CN108186010A - 一种用于生理电信号检测的有源电极 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生理电信号检测的有源电极，其特征在于，它包括电压跟随基本电路、“虚拟地”反馈电路和独立直流电源三个部分，独立直流电源给电压跟随基本电路和“虚拟地”反馈电路两部分供电；电压跟随基本电路是一个基于运算放大器的电压跟随器，其输入为人体测点电位，并输出电位给后端电路；“虚拟地”反馈电路主要包括一个基于运算放大器的电压跟随器和一个限流电阻，“虚拟地”依次通过电压跟随器和限流电阻反馈至人体体表。该有源电极方案，不增加其与后端电路的连接导线数量，可与现有的面向无源电极的生理电检测设备兼容，检测精度高、不易引入干扰和噪声。

Description

一种用于生理电信号检测的有源电极
技术领域
本申请涉及一种用于生理电信号检测的有源电极。
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，它在生理信号检测特别是可穿戴场合中的应用越来越多。其原因是：有源电极在测点附近由其内置电路实现阻抗转换，其低的输出阻抗可提高检测电路的精度和对环境干扰的鲁棒性，如抑制50Hz或60Hz交流干扰、减弱线缆运动伪迹(cable motion artifacts)等。
背景技术
有源电极，顾名思义，其内置的检测电路需要电源。有源电极的供电可以由后端的检测电路来负责，与后端检测电路共享双极性电源，或者共享单极性电源和地；同时，后端检测电路负责右腿驱动，以保障各有源电极对其输入电位的足够动态响应范围。这种供电方式的优点是：没有增加电极与皮肤接触的复杂性，跟无源电极与皮肤的接触方式相同。它的缺点是：有源电极与后端电路之间的导线数量成倍增加，增加了线缆成本和使用者的不舒适不方便性。
有源电极的另一种供电方式是：有源电极和后端的检测电路分别独立供电，与后端电路不共享电源，比如，每个有源电极可用一个独立的钮扣电池来供电。这种供电方式跟与后端共享电源的方式相比，有源电极连接后端的导线数量有所减少。但是，为了保障有源电极对从体表输入的电位的足够动态响应范围，还必须做一定共“地”处理。
目前，对独立供电的有源电极，人们容易想到的一种共“地”方式是：将有源电极内置电路的“虚拟地”，即其供电电源两端的中点电位点，与后端电路的“虚拟地”，也即后端电路电源两端的中点电位点，相连接；同时，通过右腿驱动电路消减体表共模信号，最终保障各有源电极对体表输入电位的动态响应范围。这种独立电源有源电极共“地”方式，与共享电源有源电极方式相比，连接后端的导线数量虽有所减少，但与无源电极情况相比，每个电极还是增加了1根连接后端电路的共“地”导线。
以上用于生理电信号检测的有源电极方案，不仅都会增加其与后端电路的连接导线数量，而且，这样的有源电极无法与现有的面向无源电极的生理电信号检测系统兼容。
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
发明内容
发明目的。
提出一种用于生理电信号检测的有源电极方案，它不会增加其与后端电路的连接导线数量，而且，基于此方案的有源电极可以与现有的面向无源电极的生理电信号检测系统兼容。
技术方案。
本发明涉及一种用于生理电信号检测的有源电极，其特征在于，它包括电压跟随基本电路、“虚拟地”反馈电路和独立直流电源三个部分，独立直流电源给电压跟随基本电路和“虚拟地”反馈电路两部分供电；电压跟随基本电路是一个基于运算放大器的电压跟随器，其输入为人体测点电位，并输出电位给后端电路；“虚拟地”反馈电路主要包括一个基于运算放大器的电压跟随器和一个限流电阻，“虚拟地”依次通过电压跟随器和限流电阻反馈至人体体表。
以上有源电极技术方案如附图1所示。图1中，V+和V-为直流电源的正负两端；体表测点A处的电位vin输入运算放大器A1，其输出Vout连接至后端电路，构成有源电极的电压跟随基本电路；直流电源正负两端V+和V-的旁路，串接两等值电阻R，则两电阻R中间连接点G的电位为(V++V-)/2，不妨叫电源两端中点电位点，形成“虚拟地”，再将“虚拟地”电位输入基于运算放大器的电压跟随器A2，其输出通过限流电阻r反馈至体表另一点F，构成“虚拟地”反馈电路。
有益效果。
本有源电极技术方案象其他有源电极一样，首先有阻抗变换的作用，将人体高的源阻抗或者说输出阻抗转换为低的输出阻抗，从而减少生理电信号检测中噪声和其他干扰的引入。
与现有的有源电极不同的是：本有源电极为了保障最大的电位输入动态范围，将独立直流电源正负两端的中点电位——“虚拟地”，向前反馈至体表测点附近。这种方案可使解决独立电源浮“地”问题而增加的导线尽量短，自然减小了导线成本，也减少了干扰和噪声的引入，提高了检测精度。特别是，本技术方案在有源电极前端增加一反馈导线的方式，不增加有源电极输出端导线的数量，使有源电极可与之前面向无源电极的生理电信号检测系统兼容。
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，如图2所示。用此系统同步采集两路电压信号，一路为基于无源电极的左臂一点对右臂一点的电压信号——图2中靠近手腕的两电极为无源电极，另一路为基于发明的有源电极的左臂一点对右臂一点的电压信号——图2中远离手腕的两电极为本发明的有源电极。
测试实验一。同步采样率设置为128kHz，对同步采集的两路信号均进行通带为0.05-100Hz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。受试者保持安静、电缆不动。如此采集处理的两路信号结果如图3所示；图3中，上两图分别为基于无源电极的信号波形图和频谱图，下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几乎看不到此项干扰。
测试实验二。同步采样率设置为128kHz，对同步采集的两路信号均进行通带为0.05-35Hz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。采集过程中人为摆动了采集系统电缆数下。如此采集处理的两路信号结果如图4所示；图4中，上两图分别为基于无源电极的信号波形图和频谱图，下两图分别为基于本发明有源电极的信号波形图和频谱图。从图4中可以看出，由于滤波原因检测结果中均不存在50Hz交流电源干扰分量，但有源电极抵抗电缆运动干扰的能力强，而无源电极的检测结果受到了电缆运动的影响。
测试实验三。同步采样率设置为128kHz，对同步采集的两路信号均进行通带为0.5-40Hz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。受试者保持安静、电缆不动。如此采集处理的两路信号结果如图5所示；图5中，上两图分别为基于无源电极的信号波形图和频谱图，下两图分别为基于本发明有源电极的信号波形图和频谱图。从图5中可以看出，基于有源电极采集的信号保真度好，而无源电极的差；比如，两圆圈标注的静息期部位，对应有源电极的信号波形比较平坦，而对应无源电极的信号波形出现了畸变。
附图说明
图1，本发明有源电极电路技术方案示意图
图2，对本方案进行对比性测试实验的场景示意图
图3，对比性测试实验一结果示意图
图4，对比性测试实验二结果示意图
图5，对比性测试实验三结果示意图
图6，按本发明方案实施的一有源电极本体部分示意图
图7，按本发明方案实施的一完整有源电极示意图
实施例
按本发明技术方案，选择器件，按图1电路图画PCB图，并制作，制作的有源电极本体部分如图6所示。实施中，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A1和A2选择了OPA320，两电阻R选择了100kΩ，限流电阻r不失一般性为方便起见选择了0Ω，输入端的一测头和一反馈接头都采用了凹形钮扣，输出端的接头采用了凸形钮扣。将此有源电极的本体部分与两电极贴扣接，则形成了完整的有源电极，如图7所示。此有源电极的输出端凸扣又可以与普通的任意采用凹扣电极的生理电采集系统扣接兼容。

Claims (1)

1.本发明涉及一种用于生理电信号检测的有源电极，其特征在于，它包括电压跟随基本电路、“虚拟地”反馈电路和独立直流电源三个部分，独立直流电源给电压跟随基本电路和“虚拟地”反馈电路两部分供电；电压跟随基本电路是一个基于运算放大器的电压跟随器，其输入为人体测点电位，并输出电位给后端电路；“虚拟地”反馈电路主要包括一个基于运算放大器的电压跟随器和一个限流电阻，“虚拟地”依次通过电压跟随器和限流电阻反馈至人体体表。
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