[發明專利]一種用于生物電信號采集的高性能直流放大裝置

有效

• 申請號: 200910107383.1
• 申請日: 2009-05-21
• 公開（公告）號: CN101889863A
• 公開（公告）日: 2010-11-24
• 發明（設計）人: 向小飛;胡尋橋;孔令峰;邱四海
• 申請（專利權）人: 深圳市理邦精密儀器股份有限公司
• 主分類號: A61B5/0428
• 分類號: A61B5/0428;A61B5/04
• 代理公司: 深圳市港灣知識產權代理有限公司 44258
• 代理人: 張雄哲

技術領域

本發明涉及一種電子測控技術類領域，具體涉及的是微弱生物電信號檢測領域，尤其是涉及的是用于生物電信號采集的高性能直流放大裝置。

背景技術

目前微弱生物電信號檢測，都在強背景干擾和存在病人極化電壓的情況下進行。人體表面生物電信號僅為毫伏級，而極化電壓往往可達到數百毫伏。空間耦合到人體的50/60HZ工頻干擾更可能高達數十伏。另外病人是一個非常復雜的信號源，其等效輸出阻抗、極化電壓常常處于變化狀態。如何準確、快速的獲得干凈的生物電信號，不是一件容易的事情。目前普遍采用的比較復雜的交流放大電路結構，包括緩沖，儀表放大，時間常數電路，多階低通濾波，二級放大、模擬開關、差分電平偏移，模數轉換等多級放大電路結構。由于此類放大電路存在電容隔直，屬于交流放大裝置。由于生物電信號都非常微弱，往往需要放大數百倍以上，才能滿足模數轉換和記錄的需要。由于電極與人體皮膚接觸，存在極化電壓，為了避免放大器飽和，因此普遍放大器的第一級增益都比較小，需要用阻容電路隔離極化電壓后利用第二級放大器再進行放大。由于存在時間常數電路，在病人狀況不穩定時(如肌肉收縮，電極移動等)，導聯上產生的干擾電壓較大，此干擾電壓會造成第一級放大器輸出飽和，進而對電容進行充電。若此時病人狀況恢復穩定(病人極化電壓達到比較小的正常值)，然爾隔直電容上的電荷需要非常長的時間才能釋放完畢，此期間是無法進行ECG信號采集的，在臨床上造成了嚴重的基線漂移。這類交流放大裝置存在以下問題：

1、信號動態范圍小；交流放大裝置的電路，一般增益高達數百倍至數千倍，假設總增益取一典型值1000倍，放大電路的電源電壓以±5V計算，動態范圍僅為±5mV，再考慮到一般運放的非軌至軌特性與失調、溫飄等因素。動態范圍將會更低，而臨床上病人的心電信號幅度完全可能超過±5mV，對幅度大的心電信號，此電路將造成截止失真。因此難以滿足實際臨床測試的需要。

2、放大電路一般包括緩沖級，三運放儀表放大級，RC時間常數電路級，低通濾波電路級，主增益級等多重環節，布線復雜，每一環節都會增加噪聲，因此系統噪聲水平難以控制，一般而言等效輸入噪聲水平達到15uVpp以上。其次所用器件較多，印刷電路板微弱信號走線普遍很長，因此容易受空間干擾源輻射的影響。抗干擾能力不理想。

3、由于放大器增益大，信號動態范圍小，因此臨床應用中，一個微小的信號擾動(如病人肌肉收縮，電極移動)，將非常容易導致放大器飽和。由于時間常數電路的影響，基線恢復將需要非常長的時間。這在臨床心電檢測領域是致命的缺陷，醫生將難以忍受長時間的基線飄移帶來放大器飽和與基線漂移的問題。

4、起搏(PACE)脈沖檢測問題。此問題也是由于交流架構的特性引起。PACE信號可能會很大(極限情況下將達到700mVpp)，由于交流放大電路的動態范圍小，將導致其運放輸出飽和，加上時間常數電路充放電的影響，基線將因此產生很大的漂移。因此交流放大架構難以有效檢測到PACE信號。

5、丟失信號源直流成分以及接近直流信號的交流信號。由于RC時間常數電路參數固定(時間常數典型值為3.2秒)，因此0.05HZ以下的交流信號將被交流放大電路丟棄，無法反應含有信號源重要信息的低頻信號，在ECG測試領域會帶來ST段異常等影響，難以為醫生提供準確不失真的波形。

6、電源電壓高，不利于低功耗。此類交流放大裝置為了保證動態范圍和增益，往往采取比較高的電源電壓，對板卡功耗控制不利，與低功耗低電壓的業內發展趨勢相違背。

發明內容

本發明的目的提供一種采集高性能生物電信號的的裝置，其能有效解決現有的技術難題，還可以大大簡化生物電前端電路的設計，在達到很高的性能的同時又可以保持適中的生產成本。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種用于生物電信號采集的高性能直流放大裝置，其特征在于：包括順序連接的輸入保護/濾波電路10、輸入緩沖電路20、儀表放大電路30、RC低通濾波電路40和模數轉換及外圍電路50以及CPU60，輸入保護/濾波電路10采集生物電信號后輸入至輸入緩沖電路20后，再順序經儀表放大電路30、RC低通濾波電路40和模數轉換及外圍電路50；由CPU60控制模數轉換及外圍電路50工作。工作時首先對生物電信號進行阻抗轉換，然后對生物電信號進行放大后對共模信號進行抑制，再經濾波網絡濾除信號高頻噪聲，由單端轉差分放大器對生物電信號進行第二次放大，并對放大后的生物電信號進行模數轉換得到不失真的生物電信號。