CN108618751A - 一种可穿戴生物电信号共模干扰消除的装置及方法 - Google Patents

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CN108618751A CN201710173494.7A CN201710173494A CN108618751A CN 108618751 A CN108618751 A CN 108618751A CN 201710173494 A CN201710173494 A CN 201710173494A CN 108618751 A CN108618751 A CN 108618751A
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Abstract

本发明提出了一种可穿戴生物电信号共模干扰消除的装置及方法。该装置包括电容C1、电容C2、电容C3或电阻R1与电阻R2、电容C4、电容C5、高阻电路A、高阻电路B、共模信号获取单元、共模信号处理单元和共模信号消除单元。本发明的显著特征在于：通过两条可选的共模信号获取路径，在可穿戴生物电检测电路输入端通过匹配来消除共模干扰，可有效解决右腿驱动方法中电极面积大，驱动电路易饱和等不足，且可以很好地解决输入耦合电容差异引起的伪差模信号输入影响生物电信号检测问题。

Description

一种可穿戴生物电信号共模干扰消除的装置及方法
技术领域
本发明涉及生物电信号共模干扰消除的装置与方法，特别涉及一种可穿戴生物电信号共模干扰消除的装置及方法。
背景技术
生物电(0.01Hz—200Hz，0.05mV—30mV)信号的检测方式有接触式和非接触式两大类，其中接触式又分为湿性接触和干性接触。可穿戴生物电信号的检测方式主要为干性接触和非接触两种，且两种检测方式都可以等效成电容耦合方式。其中，干性接触式的输入耦合电容为纳法量级，非接触式的输入耦合电容为皮法量级。被测生物体受到电网形成的交流电场作用会在生物体体表产生交流电位，这个电位在体表各部分是相同的，是一个共模干扰。共模干扰大小通常能达到几伏，远大于待检测的生物电信号毫伏或微伏幅度，这对生物电检测电路和后端处理电路的共模抑制比提出了很高要求。
生物电信号一般以差分方式来检测，生物电检测电路中通常使用仪用放大器来降低共模干扰。仪用放大器对整个电路元器件的匹配度要求很高，通常能实现的共模抑制比有限，且只能对输入端的共模干扰进行消除。在可穿戴生物电信号检测中，尤其是以非接触方式检测生物电信号时，会不可避免地存在输入耦合电容差异，此时，仪用放大器两输入端的原本共模干扰会变为伪差模信号，经仪用放大器后该信号依然存在，这将影响输出端有用生物电信号检测，此时采用提高电路共模抑制比的方法无法很好解决该问题。
在生物电检测中，通常采用增加右腿驱动来进一步降低共模干扰。此种方式通过电阻网络取出平均共模信号送入右腿驱动放大器，又通过右腿驱动电极将反相放大后的共模信号耦合到生物体体表，通过降低体表本身共模干扰大小来进一步降低检测电路输出端共模干扰。实际检测中，尤其是非接触生物电信号检测中，因为共模干扰幅度很大，该方法通常需要较大的右腿驱动电极面积以及很高的放大器反馈增益才能有效的降低共模干扰。很大的反馈电极对于可穿戴生物电信号检测应用是不利的，较大的增益容易引起驱动电路饱和，并且该方法无法很好地解决输入耦合电容差异引起的伪差模信号输入问题。
中国专利CN104720786A通过在每个生物电采集电路后设置工频陷波器，同时通过右腿驱动电路以及将单端输入信号转换为差分输出信号来降低共模干扰。中国专利CN101809863A通过模数转换器将输入端生物电模拟信号转变为数字信号，提取其中的共模信号，再由数模转换为模拟信号输回输入端。以上两种技术通过多种方法并用可以减缓右腿驱动电路电极面积和驱动电路饱和问题，但依然无法很好地解决输入耦合电容差异引起的伪差模信号输入问题，且存在电路复杂，信号时延等不足。综上所述，现有技术中常使用的右腿驱动方法存在电极面积大，驱动电路易饱和等不足，且无法很好地解决输入耦合电容差异引起的伪差模信号输入影响生物电信号检测的问题。为此，需要一种可穿戴生物电信号共模干扰消除的新技术。
发明内容
为了克服上述现有技术中的不足，本发明提出一种在可穿戴生物电检测电路输入端通过匹配来消除共模干扰的装置及方法。
为实现上述发明目的，本发明提出的技术方案为：
一种可穿戴生物电信号共模干扰消除装置，该装置包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、高阻电路A、高阻电路B、共模信号获取单元、共模信号处理单元和共模信号消除单元；所述电容C3、电容C4和电容C5均为非接触耦合电容，它们的一端连接生物体体表生物电信号，另一端为电极；所述电容C4的电极端连接到所述高阻电路A的输入端，所述电容C5的电极端连接到所述高阻电路B的输入端，所述电容C3的电极端连接到共模信号获取单元输入端；所述共模信号获取单元的输出端与所述共模信号处理单元的输入端相连，所述共模信号处理单元的输出端与所述共模信号消除单元的输入端相连；所述电容C1的一端连接到所述共模信号消除单元输出端，另一端连接到所述高阻电路A输入端；所述电容C2的一端连接到所述共模信号消除单元输出端，另一端连接到所述高阻电路B输入端；所述共模信号获取单元获取生物体体表含有共模干扰的生物电信号，所述共模信号处理单元获取所述生物电信号的共模干扰信号并使得其相位反相，所述共模信号消除单元调节反相的共模干扰信号幅值。
进一步地，所述共模信号获取单元包括高阻电路C，所述高阻电路C的输入端连接到所述电容C3的电极端，输出端连接到所述共模信号处理单元的输入端。
本发明另外一种可穿戴生物电信号共模干扰消除装置，该装置包括电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、电容C4、电容C5、高阻电路A、高阻电路B、共模信号获取单元、共模信号处理单元和共模信号消除单元；所述电容C4和电容C5均为非接触耦合电容，它们的一端连接生物体体表生物电信号，另一端为电极；所述电容C4的电极端连接到所述高阻电路A的输入端，所述电容C5的电极端连接到所述高阻电路B的输入端；所述电阻R1的一端连接到所述共模信号获取单元输入端，另一端连接到所述高阻电路A输出端，所述电阻R2的一端连接到所述共模信号获取单元输入端，另一端连接到所述高阻电路B输出端；所述共模信号获取单元的输出端与所述共模信号处理单元的输入端相连，所述共模信号处理单元的输出端与所述共模信号消除单元的输入端相连；所述电容C1的一端连接到所述共模信号消除单元输出端，另一端连接到所述高阻电路A输入端；所述电容C2的一端连接到所述共模信号消除单元输出端，另一端连接到所述高阻电路B输入端；所述共模信号获取单元获取生物体体表含有共模干扰的生物电信号，所述共模信号处理单元获取所述生物电信号的共模干扰信号并使得其相位反相，所述共模信号消除单元调节反相的共模干扰信号幅值。
进一步地，所述共模信号获取单元包括电压跟随器，所述电压跟随器输入端与所述电阻R1和电阻R2的一端相连，所述电阻R1另一端与所述高阻电路A输出端相连，所述电阻R2另一端与所述高阻电路B输出端相连。
所述共模信号处理单元包括带通滤波电路和反相放大电路，所述带通滤波电路的输入端与共模信号获取单元的输出端相连，所述带通滤波电路的输出端与反相放大电路的输入端相连，所述反相放大电路的输出端与共模消除单元的输入端相连。
所述共模信号消除单元包括增益调节电路，所述增益调节电路的输入端与所述共模信号处理单元的输出端相连，所述增益调节电路的输出端与所述电容C1和电容C2的一端相连。
本发明的一种可穿戴生物电信号共模干扰消除的方法，包括如下步骤：
(1)共模信号获取：获取生物电信号的共模干扰信号，可以利用高阻电路从生物体体表获得共模干扰信号，或者从检测生物电的高阻电路输出端获得共模干扰信号；
(2)共模信号处理：对步骤(1)获得的共模干扰信号进行处理，产生消除共模干扰所需的共模干扰消除信号；
(3)共模信号消除：将步骤(2)中产生的共模干扰消除信号经过增益调节后通过电容接入到高阻电路的输入端；
(4)共模信号消除确认：获取高阻电路的输出信号，检测经步骤(3)后高阻电路输出端的共模信号分量，如果共模信号分量消除程度不够，则重复步骤(3)至(4)直到满足要求。
可穿戴生物电检测电路输入端共模干扰过大以及输入耦合电容不匹配导致的伪差模信号是难以有效消除生物电共模干扰而获得高质量生物电信号的两个主要原因。本发明的显著特征在于：通过两条可选的共模信号获取路径，在可穿戴生物电检测电路输入端通过匹配来消除共模干扰，可有效解决右腿驱动方法中电极面积大，驱动电路易饱和等不足，且可以很好地解决输入耦合电容差异引起的伪差模信号输入影响生物电信号检测问题。
附图说明
图1为本发明可穿戴生物电信号共模干扰消除装置示意图；
图2为本发明实例1的实施结构图；
图3为本发明实例2的实施结构图；
图4为本发明实例3的实施结构图；
图5为本发明实例4的实施结构图。
具体实施方式
为使本发明所提技术方案更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述和介绍。
参见附图1，本发明一种可穿戴生物电信号共模干扰消除装置包括电容C1、电容C2、电容C3或电阻R1与电阻R2、电容C4、电容C5、高阻电路A、高阻电路B、共模信号获取单元、共模信号处理单元、共模信号消除单元；电容C4和C5为非接触耦合电容，其一端连接生物体体表生物电信号，另一端为电极，电容C4的电极端连接到所述高阻电路A的输入端，电容C5的电极端连接到所述高阻电路B的输入端；共模信号获取单元的输出端与共模信号处理单元的输入端相连；共模信号处理单元的输出端与共模信号消除单元的输入端相连；电容C1的一端连接到共模信号消除单元输出端，另一端连接到高阻电路A输入端；电容C2的一端连接到共模信号消除单元输出端，另一端连接到高阻电路B输入端。
该装置有两个共模信号获取路径可选：共模信号获取路径1或共模信号获取路径2。当选用共模信号获取路径1时，共模信号获取路径1从生物体体表获得共模信号，共模信号获取路径1包括电容C3，电容C3为非接触耦合电容，其一端连接生物体体表生物电信号，另一端为电极，电容C3的电极端连接到共模信号获取单元输入端；当选用共模信号获取路径2时，共模信号获取路径2从高阻电路A或高阻电路B的输出端处获得共模信号，共模信号获取路径2包括电阻R1和电阻R2，电阻R1的一端连接到共模信号获取单元输入端，另一端连接到高阻电路A输出端，电阻R2的一端连接到共模信号获取单元输入端，另一端连接到高阻电路B输出端。
本发明实施例中，包括：工频干扰耦合电路模型，用于表述工频干扰在生物体体表形成的共模干扰；上述的可穿戴生物电信号共模干扰消除装置，用于消除生物电信号检测电路共模干扰。发明实施例中，将分别描述共模信号获取路径1，共模信号获取路径2情况下生物电信号共模干扰的抑制。
实施例1
参见附图2，采取共模信号获取路径1来消除生物电信号检测电路输入端的共模干扰，该实施例中不考虑输入耦合电容C4和C5的差异。工频干扰耦合电路模型包括电容C6、电容C7、工频交流干扰源VS、信号地、大地和被测生物体。在该工频干扰耦合电路模型中，被测生物体与工频交流干扰源VS之间存在耦合电容C6，与大地之间存在耦合电容C7，工频交流干扰源VS在被测生物体体表产生交流电位VCM，这个电位在体表各部分可认为是相同的，其大小通常比待检测的生物电信号高3个数量级，是一个很大的共模干扰。工频干扰耦合电路模型中检测电路的信号地与大地之间存在耦合电容C8。
可穿戴生物电信号共模干扰消除装置，包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、高阻电路A、高阻电路B、共模信号获取单元、共模信号处理单元、共模信号消除单元、共模信号获取路径1。共模信号获取路径1通过电容C3从生物体体表获得共模信号；共模信号获取单元包括高阻电路C，高阻电路C的输入端连接到电容C3的电极端，其输出端连接到共模信号处理单元的输入端，将获得的含有共模信号分量的生物电信号传输给共模信号处理单元；共模信号处理单元包括带通滤波电路和反相放大电路，产生共模干扰消除信号，其中，带通滤波电路用来滤除生物电信号，提取共模干扰，反相放大电路用于将共模信号反相处理；共模信号消除单元包括一个增益调节电路，增益调节电路输出端与电容C1和电容C2的共同连接端相连，电容C1的另一端与高阻电路A的输入端V1相连，电容C2的另一端与高阻电路B的输入端V2相连，由于信号反相叠加在电路输入端V1和V2处，从而使得高阻电路输入端V1和V2变小，达到在高阻电路A和高阻电路B的输入端消除共模干扰的目的。
该实施例中，电容C3为电容耦合装置的等效电容，可以采用现有技术中常用的电容耦合装置实现从生物体表获得共模信号。共模信号处理单元中的带通滤波器建议采用高品质因数，中心频率为工频干扰的同相带通滤波器，用于滤除生物电信号，仅提取共模干扰。共模信号消除单元中的增益调节电路，其增益调节可以是手动调节也可以是自动调节，目的是通过增益调节匹配电容C3获取的共模干扰大小，电容C4和C5耦合的共模干扰大小以及电容C4与电容C1,电容C5与电容C2的比值关系，实现高阻电路输入端V1和V2共模干扰的最大程度消除。通过该装置和方法，电容C3可以取值较小，电路增益可取值较小，可有效解决右腿驱动方法电极面积大，驱动电路易饱和等不足，但该实施例尚不能解决输入耦合电容C4和C5差异引起的伪差模信号输入影响生物电信号检测问题。
实施例2
参见附图3，采取共模信号获取路径1来消除生物电信号检测电路输入端的共模干扰，该实施例中考虑输入耦合电容C4和C5的差异。工频干扰耦合电路模型、共模信号获取路径1、共模信号获取单元，共模信号处理单元同实施例1，共模信号消除单元更改为包括两个增益调节电路，增益调节电路A和增益调节电路B，增益调节电路A的输入端和增益调节电路B的输入端均与反相放大电路的输出端相连，增益调节电路A的输出端VN1与电容C1的一端相连，电容C1的另一端与所述高阻电路A输入端V1相连，增益调节电路B的输出端VN2与电容C2的一端相连，电容C2的另一端与所述高阻电路B输入端V2相连，两个增益调节电路增益调节可以是手动调节也可以是自动调节。
该实施例中，通过调整增益调节电路A的增益可以匹配电容C3获取的共模干扰大小，电容C4耦合的共模干扰大小以及电容C4与电容C1的比值关系，实现高阻电路输入端V1共模干扰的最大程度消除；通过调整增益调节电路B的增益可以匹配电容C3获取的共模干扰大小，电容C5耦合的共模干扰大小以及电容C5与电容C2的比值关系，实现高阻电路输入端V2共模干扰的最大程度消除。通过该装置和方法，不仅电容C3可以取值较小，电路增益也可取值较小，可有效解决右腿驱动方法电极面积大，驱动电路易饱和等不足，同时两个增益调节电路独立调整增益能有效解决输入耦合电容C4和C5差异引起的伪差模信号输入影响生物电信号检测问题。
实施例3
参见附图4，采取共模信号获取路径2来消除生物电信号检测电路输入端的共模干扰，该实施例中不考虑输入耦合电容C4和C5的差异。工频干扰耦合电路模型同实施例1。可穿戴生物电信号共模干扰消除装置，包括电容C1、电容C2、电容C4、电容C5、电阻R1、电阻R1、高阻电路A、高阻电路B、共模信号获取单元、共模信号处理单元、共模信号消除单元、共模信号获取路径2。共模信号获取路径2中，共模信号获取单元输入端分别通过电阻R1和电阻R2连接高阻电路A的输出端VA和高阻电路B的输出端VB而获取平均共模信号；共模信号获取单元包括电压跟随器，将获得的平均共模信号传输给共模信号处理单元；共模信号处理单元包括反相放大电路，产生共模干扰消除信号；所述共模信号消除单元包括一个增益调节电路增益调节电路输出端VN与电容C1和电容C2的共同连接端相连，电容C1的另一端与所述高阻电路A的输入端V1相连，电容C2的另一端与高阻电路B的输入端V2相连，由于信号反相叠加在电路输入端V1和V2处，从而使得高阻电路输入端V1和V2变小，达到在高阻电路A和高阻电路B的输入端消除共模干扰的目的。
该实施例中，共模信号消除单元中的增益调节电路，其增益调节可以是手动调节也可以是自动调节，目的是通过增益调节匹配电阻R1和电阻R2获取的共模干扰大小，电容C4和C5耦合的共模干扰大小以及电容C4与电容C1,电容C5与电容C2的比值关系，实现高阻电路输入端V1和V2共模干扰的最大程度消除。通过该装置和方法，无需增加额外的体表耦合电极，便能消除共模干扰，但该实施例尚不能解决输入耦合电容C4和C5差异引起的伪差模信号输入影响生物电信号检测问题。
实施例4
参见附图5，采取共模信号获取路径2来消除生物电信号检测电路输入端的共模干扰，该实施例中考虑输入耦合电容C4和C5的差异。工频干扰耦合电路模型同实施例1，共模信号获取路径2更改为电压跟随器A输入端通过电阻R1与高阻电路A的输出端VA相连，电压跟随器B的输入端通过电阻R2与高阻电路B的输出端VB相连，分别从高阻电路输出端获得独立的含有共模信号分量的生物电信号；共模信号获取单元更改为包括两个电压跟随器，电压跟随器A和电压跟随器B，将获得的含有共模信号分量的生物电信号分别传输给共模信号处理单元；共模信号处理单元更改为包括两个带通滤波电路和两个反相放大电路，带通滤波电路A、带通滤波电路B、反相放大电路A和反相放大电路B，产生独立的共模干扰消除信号；共模信号消除单元更改为包括两个增益调节电路，增益调节电路A和增益调节电路B，增益调节电路A输入端与反相放大电路A输出端相连，增益调节电路A输出端VN1与电容C1一端相连，电容C1另一端与高阻电路A输入端V1相连，增益调节电路B输入端与反相放大电路B输出端相连，增益调节电路B输出端VN2与电容C2一端相连，电容C2另一端与高阻电路B输入端V2相连，两个增益调节电路的增益调节可以是手动调节也可以是自动调节。
该实施例中，共模信号处理单元中的带通滤波器建议采用高品质因数，中心频率为工频干扰的同相带通滤波器,用于滤除生物电信号，仅提取共模干扰。通过调整增益调节电路A的增益可以匹配R1和电压跟随器A获取的共模干扰大小，电容C4耦合的共模干扰大小以及电容C4与电容C1的比值关系，实现高阻电路输入端V1共模干扰的最大程度消除；通过调整增益调节电路B的增益可以匹配R2和电压跟随器B获取的共模干扰大小，电容C5耦合的共模干扰大小以及电容C5与电容C2的比值关系，实现高阻电路输入端V2共模干扰的最大程度消除。通过该装置和方法，不仅无需增加额外的体表耦合电极，同时两个增益调节电路独立调整增益能有效解决输入耦合电容C4和C5差异引起的伪差模信号输入影响生物电信号检测问题。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所做出的等同变换或替换均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (9)

1.一种可穿戴生物电信号共模干扰消除装置，其特征在于，该装置包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、高阻电路A、高阻电路B、共模信号获取单元、共模信号处理单元和共模信号消除单元；所述电容C3、电容C4和电容C5均为非接触耦合电容，它们的一端连接生物体体表生物电信号，另一端为电极；所述电容C4的电极端连接到所述高阻电路A的输入端，所述电容C5的电极端连接到所述高阻电路B的输入端，所述电容C3的电极端连接到共模信号获取单元输入端；所述共模信号获取单元的输出端与所述共模信号处理单元的输入端相连，所述共模信号处理单元的输出端与所述共模信号消除单元的输入端相连；所述电容C1的一端连接到所述共模信号消除单元输出端，另一端连接到所述高阻电路A输入端；所述电容C2的一端连接到所述共模信号消除单元输出端，另一端连接到所述高阻电路B输入端；所述共模信号获取单元获取生物体体表含有共模干扰的生物电信号，所述共模信号处理单元获取所述生物电信号的共模干扰信号并使得其相位反相，所述共模信号消除单元调节反相的共模干扰信号幅值。
2.根据权利要求1所述的一种可穿戴生物电信号共模干扰消除装置，其特征在于，所述共模信号获取单元包括高阻电路C，所述高阻电路C的输入端连接到所述电容C3的电极端，输出端连接到所述共模信号处理单元的输入端。
3.一种可穿戴生物电信号共模干扰消除装置，其特征在于，该装置包括电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2、电容C4、电容C5、高阻电路A、高阻电路B、共模信号获取单元、共模信号处理单元和共模信号消除单元；所述电容C4和电容C5均为非接触耦合电容，它们的一端连接生物体体表生物电信号，另一端为电极；所述电容C4的电极端连接到所述高阻电路A的输入端，所述电容C5的电极端连接到所述高阻电路B的输入端；所述电阻R1的一端连接到所述共模信号获取单元输入端，另一端连接到所述高阻电路A输出端，所述电阻R2的一端连接到所述共模信号获取单元输入端，另一端连接到所述高阻电路B输出端；所述共模信号获取单元的输出端与所述共模信号处理单元的输入端相连，所述共模信号处理单元的输出端与所述共模信号消除单元的输入端相连；所述电容C1的一端连接到所述共模信号消除单元输出端，另一端连接到所述高阻电路A输入端；所述电容C2的一端连接到所述共模信号消除单元输出端，另一端连接到所述高阻电路B输入端；所述共模信号获取单元获取生物体体表含有共模干扰的生物电信号，所述共模信号处理单元获取所述生物电信号的共模干扰信号并使得其相位反相，所述共模信号消除单元调节反相的共模干扰信号幅值。
4.根据权利要求3所述的一种可穿戴生物电信号共模干扰消除装置，其特征在于，所述共模信号获取单元包括电压跟随器，所述电压跟随器输入端与所述电阻R1和电阻R2的一端相连，所述电阻R1另一端与所述高阻电路A输出端相连，所述电阻R2另一端与所述高阻电路B输出端相连。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种可穿戴生物电信号共模干扰消除装置，其特征在于，所述共模信号处理单元包括带通滤波电路和反相放大电路，所述带通滤波电路的输入端与共模信号获取单元的输出端相连，所述带通滤波电路的输出端与反相放大电路的输入端相连，所述反相放大电路的输出端与共模消除单元的输入端相连。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的一种可穿戴生物电信号共模干扰消除装置，其特征在于，所述共模信号消除单元包括增益调节电路，所述增益调节电路的输入端与所述共模信号处理单元的输出端相连，所述增益调节电路的输出端与所述电容C1和电容C2的一端相连。
7.根据权利要求6所述的一种可穿戴生物电信号共模干扰消除装置，其特征在于，所述增益调节电路的增益调节为手动调节或者自动调节。
8.一种可穿戴生物电信号共模干扰消除的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)共模信号获取：获取生物电信号的共模干扰信号；
(2)共模信号处理：对步骤(1)获得的共模干扰信号进行处理，产生消除共模干扰所需的共模干扰消除信号；
(3)共模信号消除：将步骤(2)中产生的共模干扰消除信号经过增益调节后通过电容接入到高阻电路的输入端；
(4)共模信号消除确认：获取高阻电路的输出信号，检测经步骤(3)后高阻电路输出端的共模信号分量，如果共模信号分量消除程度不够，则重复步骤(3)至(4)直到满足要求。
9.根据权利要求8所述的一种可穿戴生物电信号共模干扰消除的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，利用高阻电路从生物体体表获得共模干扰信号，或者从检测生物电的高阻电路输出端获得共模干扰信号。
CN201710173494.7A 2017-03-22 2017-03-22 一种可穿戴生物电信号共模干扰消除的装置及方法 Active CN108618751B (zh)

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