉及一种二阶带反馈生理电检测有源电极。

生理电信号指心电、脑电、肌电等携带生理信息的电信号。有源电极(ActiveElectrodes，AE)，即内置有一些检测电路的电极，目前它在生理电信号检测特别是可穿戴场合中的应用越来越多。其优点主要是有源电极在测点附近由其内置电路实现阻抗转换，其高输入阻抗和低输出阻抗，可提高生理电信号检测的灵敏度、抑制50Hz或60Hz的工频干扰、减弱线缆运动伪迹(cable motion artifacts)等。

背景技术

有源电极顾名思义，即内置有需要电源的检测电路的电极。将人体引出的信号接入一个电压跟随器实现阻抗转换，就可构成一个简单的有源电极；为了减小电流噪声的影响，也经常通过运算放大器加偏置电路来构成有源电极电路，如附图2所示。

电极与人体之间可以近似看成通过一个电容耦合，现有的有源电极解决方案，通常在运算放大器周边只有较少的阻容元件构成偏置电路，有源电极的传递函数相当于一个一阶高通滤波器。由于有源电极的输入阻抗一般很高，高通的截止频率本来就不高，此时，一阶的高通滤波器意味着，滤波器的过渡段比较宽，阻带的衰减特性不是太好，造成有源电极在抑制低频漂移方面的性能不理想。

参考文献：

1.Jiawei Xu，Srinjoy Mitra，Chris Van Hoof，Refet Firat Yazicioglu andKofi A.A.Makinwa，Active Electrodes for Wearable EEG Acquisition：Review andElectronics Design Methodology，DOI 10.1109/RBME.2017.2656388，IEEE Reviews inBiomedical Engineering

2.刘红星 屈永东 刘乐 司峻峰：一种用于生理电信号检测的有源电极，201810180948.8，申请日20180302

3.刘红星 刘乐 屈永东 司峻峰：一种面向有源电极的多功能心电检测肢体夹，201810370809.1申请日20180424

4.刘红星 屈永东 刘乐：一种生理电检测用屏蔽有源电极，201811199712.5，申请日，申请日2018年10月11日

发明内容

发明目的。

提出一个相当于二阶高通滤波器的有源电极解决方案，使其具有更好的低频截止特性，即窄的过渡带、大的阻带衰减，以提高有源电极抑制低频漂移的能力。

技术方案。

一种二阶带反馈生理电检测有源电极，其特征在于，包括一个二阶高通滤波放大电路[A1][R1][R2][R3][R4][Ceq][C]，“虚拟地”反馈电路[A2][Rv1][Rv2]以及电源[]和[]，其中电容[Ceq]表示人体与电极之间的等效耦合电容，[Rv1][Rv2]为两等值电阻；电源[]和[]分别连至运算放大器[A1][A2]的正负电源端为二者供电；体表测点电位[Vin]通过两电容[Ceq][C]串联至运算放大器[A1]的输入同相端[+]，运算放大器[A1]的输出[Vout]通过电阻[R2]反馈至两电容[Ceq][C]之间，运算放大器[U1]的输出[Vout]通过电阻[R4]反馈至其输入反相端[-]，运算放大器[A1]的输入同相端[+]通过[R1]连接至运算放大器[A2]的输出端[GND]，运算放大器[A1]的输入反相端[-]通过[R3]也连接至运算放大器[A2]的输出端[GND]；“虚拟地”反馈电路中，两等值串联电阻[Rv1][Rv2]的中间电位点连接至运算放大器[A2]的输入同相端[+]，运算放大器[A2]的输出端[GND]反馈至其输入反相端[-]，同时运算放大器[A2]的输出端[GND]连接至体表测点附近。如附图1所示。

以上一种二阶带反馈生理电检测有源电极，其特征在于，电路中的各电阻[R1][R2][R3][R4]和电容[Ceq][C]的取值，通过求解如下最小化问题确定，其中表示四个电阻[R1][R2][R3][R4]产生的噪声，为运算放大器[A1]输入同相端[+]的噪声电流，为运算放大器[A1]输入反相端[-]的噪声电流，为运算放大器[A1]输入同相端[+]的噪声电压，如附图3所示，分别为以上七个噪声源反映至电极输出端的输出噪声，为七个输出噪声的叠加，为电极输入电阻，T为电阻绝对温度(单位K)，k为波尔兹曼常数1.38x10

Subject to：

，，，

以上求解问题中的目标函数是总输出噪声电压，单位为。

有益效果。

使用TI公司的TINA软件进行对比性仿真实验。在软件中搭建一传递函数为一阶的有源电极电路，如图4所示，电容C取353pF，电阻R1取101.7，电阻R2取101.1，，电阻R3和，电源为两个1.5V直流电压源串联，连接至运算放大器U2的正负电源端为其供电；同时，在软件中搭建本发明有源电极仿真电路，如图1所示，电阻R1取99.7，R2取，电阻R3和R4均为，C取10uF，Ceq取470pF，两等值电阻Rv1和Rv2均取。对两个电路的幅频响应进行仿真，仿真结果如图5所示。图5中，实线为本发明二阶高通滤波有源电极的幅频响应图，虚线为图4普通一阶高通滤波模型有源电极的幅频响应图，两者的截止频率一致，在截止频率X：0.02487Hz处的衰减同为Y：3.003dB。从图5中可以看出，采用二阶高通滤波的有源电极，其过渡带比一阶更窄、阻带的衰减也比一阶更快。

为了进一步验证本方案的效果，发明人按提出的技术方案制作了有源电极，详见实施例，并进行了对比性测试实验。测试装置的核心模块是NI公司的PCI 4461板卡，把它插入工控机并编写相应软件，构建了一套高精度的带信号处理功能的2路电压同步采集系统，用此系统同步采集两路电压信号，如图6所示，一路为基于无源电极的左臂一点对右臂一点的电压信号，靠近手腕的两电极为无源电极，另一路为基于本发明的有源电极的左臂一点对右臂一点的电压信号，远离手腕的两电极为本发明的有源电极。同步采样率设置为100kHz，对同步采集的两路信号均进行通带为0.5-80Hz的一实时FIR带通滤波，滤波器的单位样值响应h(n)长度取为10秒。在实验过程中受试者保持安静，尽量避免线路的移动。如此采集处理的两路信号结果如图7所示。图7中，上部分两图分别为基于无源电极的信号波形图和频谱图，下部分两图分别为基于本发明有源电极的信号波形图和频谱图。显然，无源电极的检测结果中有很大的50Hz交流电源干扰，而本发明有源电极的检测结果中则对此项干扰有很好的抑制作用。

附图说明

图1，本发明有源电极电路方案示意图

图2，常见有源电极电路模型示意图

图3，本发明有源电极电路噪声模型示意图

图4，某一阶有源电极电路模型

图5，仿真对比实验结果示意图

图6，对比性测试实验场景示意图

图7，对比性测试实验结果示意图

图8，按本发明方案实施的有源电极本体部分示意图

图9，按本发明方案实施的电极夹示意图

实施例

按本发明技术方案，选择器件，按图1电路图画PCB图，并进行制作，制作的有源电极本体部分如图8所示。制作中，直流电源选择了3V的电池CR2032，作为核心器件的两个运算放大器U1和U2选择了LMP7721，电阻R1为99.7，R2为，电阻R3和R4均为，C为10uF，两等值电阻Rv1和Rv2均为。制作的电极分为正反面，反面为输入端，含有一个信号测量头和一个反馈接头，两者都采用了凹形钮扣。正面为输出端，包括了供电电池，电极开关和信号输出接头，输出接头采用了凸形钮扣。将此有源电极的本体部分与图9的电极夹相扣接，则形成了完整的有源电极测量部分。图9中的电极夹也可作为传统的无源电极来使用。