便攜式人體生物電信號傳感器的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、人體的生物電信號(Bio-potential)與人體的許多功能密切相關(guān)，廣泛應(yīng)用于臨床診斷、監(jiān)護(hù)以及疾病預(yù)防等方面。但是由于人體生物電的幅值十分微弱，同時(shí)存在的各種干擾信號幅值往往很大，因此要準(zhǔn)確的獲得生物電信號必須通過專門的生物電傳感器。生物電傳感器一般是通過兩個(gè)步驟將人體生物電信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐分须娦盘柕?首先電極收集淹沒于各種噪聲與干擾中的人體表面的微弱電勢變化，然后將檢測到的電勢變化傳輸?shù)椒糯箅娐?，?jīng)過放大器電路濾除各種噪聲和干擾并

2、且放大我們需要的微弱人體生物電信號，從而得到可供肉眼觀察的電勢變化波形。
　　 目前生物電在便攜式設(shè)備與腦-機(jī)接口(Brain Computer Interface，BCI)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用在國內(nèi)外掀起了一陣研究熱潮。但是由于傳統(tǒng)的人體生物電傳感設(shè)備體積較大并且需要較為苛刻的使用環(huán)境，不能滿足這些場合的應(yīng)用。為了盡可能的減少環(huán)境限制，擴(kuò)大人體生物電信號的使用范圍，設(shè)計(jì)一種體積小、功耗低、放大倍數(shù)高的新型生物電傳感放大設(shè)備顯得十分

3、必要。其中新型電極和新型的前置運(yùn)放的設(shè)計(jì)又是其中研究的重點(diǎn)。
　　 傳統(tǒng)的濕電極在使用時(shí)需要去除皮膚角質(zhì)層并且添加額外的導(dǎo)電膏和固定膠帶才能得到較好的信號，這樣既不方便也不令人舒適從而限制了生物電的應(yīng)用范圍。對于新型電極的研究主要是為了克服傳統(tǒng)濕電極的不足，即固定方便并且無需額外的預(yù)處理。其典型的代表有源電極(Active Electrodes)和干電極(Dry Electrode)。國外如Biosemi公司、Nuroscan等

4、公司都有自己專利的電極以及配套系統(tǒng)，而國內(nèi)尚無較好的產(chǎn)品。
　　 傳統(tǒng)的前置放大電路一般是針對臨床條件下或者使用者靜止的情況下設(shè)計(jì)的。而生物電的新型應(yīng)用往往是處在人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下或者惡劣的電磁環(huán)境下，因此，新型放大電路應(yīng)該具備抗干擾、噪聲低、功耗低、電源穩(wěn)等特點(diǎn)。針對這些要求，新型前置放大電路的研究主要尋求三方面的突破:其一，進(jìn)一步提電路的抗干擾能力;其二，尋求一種可靠的低功耗的電池供電方案;其三，能夠方便地與新型電極以及后續(xù)數(shù)字

5、電路相結(jié)合。
　　 本文的主要工作是設(shè)計(jì)了一種新型的生物電傳感采集顯示方案，包括電極、前置放大電路以及后續(xù)數(shù)字采集顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對于電極的設(shè)計(jì)，針對實(shí)際情況與成本控制，本文選擇了較易實(shí)現(xiàn)的有源電極方案，整個(gè)電極選用直徑為1mm的純銀線與低成本的集成運(yùn)放TLC272制作。對于前置放大電路的設(shè)計(jì)，本文選用儀表放大器AD623與TLC1078/1079兩種低功耗芯片以保證整個(gè)電路的低功耗水平;采用Spinelli等人提出的AC耦合方

6、法，使得作為第一級放大的儀表放大器AD623能夠放大1000倍從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的噪聲水平;利用右腿驅(qū)動(dòng)電路(Driven Right Legcircuit，DRL)將人體電勢驅(qū)動(dòng)到供電電壓的一半以滿足單電源供電的需要。整個(gè)生物電傳感裝置較好地解決了電極阻抗不匹配產(chǎn)生的分壓效應(yīng)問題，充分抑制并減小了共模電壓。整個(gè)模擬電路部分的設(shè)計(jì)采用仿真分析輔助實(shí)際電路實(shí)踐驗(yàn)證的方法，即先在計(jì)算機(jī)中應(yīng)用Pspice軟件模擬分析，然后再實(shí)際搭建電路驗(yàn)證軟

7、件模擬結(jié)果，取得了較好的效果。Pspice仿真實(shí)驗(yàn)表明:該方案比其他幾種類型的放大方案具有更寬的頻帶和更高放大增益，其50Hz共模抑制比可達(dá)到120dB以上，能夠?qū)ⅵ挞跫壍男盘柗糯笾?0000倍（受電源電壓限制）。在實(shí)際電路的心電信號采集的測試中（放大1000倍），能夠在沒有任何皮膚處理的情況下，通過普通示波器觀察到清晰明顯的標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ導(dǎo)聯(lián)下的心電波形。對于腦電信號采集測試中（放大10000倍），采用DG1011型函數(shù)信號發(fā)生器內(nèi)建的心電信