便攜式人體生物電信號傳感器的研究與設計.pdf

1、人體的生物電信號(Bio-potential)與人體的許多功能密切相關，廣泛應用于臨床診斷、監(jiān)護以及疾病預防等方面。但是由于人體生物電的幅值十分微弱，同時存在的各種干擾信號幅值往往很大，因此要準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步驟將人體生物電信號轉變?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?，經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備與腦-機接口(Brain Computer Interface，BCI)領域的研究與應用在國內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用。為了盡可能的減少環(huán)境限制，擴大人體生物電信號的使用范圍，設計一種體積小、功耗低、放大倍數(shù)高的新型生物電傳感放大設備顯得十分

3、必要。其中新型電極和新型的前置運放的設計又是其中研究的重點。
　　 傳統(tǒng)的濕電極在使用時需要去除皮膚角質層并且添加額外的導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)，而國內尚無較好的產品。
　　 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計的。而生物電的新型應用往往是處在人體運動狀態(tài)下或者惡劣的電磁環(huán)境下，因此，新型放大電路應該具備抗干擾、噪聲低、功耗低、電源穩(wěn)等特點。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、電路相結合。
　　 本文的主要工作是設計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)的設計。對于電極的設計，針對實際情況與成本控制，本文選擇了較易實現(xiàn)的有源電極方案，整個電極選用直徑為1mm的純銀線與低成本的集成運放TLC272制作。對于前置放大電路的設計，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倍從而降低了整個系統(tǒng)的噪聲水平;利用右腿驅動電路(Driven Right Legcircuit，DRL)將人體電勢驅動到供電電壓的一半以滿足單電源供電的需要。整個生物電傳感裝置較好地解決了電極阻抗不匹配產生的分壓效應問題，充分抑制并減小了共模電壓。整個模擬電路部分的設計采用仿真分析輔助實際電路實踐驗證的方法，即先在計算機中應用Pspice軟件模擬分析，然后再實際搭建電路驗證軟

7、件模擬結果，取得了較好的效果。Pspice仿真實驗表明: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共模抑制比可達到120dB以上，能夠將μⅤ級的信號放大至10000倍（受電源電壓限制）。在實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準Ⅰ導聯(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)生器內建的心電信