一种二阶带反馈生理电检测有源电极制造技术

一种二阶带反馈生理电检测有源电极，其特征在于，包括一个二阶高通滤波放大电路[A1][R1][R2][R3][R4][Ceq][C]，“虚拟地”反馈电路[A2][Rv1][Rv2]以及电源[V

【技术实现步骤摘要】
一种二阶带反馈生理电检测有源电极
本申请涉及一种二阶带反馈生理电检测有源电极。生理电信号指心电、脑电、肌电等携带生理信息的电信号。有源电极(ActiveElectrodes，AE)，即内置有一些检测电路的电极，目前它在生理电信号检测特别是可穿戴场合中的应用越来越多。其优点主要是有源电极在测点附近由其内置电路实现阻抗转换，其高输入阻抗和低输出阻抗，可提高生理电信号检测的灵敏度、抑制50Hz或60Hz的工频干扰、减弱线缆运动伪迹(cablemotionartifacts)等。
技术介绍
有源电极顾名思义，即内置有需要电源的检测电路的电极。将人体引出的信号接入一个电压跟随器实现阻抗转换，就可构成一个简单的有源电极；为了减小电流噪声的影响，也经常通过运算放大器加偏置电路来构成有源电极电路，如附图2所示。电极与人体之间可以近似看成通过一个电容耦合，现有的有源电极解决方案，通常在运算放大器周边只有较少的阻容元件构成偏置电路，有源电极的传递函数相当于一个一阶高通滤波器。由于有源电极的输入阻抗一般很高，高通的截止频率本来就不高，此时，一阶的高通滤波器意味着，滤波器的过渡段比较宽，阻带的衰减特性不是太好，造成有源电极在抑制低频漂移方面的性能不理想。参考文献：1.JiaweiXu，SrinjoyMitra，ChrisVanHoof，RefetFiratYaziciogluandKofiA.A.Makinwa，ActiveElectrodesforWearableEEGAcquisition：ReviewandElectronicsDesignMethodology，DOI10.1109/RBME.2017.2656388，IEEEReviewsinBiomedicalEngineering2.刘红星屈永东刘乐司峻峰：一种用于生理电信号检测的有源电极，201810180948.8，申请日201803023.刘红星刘乐屈永东司峻峰：一种面向有源电极的多功能心电检测肢体夹，201810370809.1申请日201804244.刘红星屈永东刘乐：一种生理电检测用屏蔽有源电极，201811199712.5，申请日，申请日2018年10月11日
技术实现思路
专利技术目的。提出一个相当于二阶高通滤波器的有源电极解决方案，使其具有更好的低频截止特性，即窄的过渡带、大的阻带衰减，以提高有源电极抑制低频漂移的能力。技术方案。一种二阶带反馈生理电检测有源电极，其特征在于，包括一个二阶高通滤波放大电路[A1][R1][R2][R3][R4][Ceq][C]，“虚拟地”反馈电路[A2][Rv1][Rv2]以及电源[]和[]，其中电容[Ceq]表示人体与电极之间的等效耦合电容，[Rv1][Rv2]为两等值电阻；电源[]和[]分别连至运算放大器[A1][A2]的正负电源端为二者供电；体表测点电位[Vin]通过两电容[Ceq][C]串联至运算放大器[A1]的输入同相端[+]，运算放大器[A1]的输出[Vout]通过电阻[R2]反馈至两电容[Ceq][C]之间，运算放大器[U1]的输出[Vout]通过电阻[R4]反馈至其输入反相端[-]，运算放大器[A1]的输入同相端[+]通过[R1]连接至运算放大器[A2]的输出端[GND]，运算放大器[A1]的输入反相端[-]通过[R3]也连接至运算放大器[A2]的输出端[GND]；“虚拟地”反馈电路中，两等值串联电阻[Rv1][Rv2]的中间电位点连接至运算放大器[A2]的输入同相端[+]，运算放大器[A2]的输出端[GND]反馈至其输入反相端[-]，同时运算放大器[A2]的输出端[GND]连接至体表测点附近。如附图1所示。以上一种二阶带反馈生理电检测有源电极，其特征在于，电路中的各电阻[R1][R2][R3][R4]和电容[Ceq][C]的取值，通过求解如下最小化问题确定，其中表示四个电阻[R1][R2][R3][R4]产生的噪声，为运算放大器[A1]输入同相端[+]的噪声电流，为运算放大器[A1]输入反相端[-]的噪声电流，为运算放大器[A1]输入同相端[+]的噪声电压，如附图3所示，分别为以上七个噪声源反映至电极输出端的输出噪声，为七个输出噪声的叠加，为电极输入电阻，T为电阻绝对温度(单位K)，k为波尔兹曼常数1.38x10-23J/K：Subjectto：，，，以上求解问题中的目标函数是总输出噪声电压，单位为。有益效果。使用TI公司的TINA软件进行对比性仿真实验。在软件中搭建一传递函数为一阶的有源电极电路，如图4所示，电容C取353pF，电阻R1取101.7，电阻R2取101.1，，电阻R3和，电源为两个1.5V直流电压源串联，连接至运算放大器U2的正负电源端为其供电；同时，在软件中搭建本专利技术有源电极仿真电路，如图1所示，电阻R1取99.7，R2取，电阻R3和R4均为，C取10uF，Ceq取470pF，两等值电阻Rv1和Rv2均取。对两个电路的幅频响应进行仿真，仿真结果如图5所示。图5中，实线为本专利技术二阶高通滤波有源电极的幅频响应图，虚线为图4普通一阶高通滤波模型有源电极的幅频响应图，两者的截止频率一致，在截止频率X：0.02487Hz处的衰减同为Y：3.003dB。从图5中可以看出，采用二阶高通滤波的有源电极，其过渡带比一阶更窄、阻带的衰减也比一阶更快。为了进一步验证本方案的效果，专利技术人按提出的技术方案制作了有源电极，详见实施例，并进行了对比性测试实验。测试装置的核心模块是NI公司的PCI4461板卡，把它插入工控机并编写相应软件，构建了一套高精度的带信号处理功能的2路电压同步采集系统，用此系统同步采集两路电压信号，如图6所示，一路为基于无源电极的左臂一点对右臂一点的电压信号，靠近手腕的两电极为无源电极，另一路为基于本专利技术的有源电极的左臂一点对右臂一点的电压信号，远离手腕的两电极为本专利技术的有源电极。同步采样率设置为100kHz，对同步采集的两路信号均进行通带为0.5-80Hz的一实时FIR带通滤波，滤波器的单位样值响应h(n)长度取为10秒。在实验过程中受试者保持安静，尽量避免线路的移动。如此采集处理的两路信号结果如图7所示。图7中，上部分两图分别为基于无源电极的信号波形图和频谱图，下部分两图分别为基于本专利技术有源电极的信号波形图和频谱图。显然，无源电极的检测结果中有很大的50Hz交流电源干扰，而本专利技术有源电极的检测结果中则对此项干扰有很好的抑制作用。附图说明图1，本专利技术有源电极电路方案示意图图2，常见有源电极电路模型示意图图3，本专利技术有源电极电路噪声模型示意图图4，某一阶有源电极电路模型图5，仿真对比实验结果示意图图6，对比性测试实验场景示意图图7，对比性测试实验结果示意图图8，按本专利技术方案实施的有源电极本体部分示意图图9，按本专利技术方案实施的电极夹示意图实施例按本专利技术技术方案，选择器件，按本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二阶带反馈生理电检测有源电极，其特征在于，包括一个二阶高通滤波放大电路[A1][R1][R2][R3][R4][Ceq][C]，“虚拟地”反馈电路[A2][Rv1][Rv2]以及电源[V

【技术特征摘要】
1.一种二阶带反馈生理电检测有源电极，其特征在于，包括一个二阶高通滤波放大电路[A1][R1][R2][R3][R4][Ceq][C]，“虚拟地”反馈电路[A2][Rv1][Rv2]以及电源[V+]和[V-]，其中电容[Ceq]表示人体与电极之间的等效耦合电容，[Rv1][Rv2]为两等值电阻；电源[V+]和[V-]分别连至运算放大器[A1][A2]的正负电源端为二者供电；体表测点电位[Vin]通过两电容[Ceq][C]串联至运算放大器[A1]的输入同相端[+]，运算放大器[A1]的输出[Vout]通过电阻[R2]反馈至两电容[Ceq][C]之间，运算放大器[U1]的输出[Vout]通过电阻[R4]反馈至其输入反相端[-]，运算放大器[A1]的输入同相端[+]通过[R1]连接至运算放大器[A2]的输出端[GND]，运算放大器[A1]的输入反相端[-]通过[R3]也连接至运算放大器[A2]的输出端[GND]；“虚拟地”反馈电路中，两等值串联电阻[Rv1][Rv2]的中间电位点连接至运算放大器[A2]的输入同相端[+]，运算放大器[A2]的输出端[GND]反馈至其输入反相端[-]，同时运算放大器[A2]的输出端[GND]连接至体表测点附...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红星，柯孟君，刘乐，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32