CN105242095B - 检测电位的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

描述一种检测患者(1)的身体的电位的装置，所述装置具有多个用来与测量电极(11)相连的输入端(Y1，...，Yn)，可以将测量电极放在患者(1)的身体上，所述装置还具有多个输出端(A1，...，An)，其中每个输入端(Y1，...，Yn)均通过放大器(Op1，...，Opn)与输出端(A1，...，An)相连，设置加法单元(13)，所述加法单元与输出端(A1，...，An)相连并且可输出放大器(Op1，...，Opn)的输出端(A1，...，An)的信号(E1，...，En)的平均值。设置减法单元(19)，所述减法单元排列在加法单元(13)后面并且可将加法单元(13)的输出以放大系数(1/β)放大后从减法单元(19)的输出中减去，将减法单元(19)的输出与放大器(Op1，...，Opn)的输入端相连，并且减法单元(19)中的放大系数(1/β)和放大器(Op1，...，Opi)的放大(β′)对于减法单元(19)的输出如此适配，使得放大系数(1/β)的倒数对应于放大(β′)，即可解决适当设计测量装置从而从信号中可靠去除共模信号的任务。

Description

检测电位的装置和方法
技术领域
本发明涉及检测患者身体电位的装置，所述装置具有用来与可以放在患者身体上的测量电极相连的多个输入端，并且具有多个输出端，其中每个输入端均通过放大器与输出端相连，其中设置了与输出端相连并且用来输出放大器输出端信号平均值的加法单元。本发明还涉及检测电位的方法。
背景技术
如果想要例如在患者皮肤上测量电位，并且这些电位中所含的有用信号与心电图(ECG)或者肌电图(EMG)一样仅仅在μV范围内，那么就会产生以下问题。
由于患者身体被电场包围，因此仅仅容性耦合就会在患者皮肤上形成电位。一般来说可以这样描述该效应：患者身体尤其会容性耦合到周围环境中的电源引起的230V/50Hz交变电压场。出于安全原因，不允许使患者本身耦合到环境接地，因为这可能会给患者带来严重危险。
除此之外，还有必须将患者皮肤上的电极与其相连的测量设备与环境接地进行电隔离的问题。这又产生测量设备与其内部地也会容性耦合到周围环境，从而产生设备接地处在某个大小未知的电位并且该电位一般来说有别于患者电位的问题。
现在为了至少实现患者和测量设备的地线处在相同电位或者至少两者之间存在固定的电位差，已知可通过附加电极将设备接地与患者身体相互连接。附图1所示就是这种情况。但是一般来说由于周围的场不均匀，容性耦合到周围环境的结果不一样，使得设备接地和患者可能处在不同的电位，因此有平衡电流流动，该平衡电流将会由于经由电极耦合到患者的阻抗而引起所谓的共模信号，测量设备中的放大器会将其一并放大。如果真正利用测量采集的有用信号非常小，则共模信号就会导致无法分辨真正的有用信号。除此之外，所产生的困难是放大器必须具有很高的动态性能，才能处理有用信号和与其叠加的较高共模信号。此外后置数字电子分析装置还必须为每个测量值提供大量的比特位，以便能够处理大信号。
此外从DE 29 26 165 A1的现有技术可知，应从放大器的输入信号减去放大器输出信号的平均值。但是依然存在问题，尽管不会放大共模信号，但仍然会在放大器输出端上将其与有用信号一起输出。如果有用信号极小，则可能会导致共模信号与放大的有用信号的大小处在相同的数量级，无法轻而易举地将其相互分离。此外还存在必须适配放大器和后置电子分析装置使其也能继续处理较大共模信号的问题。
发明内容
因此本发明的任务就是对检测电位的测量装置进行适当设计，从而可从信号中可靠去除共模信号。
按照本发明的第一方面，解决该任务的方式为：设置减法单元，该减法单元排列在加法单元后面并且用来将加法单元的输出以某个放大系数放大后从减法单元的输出中减去，将减法单元的输出与放大器输入端相连，并且适当适配减法单元中的放大系数和用于减法单元的输出的放大器的放大，使得放大系数的倒数对应于放大。
使用本发明的如此设计的装置可在放大器输出端各自输出不再含有共模信号成分的信号。给放大器的所有输入端提供经适配后可抵消共模信号的统一附加参考信号，即可实现这个效果。可根据以下想法进行适配。
在放大器输入端上检测的输入信号Vi由真正的有用信号Vsi和放大器所有输入端上相同的共模信号Vcm组成。附加地按照本发明所述，还在所有输入端加上附加参考信号Vr。在放大器中使得输入信号Vi以放大系数α放大，并且使得参考信号Vr以放大系数β放大。对于放大器输出端上的信号得出为
Ei＝α·Vi+β·Vr＝α·Vsi+α·Vcm+β·Vr。
在患者身体上测量电位的时候，所有输出信号Ei的平均值为
如果那么原则上在各个输入信号中不含共同的共模信号成分。这样即可通过得出参考信号的最佳值Vr，opt。
但是前提条件是Vcm已知。另一种方法源自于的第二个公式，可以根据Vcm对其进行解算，若为某个任意选择的对Vcm的Vr，则关系式为
可利用该关系式确定Vcm。现在可以将其代入Vr，opt的关系式，得出
该关系式允许递归确定Vr，opt，这恰恰可以通过本发明所述的装置予以实现，所述装置可将输出信号的平均值以放大系数1/β放大后从参考信号Vr中减去，所述放大系数正好对应于参考信号放大的倒数。按照本发明所述就能在减法单元中实现该要求。
如此调整参考信号的结果就是使得平均值变为零，从而使得各个输出信号不含共模信号。因此采用本发明所述的装置可以消除之前针对放大器动态性能所述的问题以及对后置电子分析装置的要求。
在本发明所述装置的一种优选实施方式中，减法单元经过适当设计，从而可将加法单元的输出以某个放大系数放大后从乘以小于1的系数s后的减法单元的输出中减去。如果以不减弱的方式将减法单元的输出反馈到减法单元的输入端，就会存在整个系统无法稳定工作的危险。因此首选在此进行减弱。
可以采用更加有益的方式，将减法单元设计成模拟放大电路，该放大电路具有反转加法器和在其后面连接的反转器，其中反转器输出端与反转加法器输入端和放大器输入端相连，可以将测量电极连接在这些输入端上。这样就能使用模拟元器件以简单方式实现减法单元。
还可以按照另一种优选实施方式所述，在减法单元的输出端和输出端之间设置尤其可以通过运算放大器形成的阻抗变换器。这样就会使得减法单元输出端只有最小的负载。
此外减法单元的输入端还优选具有低通滤波器，这样就能将要么来自减法单元输出端、或者来自加法单元的高频信号成分滤除，不会影响参考信号的调整。
一方面可以通过模拟放大电路实现加法单元，所述模拟放大电路可将放大器的信号提供给运算放大器的非反转输入端；但另一方面也可以通过数字信号处理器形成加法单元，其中通过模数转换器将放大器输出端与数字信号处理器输入端相连，其中然后将减法单元作为模拟放大电路，并且其中通过数模转换器将数字信号处理器输出端与减法单元相连。同样能够以简单方式实现加法单元的这种实施方式。
在另一种优选实施方式中，还可以通过数字信号处理器形成加法单元和减法单元，其中通过模数转换器将放大器输出端与数字信号处理器输入端相连，并且通过数模转换器将信号处理器输出端与放大器输入端相连。这种情况下可通过唯一的数字信号处理器实现加法单元和减法单元构成的组合体，然后在数字信号处理器中仍然也要通过软件技术使得减法单元的输出端重新反馈到其输入端，其中可以设想要在反馈时减弱输出，以保证稳定性。
按照本发明的另一方面，开头所述的任务可通过一种在多个测量电极上检测电位的方法予以解决，其中利用放大器放大测量电极的信号，其中形成放大器输出端信号的平均值信号，其中通过减去以参考信号放大系数放大后的平均值产生参考信号，其中将参考信号提供给放大器输入端，其中通过放大器以一定的放大放大参考信号，并且其中适当适配执行减法时的放大系数和参考信号放大器的放大，使得放大系数的倒数对应于放大。利用这种检测电位的方法同样可实现关于本发明所述装置所解释的优点。
附图说明
以下将根据附图解释本发明，该附图所示仅为优选实施例，其中
附图1示出现有技术所述装置的示意图，
附图2示出以示意电路图描述本发明的原理，
附图3示出本发明所述装置第一实施例的电路图，
附图4示出本发明所述装置第二实施例的电路图，
附图5示出本发明所述装置的第三实施例，以及
附图6示出本发明所述装置的第四实施例。
具体实施方式
从附图1首先可知例如在仅仅示意表示的患者身体1上检测较小电压信号时出现的基本问题。如图所示，不仅患者1而且测量装置3也相对于环境接地5进行了电隔离，从安全角度来看必须如此。这样做的后果就是：不仅患者的身体1而且测量装置3均电容耦合到周围环境，从而有可能在两者上面形成不同的电位。如果如附图1所示通过电极将测量装置3的地线7与患者的身体1相连，就会由于电极9的阻抗Za在患者的身体1和测量装置3之间引起电流ia。因此又会产生共模信号Vcm，该信号可在真正的测量电极11上被一并检测出来并且在放大器Opi中得到放大，因此也会包含在输出信号中。
与此不同的是，本发明现在建议给在测量电极11上检测的信号Vi加上参考信号Vr，该参考信号经过适当适配，使其能抵消共模信号，使得放大器Opi的输出端Ai上的信号Ei不再包含共模信号成分。附图2中仅仅示意表示了这种情况。
在本发明所述装置的第一实施例中，附图3所示为其电路图，将加法单元13连接在对输入端Y1，…，Yn上的输入信号V1，…，Vn进行放大的放大器Op1，…，Opn后面，所述加法单元在其输出端15上输出放大器Op1，…，Opn的输出信号Ei，…，En的平均值。这种情况下将加法单元13设计成具有运算放大器17的模拟电路装置，其中通过适当选择的电阻Rv将输出信号E1，…，En提供给运算放大器17的非反转输入端。
将加法单元13中产生的平均值信号提供给减法单元19的第一输入端，所述减法单元在本实施例中同样被设计成模拟电路装置并且包括反转加法器21以及反转器23，这两者均具有相应连接的运算放大器25、27。
除了加法单元13中产生的平均值信号之外，还同阻抗变换器29将减法单元19的输出信号提供给其输入端，由于反转加法器21的电阻RR几乎相同，因此减法单元19的输出信号不会放大或者减弱。在一种优选实施方式中，当然可以略有不同地选择这些电阻，以便将减法单元19的输出信号略微减弱后重新提供给其输入端，也就是将输出信号乘以小于1的系数s。
与此不同的是，利用通过比例RR/RM提供的放大系数1/β将执行减法时的平均值信号放大。然后还通过连接在后面的反转器23将反转加法器21输出的信号反转，使得减法单元19在其输出端上输出参考信号Vr，在放大器Op1，…，Opn的反转输入端上将参考信号提供给放大器的反转输入端，然后在放大器Op1，…，Opn中按照已知的方式将该参考信号以放大β′＝-R1/R2放大。
按照本发明所述，电阻R1、R2、RR和RM经过适当选择，使得这样就实现了放大系数1/β对应于放大β′的倒数。因此可以应用以上所解释的想法，方法是递归优化参考信号Vr，从首先预定的参考信号中减去利用放大系数1/β放大的平均值信号，其中该放大系数恰好对应于放大的倒数，可将其用来在测量装置输入端上的放大器中放大参考信号。这样就能使得输出端A1，…，An上输出的输出信号E1，…，En不含共模成分。
本发明所述测量装置的第二实施例(附图4中所示是其电路图)与第一实施例的区别仅在于：减法单元19的输入端以及这种情况下反转加法器21的输入端具有低通滤波器31、33，使得加法单元13输出的平均值信号以及减法单元19的输出端的平均值信号中所含的高频成分被抑制。
此外该实施例中还通过两个电阻RR1、RR2适当设计了与减法单元19的输出端相连的减法单元19或反转加法器21的输入端，使得减法单元19的输出信号以及参考信号Vr被减弱，因为电阻RR1和RR2经过适当选择，使其总和略大于RR。这样就能减弱参考信号，以保证装置总体上稳定工作。
在第三实施例中(附图5所示是其电路图)，通过数字信号处理器35形成加法单元13和减法单元19，在其中利用软件技术实现了加法单元13和减法单元19的功能。但是编程经过适当选择，使得首先利用放大系数1/β将加法单元13产生的平均值放大，之后再将其从参考值中减去，该放大系数同样也对应于放大器Op1，…，Opn用来对提供给这些放大器的参考信号进行放大的放大的倒数。该实施例中通过模数转换器37将输出端A1，…，An与数字信号处理器35相连。此外还设置了数模转换器39，可用来将参考信号Vr从数字信号转换成模拟信号，以便随后将其提供给放大器Op1，…，Opn。
最后是笫四实施例，其电路图如附图6所示，可以单纯通过数字信号处理器35′实 现加法单元13，所述数字信号处理器的输入端通过模数转换器37与输出端A1，…，An相连。通 过数模转换器39将信号处理器35′中算出的平均值信号重新交给在这种情况下设计成模拟 电路装置的减法单元19。根据第二实施例(参见附图4)设计该减法单元19，在此无需继续对 其进行解释。尤其按照与结合第一实施例所述一样的方式选择电阻R1、R2、Rm和Rr的比例，使 得
所有实施例的共性在于，在测量装置的输入端Y1，…，Y2上检测电位的时候由放大器Op1，…，Opn放大信号，其中形成放大器Op1，…，Opn的输入端A1，…，An的平均值信号。接着递归产生参考信号Vr，方式是将之前产生的平均值以放大系数1/β放大后从参考信号Vr中减去，并且将递归产生的参考信号Vr提供给放大器Op1，…，Opn的输入端。在这些放大器Op1，…，Opn中使得与输出端A1，…，An有关的参考信号以放大系数β′放大。在此测量装置在任何情况下均经过适当设计，使得放大β′对应于放大系数1/β的倒数。
测量装置的上述实施例各自都有优点，可通过装置的设计产生参考信号Vr，从而导致可在输出端A1，…，An上产生不含共模成分的信号。
附图标记清单：
1 身体
3 测量装置
5 环境接地
7 设备接地
9 身体电极
11 测量电极
13 加法单元
15 输出端-加法单元
17 运算放大器-加法单元
19 减法单元
21 反转加法器
23 反转器
25 运算放大器-加法器
27 运算放大器-反转器
29 阻抗变换器
31 低通滤波器
33 低通滤波器
35 数字信号处理器
37 模数转换器
39 数模转换器
Ai 放大器输出端
Opi 放大器
Yi 放大器输入端
Rx 电阻

Claims (9)

1.检测患者（1）身体的电位的装置，所述装置具有：
多个用来与测量电极（11)相连的输入端（Y1,...,Yn)，能将所述测量电极放在患者（1）的身体上，
多个放大器（Op1,...,Opn)，
多个输出端（A1,...,An)，其中每个输入端（Y1,...,Yn)均通过所述多个放大器（Op1,...,Opn)中的一个放大器与输出端（A1,...,An)相连，
加法单元（13），所述加法单元与输出端（A1,...,An)相连并且设计成输出放大器（Op1,...,Opn)的输出端（A1,...,An)的信号（E1,...,En)的平均值，
其特征在于，
设置减法单元（19)，所述减法单元排列在加法单元（13)后面并且设计成将加法单元(13)的输出以放大系数（1/β)放大后从减法单元（19)的输出中减去，
减法单元（19)的输出与放大器（Op1,...,Opn)的输入端相连，并且
减法单元（19)中的放大系数（1/β )和用于减法单元（19)的输出的放大器（Op1,...,Opn)的放大（β')如此适配，使得放大系数（1/β)的倒数对应于放大（β')，
其中通过数字信号处理器 (35)形成加法单元（13)和减法单元（19)，
其中放大器（Op1,...,Opn)的输出端通过模数转换器（37)与数字信号处理器（35)的输入端相连，并且
其中数字信号处理器（35)的输出端通过数模转换器（39)与放大器（Op1,...,Opn)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其中减法单元（19)经过适当设计，从而可将加法单元(13)的输出以放大系数（1/β )放大后从乘以小于1的系数s的减法单元（19)的输出中减去。
3.根据权利要求1所述的装置，其中将减法单元（19)设计成模拟放大电路，所述模拟放大电路具有反转加法器（21)和在其后面连接的反转器（23)，并且
其中反转器（23)的输出端与反转加法器（21)的输入端和放大器（Op1,...,Opn)的输入端相连。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中在减法单元（19)的输出端和输入端之间设置阻抗变换器（29)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中减法单元（19)的输入端具有低通滤波器（31，33)。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中通过数字信号处理器（35)形成加法单元（13)，
其中放大器（Op1,...,Opn)的输出端通过模数转换器（37)与数字信号处理器（35)的输入端相连，
其中将减法单元（19)设计成模拟放大电路，并且
其中数字信号处理器（35)的输出端通过数模转换器（39)与减法单元（19)相连。
7.检测多个测量电极（11)上的电位的方法，其中利用放大器（Op1,...,Opn)放大测量电极（11)的信号，
其中通过加法单元（13)形成放大器（Op1,...,Opn)的输出端（A1, ...，An)的信号（E1,...,En)的平均值信号，
其特征在于，
通过减法单元（19)将平均值以放大系数（1/β)放大后从参考信号（Vr）中减去的方式产生参考信号（Vr），
将输入端（Y1,...,Yn)的参考信号提供给放大器（Op1,...,Opn)，其中通过放大器(Op1,...,Opn)以放大（β'）放大参考信号，并且
在减法时的放大系数（1/β）和用于参考信号的放大器（Op1,...,Opn)的放大（β'）如此适配，使得放大系数（1/β）的倒数对应于放大（β'），
其中通过数字信号处理器 (35)形成加法单元（13)和减法单元（19)，
其中放大器（Op1,...,Opn)的输出端通过模数转换器（37)与数字信号处理器（35)的输入端相连，并且
其中数字信号处理器（35)的输出端通过数模转换器（39)与放大器（Op1,...,Opn)的输入端相连。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在减法之前使得参考信号以小于1的系数s减弱。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中在减法之前通过低通滤波器（31，33)对参考信号和平均值信号进行滤波。
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