CN110786848B - 一种多生理参数信号单通道采集放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多生理参数信号单通道采集放大器，所述放大器包括：激励信号，为频率相同、相位相反的两路高频方波激励信号；阻抗检测与成型信号叠加电路，通过电阻和电容的配置，满足同时检测第一信号和第二信号时对阻抗的不同要求；共模驱动电路，用于降低器件的阻抗不匹配造成的共模信号转变为差模信号；并联差动放大电路，抑制共模信号；高通低通电路，用于对信号进行滤波处理。本发明的放大器电路简单，成本低廉，功耗低，能实现心电波和呼吸波的长时间动态监测。

Description

一种多生理参数信号单通道采集放大器

技术领域

本发明涉及生理信号检测领域，尤其涉及一种多生理参数信号单通道采集放大器，实现心电信号和阻抗呼吸信号的同步检测。

背景技术

心电信号、脑电信号和呼吸信号等，是反映人体生理机能的重要参数，在人体健康监护方面具有重要的参考价值。该类信号均为微弱信号，易受外界干扰影响，检测困难。随着人们对日常生理健康的关注和信息技术的发展，对于简单、便携、可靠的生理信号检测设备的需求不断加大。

目前，便携式的动态监护仪大多数只能进行心电信号检测，功能单一，结构传统。杨博智设计了心电检测模块^[1]；陈兴武设计了一种便携式心电采集设备^[2]；周子龙提出了基于Android智能手机平台的便携式心电监护仪的设计^[3]，以上几种生物信号检测电路，都有较为复杂的滤波电路和放大电路。

国外也有很多学者对生物信号放大器做了深入研究。如：Elgendi M等^[4]，Pourbabaee B等^[5]，Varatharajan R等^[6]。以上均实现了对生理信号的采集，但大都是在基础电路的基础上应用复杂算法对信号进行分析，在检测电路方面的研究较少。

参考文献：

[1]心电检测模块，申请号：201821088756.6，公开日：2018年11月9日，公开号：CN208065174U。

[2]一种心电检测设备，申请号：201721794868.9，公开日：2018年10月30日，公开号：CN208017490U。

[3]周子龙.基于Android智能手机平台的心电监护仪的设计[D].中南大学,2013

[4]Elgendi M,Mohamed A,Ward R.Efficient ECG Compression and QRSDetection for E-Health Applications[J].Scientific Reports,2017,7(1):459.

[5]Pourbabaee B,Roshtkhari M J,Khorasani K.Deep Convolution NeuralNetworks and Learning ECG Features for Screening Paroxysmal AtrialFibrillatio Patients[J].IEEE Transactions on Systems,Man,and Cybernetics:Systems,2017:1-10.

[6]Varatharajan R,Manogaran G,Priyan M K.A big data classificationapproach using LDA with an enhanced SVM method for ECG signals in cloudcomputing[J].Multimedia Tools and Applications,2017.

发明内容

本发明提供了一种多生理参数信号单通道采集放大器，本发明的放大器电路简单，成本低廉，功耗低，能实现心电波和呼吸波的长时间动态监测，详见下文描述：

一种多生理参数信号单通道采集放大器，所述放大器包括：

激励信号，为频率相同、相位相反的两路高频方波激励信号；

阻抗检测与成型信号叠加电路，通过电阻和电容的配置，满足同时检测第一信号和第二信号时对阻抗的不同要求；

共模驱动电路，用于降低器件的阻抗不匹配造成的共模信号转变为差模信号；

并联差动放大电路，对共模信号有抑制作用；

高通低通电路，用于对信号进行滤波处理。

其中，所述电阻和电容的配置具体为：

当第一信号为心电信号、第二信号为呼吸信号时，电阻R₁取值大于等于5MΩ，电容C₁的电容值小于等于318pF。

进一步地，所述共模驱动电路由电阻R₃和电阻R₄构成，

利用共模驱动输入端输入共模信号时，电阻R₃和电阻R₄以及二者的中点电压处处相等，降低了因器件阻抗不匹配而造成的共模信号转变为差模信号。

其中，所述多生理参数信号为：心电信号、呼吸信号、肌电信号、以及脑电信号。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明采用过采样技术结合成型信号，并使用快速数字解调算法，设计了多生理参数信号单通道采集放大器，利用电阻和电容的合理配置，巧妙地满足了放大器同时检测阻抗呼吸信号和心电信号时，对阻抗呼吸信号的放大倍数要求和对心电信号输入阻抗的要求；

2、本发明具有结构简单、成本低廉、低功耗、小体积，高精度等优点，能实现心电波和呼吸波的长时间动态监测；

3、本发明可实现心电信号、呼吸信号、肌电信号、以及脑电信号的测量。

附图说明

图1为多生理参数信号单通道采集放大器的结构示意图；

图2为多生理参数信号单通道采集放大器的电路原理图；

图3为呼吸检测模型图；

图4为处理后的心电信号示意图；

图5为处理后的呼吸信号示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

多生理参数单通道采集放大器，参见图1，该采集放大器包括：激励信号1、阻抗检测与成型信号叠加电路2、共模驱动电路3、并联差动放大电路4、高通低通电路5、过采样和快速数字锁相电路6。

其中，激励信号1是频率相同、相位相反的两路高频方波激励信号。

阻抗检测与成型信号叠加电路2是利用电阻和电容的合理配置(具体电容与电阻值的选择方法参考实施例3)，使在心电信号检测时其输入阻抗能够满足相关标准，对于阻抗法检测呼吸时呼吸阻抗模值会降低相应的倍数，解决了同时检测多种信号时阻抗和增益的平衡问题。

共模驱动电路3可降低因器件的阻抗不匹配而造成的共模干扰信号转变为差模干扰信号。

并联差动放大电路4对于共模信号有较高的抑制作用，由于单级电路深度负反馈和运放性能的限制，并联差动放大电路不能有太大放大倍数，并联差动放大电路实为二阶并联差动放大电路。

高通低通电路5对于信号进行滤波处理，其中高通电路滤除信号中的低频干扰，低通电路抑制高频噪声干扰使采样满足奈奎斯特采样定理，并可避免频率混叠。

具体实现时，两路高频方波电压激励信号可以由微处理器产生；过采样和快速数字锁相电路6中的过采样由模数转换器实现，快速数字锁相解调由微处理器实现。

实际应用时，二者使用两个处理器实现也可共用一个微处理器，既可产生两路高频方波电压激励信号，也可以实现快速数字锁相解调。

其中，上述提到的微处理器是一种高集成微功耗处理器，成本低廉，操作简单。微处理器可以采用RAM、DSP、MCU、或FPGA中的任意一种。

实施例2

下面结合具体的器件型号对实施例1中的生理参数信号单通道采集放大器进行进一步的描述，详见下文：

本发明实施例中，采用的微处理器为STM32F103RET6；模数转换器ADC为12bit，采样率为200Ksps。

其中，呼吸信号的检测原理如图3所示，图中U_S表示为激励信号，Z_S表示为激励端与人体串联时外加阻抗，U_ecg表示为心电信号(检测到的人体信号中心电信号为主要部分)，Z_d表示为接触电阻及人体各种电阻，Z_r表示为胸阻抗随呼吸变化的电阻。则有：

因为Z_S远大于Z_d和Z_r，所以公式(1)可以简化为：

随着呼吸时胸阻抗Z_r的变化，U_i也会发生变化，进而将呼吸信号加载到U_S输入的激励信号上，即将阻抗呼吸信号与激励信号进行调制，采样后，可通过快速数字锁相算法解调得到阻抗呼吸信号。

其中，阻抗呼吸信号是通过放在胸部的电极片采集得到，同时从电极中得到心电信号，因心电信号的频率范围为0.05～100Hz，与激励信号的频率相差很大，因此对采样得到的信号进行低通滤波就可得到心电信号。因此，实现了单通道放大器对阻抗呼吸信号和心电信号的同步检测。

具体实现时，上述心电信号、呼吸信号还可以为肌电信号、以及脑电信号，根据实际应用中的需要对第一、第二信号进行选择和设定，本发明实施例对此不做限制。

阻抗检测与成型信号叠加电路2是由电阻电容构成，其原理是利用电阻电容的合理配置，使得电容在不同的频率激励下其容抗会有相应的变化，进而平衡同时检测心电信号和呼吸信号时阻抗和增益的平衡问题。

当第一、第二信号又为肌电信号和脑电信号等时，根据实际应用中的需要，在对电阻的阻值和电容的容抗进行合理配置，使其适应多种信号的检测。

并联差动放大电路4由运算放大器构成，对于输入的共模信号，差分放大电路有很好地抑制作用，对于差模信号，差分放大电路放大相应的倍数。

快速数字锁相解调电路中的下抽样点数为4096，因此模数转换器的分辨率等效提高6位，新型单通道多生理参数信号采集放大器的等效分辨率达到18bit，心电信号和呼吸信号能够准确的测量出来。

本发明实施例对个器件的型号除做特殊说明以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

实施例3

多生理参数信号单通道采集放大器的基本原理描述如下，详见图2所示的示意图，首先，该方法的核心在于电阻与电容的合理配置，利用阻抗在不同频率下的模值不同，平衡了同时检测心电和呼吸信号时阻抗和增益的问题。本发明实施例以用微处理器产生两路高频方波电压激励信号、实现快速数字锁相解调为例进行说明，且第一、第二信号分别以心电信号和呼吸信号为例。

微处理器产生两路频率相同、相位相反的高频方波电压激励信号，分别表示为U_S1和U_S2；

其中，电压激励信号是相位完全相反的50KHz高频方波。参考信号为V_ref。

电阻R₁和电容C₁，电阻R₂和电容C₂，构成阻抗检测与成型信号叠加电路。高频激励方波信号经过该电路时，因为电容的存在使得电路的阻抗随频率变化而变化，高频信号通过时阻抗较小，低频信号通过时阻抗较大，解决了同时检测心电和呼吸信号时阻抗和增益的平衡问题。信号经过该电路后与U₁和U₂调制，构成混有激励信号、心电信号和呼吸信号的混叠信号。

其中，阻抗检测原理以图2第①部分的上半部分R₁和C₁与输入激励信号U_S1组成的电路模型为例，假设输入信号U_S1的频率为f，R₁和C₁的容抗为X，则：

则容抗X与电阻R₁并联的总阻抗Z可表示为：

因此，为了同时满足心电和呼吸的检测要求，要对电容C₁选择合适的电容值。心电信号前置放大器的输入阻抗要求不小于2.5MΩ，因电阻R₁与电容C₁为并联关系，因此对电阻R₁取值应大于5MΩ。电容C₁在心电信号的最高频即100Hz时的容抗也不小于5MΩ，因此电容C₁的电容值(激励为50KHz时)由公式(2)可知应小于318pF。因此在激励为50KHz时，电阻R₁的阻值范围为大于等于5MΩ，电容C₁的容值范围为小于等于318pF。

下面对电阻R1和电容C1选择具体值来进行说明：可选则电阻R₁阻值为10MΩ，心电信号频率范围为0.05～100Hz，为了不降低在检测心电信号频率时的容抗，假设在100Hz时电容C₁的容抗为10MΩ则由公式(3)可知，此时电容值为159pF。因此为了使在心电频率时电容C₁的容抗不低于10MΩ，则电容C₁的容值不应高于159pF。实际测试时选择电容C₁容值为150pF，则当电容C₁为150pF时，在激励信号50KHz时，由公式(3)知电容C₁的容抗为21.2KΩ，相比与检测心电信号时的容抗相当于降低了500倍。由公式(2)知Z_S降低500倍则相当于呼吸信号U_i的变化范围扩大了500倍，进而降低了后续电路对于呼吸信号的放大倍数要求。

因此，电容C₁的存在，在没有降低心电信号检测时的输入阻抗要求的同时降低了阻抗呼吸信号检测时对放大器放大倍数的要求。巧妙地平衡了同时检测心电信号和呼吸信号时对于心电检测放大器输入阻抗和放大倍数的要求。

电阻R₃和电阻R₄构成共模驱动电路，当该电路的输入端为共模信号时，该支路上的电压处处相等，为输入的共模电压。则电阻R₃和电阻R₄中点到电阻R₁₀和电阻R₁₁的中点的连线上的电压均为输入的共模电压。因此，用共模信号驱动电容C₄、电容C₅和电阻R₁₀、电阻R₁₁构成高通滤波电器原来接地的一端，使得高通滤波电路输出也为共模信号。也就是电阻R₅、电阻R₆、电阻R₁₀、电阻R₁₁和电容C₃、电容C₄、电容C₅的失配并不会产生“共模变差模的现象”。即共模驱动电路可降低因器件的阻抗不匹配而造成的共模信号转变为差模信号。

电阻R₅、电阻R₆和电容C₃构成低通滤波电路，滤除高频干扰。同时对于高频激励信号有信号转换的功能，可将方波信号转换为三角波或正弦波。

运算放大器A₁、运算放大器A₂和电阻R₇、电阻R₈、电阻R₉构成第一级并联差分放大电路。运算放大器A₃、运算放大器A₄和电阻R₁₂、电阻R₁₃、电阻R₁₄构成第二级差分放大电路。差分放大电路具有高共模抑制比可抑制共模信号放大差模信号。两级差分放大电路共放大100倍，具体实现时，本发明实例对此不作限制。

电容C₄、电容C₅和电阻R₁₀、电阻R₁₁构成高通滤波电路，滤除两级差分放大电路之间的低频干扰。其中电阻R₁₀和电阻R₁₁中点到V_ref的连接线为该高通滤波电路提供偏置电流。

电阻R₁₅、电阻R₁₆和电容C₆构成低通抗混叠滤波电路，滤除高频干扰，使得ADC采样满足奈奎施特采样定律。

ADC采集得到的电压值经快速数字锁相解调算法解调后得到心电波和呼吸波。

实施例4

下面结合具体的实验对实施例1-3中的方案进行可行性验证，详见下文描述：

给被测者贴上电极片，给系统上电，系统开始采集人体信号，并将采集得到的信号传输到电脑上显示，当显示稳定后，保存电脑接收到的数据。

使用MATLAB对得到的数据进行处理：其中图4是处理后得到的心电信号，图5是处理后得到的呼吸信号。

从图4和图5中可以清晰地看出心电信号和呼吸信号，经多组实验可以证明实施例1-3中的方案进行心电信号和呼吸信号的检测方式可行。

其中，上述实验结果显示，本发明实施例提供的多生理参数信号单通道采集放大器具有结构简单、操作便捷、抗干扰性能好等优点，可以测得不同个体的心电信号和呼吸信号。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多生理参数信号单通道采集放大器，其特征在于，所述放大器包括：

激励信号，为频率相同、相位相反的两路高频方波激励信号；

阻抗检测与成型信号叠加电路，由电阻和电容并联构成，通过电阻和电容的配置，满足同时检测第一信号和第二信号时对阻抗的不同要求；使在心电信号检测时其输入阻抗能够满足相关标准，对于阻抗法检测呼吸时呼吸阻抗模值会降低相应的倍数，解决了同时检测多种信号时阻抗和增益的平衡问题；

所述激励信号经由该阻抗检测与成型信号叠加电路后，与电极端检测到的生理信号构成混有激励信号、心电信号和呼吸信号的混叠信号U_i；

U_S表示为激励信号，Z_S表示为激励端与人体串联时外加阻抗，U_ecg表示为心电信号，Z_d表示为接触电阻及人体各种电阻，Z_r表示为胸阻抗随呼吸变化的电阻；

共模驱动电路，用于降低器件的阻抗不匹配造成的共模信号转变为差模信号；

并联差动放大电路，对共模信号有抑制作用；

高通低通电路，用于对信号进行滤波处理。

2.根据权利要求1所述的一种多生理参数信号单通道采集放大器，其特征在于，

所述电阻和电容的配置具体为：

当第一信号为心电信号、第二信号为呼吸信号时，电阻R₁取值大于等于5MΩ，电容C₁的电容值小于等于318pF。

3.根据权利要求1所述的一种多生理参数信号单通道采集放大器，其特征在于，所述共模驱动电路由电阻R₃和电阻R₄构成，

利用共模驱动输入端输入共模信号时，电阻R₃和电阻R₄以及二者的中点电压处处相等，降低了因器件阻抗不匹配而造成的共模信号转变为差模信号。

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