基于集成化儀器放大器實現(xiàn)神經(jīng)信號調(diào)理電路的應(yīng)用方案

作者：周海峰；趙春宇；陳大躍

人體的神經(jīng)信號直接表征著人體自我的意思，研究神經(jīng)信號為了解、識別人體提供了一條途徑。多年來。目前，研究內(nèi)容主要包括神經(jīng)電極和神經(jīng)信號調(diào)理電路兩部分。神經(jīng)電極可以將神經(jīng)電信號從人體中提取出來，而神經(jīng)信號調(diào)理電路則對神經(jīng)信號進行去噪、放大、識別等處理。

神經(jīng)信號和人體的其它生物信號有相同的一些特點，也有其獨具的一些特征。根據(jù)神經(jīng)生物學(xué)的研究，神經(jīng)信號一種形似脈沖的電信號，頻率一般為1kHz左右，高的可達10kHz。例如一束控制肌肉的運動神經(jīng)，當(dāng)有沖動電位信號到來時，肌肉纖維便發(fā)生收縮反應(yīng)，收縮的力度根據(jù)神經(jīng)沖動頻率的不同而有強弱的區(qū)別。因此，只要將脈沖電位進行識別，處理成數(shù)字控制信號，即可進行假肢控制等一類具體的應(yīng)用。

當(dāng)然，神經(jīng)信號的檢測也有其困難的一面。人體的神經(jīng)信號是屬于強噪聲干擾下的低頻微弱信號，由于其非常微弱，只有微伏級，同時干擾又異常強大，因此有效信號往往會被淹沒。干擾信號一般包括高頻的電磁干擾、50Hz工頻干擾和極化電壓等。工頻干擾主要以共模信號的形式存在，通常幅值可達幾伏至幾十伏。而極化電壓是由于測量的電極和生物組織之間構(gòu)成了化學(xué)半電池而產(chǎn)生的直流電壓，一般為幾十毫伏，最大可達300mV。另外，由于生物體的復(fù)雜性和特殊性，其等效的信號源輸出阻抗一般很大，可有幾十千歐，這也是必需要考慮的。根據(jù)上文對神經(jīng)信號特點的描述，設(shè)計了一款針對性強、性能優(yōu)越、穩(wěn)定可靠的神經(jīng)信號調(diào)理電路。

1 電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

根據(jù)神經(jīng)信號的特性以及通用電極的特性，調(diào)理電路必須具有一些必備的性能。首先，電路必須具有很高的共模抑制比，比抑制工頻干擾以及其它測量參數(shù)外的生理作用干擾。如果電路的共模抑制比是120dB，則輸入信號中共模信號的影響將減弱100萬倍，1V的共模信號等效力1μV的差模信號。同時電路的輸入阻抗也是一個很重要的參數(shù)。高輸入阻抗可以有效地減小信號源高內(nèi)阻的影響。上文中提到生物體的等效信號源的輸出阻抗一般可有幾十千歐，這就要求設(shè)計的電路的輸入阻抗大于百兆歐。另外，由于各個電極接觸的人體組織不同，因而表現(xiàn)出不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源性質(zhì)，這會引起電極輸入阻抗的不平衡，使共模干擾向差模干擾轉(zhuǎn)化。提高放大器的輸入阻抗有利于減小這一轉(zhuǎn)化的影響。同時，相對于幅值為微伏的神經(jīng)信號而言，調(diào)理電路的低噪聲、低漂移等指標(biāo)也是極為重要的。本文提出的神經(jīng)信號調(diào)理電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。電路系統(tǒng)共分為三部分：前置輸入放大電路、中間級信號處理電路和后續(xù)信號識別傳輸電路。

2 電路設(shè)計

早期的生物信號電路多采用分立元件設(shè)計，隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多高性能的集成化儀器放大器，由于這類器件性能優(yōu)異，避免了安裝調(diào)試等工作，在生物醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計中受到了普遍的歡迎。本文的設(shè)計中充分應(yīng)用了這類器件。

2．1 前置輸入放大電路

前置級主要考慮噪聲、輸入阻抗和共模抑制比三項的影響。這里設(shè)計的電路由三部分組成：輸入緩沖、高頻濾波和儀用放大器。電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

輸入緩沖器由于采用了直接的電壓負反饋設(shè)計，理論上輸入阻抗為無窮大，有效地將人體與電路系統(tǒng)隔離，去除了信號源內(nèi)阻高且不穩(wěn)定的影響。

由R1a、R1b、C1b、C2組成的低通濾波器網(wǎng)絡(luò)可有效地去除高頻電磁噪聲的影響。電路的差模信號截止頻率BWDDFF和共模信號截至頻率BWCM如式（1）、（2）所示，其中，R1a、R1b、C1a、C1b必須精確相等，C2》10C1。一般來講，儀用放大器對于高于20kHz的信號已經(jīng)沒有了共模抑制能力，該網(wǎng)絡(luò)的使用可以使儀用放大器更有效地工作。

儀用放大器因為其經(jīng)典的三運放結(jié)構(gòu)而具有較高的輸入阻抗和共模抑制比，并且只需外接一個電阻即可設(shè)定增益，在生物信號處理領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用。這里選用的AD公司的AD8221是最新的一款型號，比通用的AD620在各方面的性能都要高一個數(shù)量級。另外由于極化電壓的存在，為了避免電路的飽和，前置放大電路的增益必須在數(shù)十倍之內(nèi)，不能過大。

2．2 中間級處理電路

中間級處理電路分為帶通選頻網(wǎng)絡(luò)、二級放大電路、50Hz陷波器和增益調(diào)節(jié)電路等。

帶通選頻網(wǎng)絡(luò)由RC無源網(wǎng)絡(luò)組成，簡單可靠，通帶的最大范圍設(shè)定為0.05Hz～10kHz。根據(jù)個體的差異，網(wǎng)絡(luò)可由數(shù)字控制電路進行不同頻帶的組合來選擇，以符合最佳的信號狀態(tài)。

二級放大電路在結(jié)構(gòu)上和增益調(diào)節(jié)電路類似，都是由運放接成電壓負反饋的形式。前者進行信號的放大，而后者控制整體電路的增益，最大可達120dB。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。這里，運算放大器選用OP27，而且運用電壓串聯(lián)負反饋結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，具有如下不可替代的優(yōu)越的性能：（1）輸入等效阻抗大，Ri=（1+AF）rid，輸出等效阻抗小，Ro=ro/（1+AF），其中，rid為運放的輸入阻抗，ro為輸出阻抗。不僅完成了信號的放大作用，而且還起到了緩沖器的作用，有效地隔離了前后級的模塊，不用額外增加阻抗變換器和匹配模塊；（2）電容C的使用使整個模塊具有了低通的功能，不僅可以去除信號中的高頻干擾，還由于其超前補償作用，對有效信號中的高頻部分進行了相位補償。通過合理的設(shè)計，電路頻率段的相位將變化平緩。上位提及的神經(jīng)信號是一種類脈沖形狀的信號，信號形狀不發(fā)生明顯的畸變，在對其進行時域處理時有著積極的意義。

50Hz工頻陷波器采用典型的有源雙T陷波網(wǎng)絡(luò)的方案，取Q=2.5，可有效去除信號中的工頻干擾。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

2．3 信號識別及光電耦合電路

神經(jīng)信號是一種類脈沖的模擬電信號，將此信號傳輸?shù)胶罄m(xù)的數(shù)字電路前，需先將其規(guī)整成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號。這由信號識別電路來完成，該電路由一個滯回比較器構(gòu)成。為了保證安全以及防止模擬和數(shù)字電路之間的干擾，光電隔離電路也是一個必不可少的模塊。信號識別及光電耦合電路如圖5所示。

滯回比較電路是一種由運放構(gòu)成信號正反饋的結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強，閥值可由UR根據(jù)實際情況調(diào)整，電路的閥值由式（3）、（4）給出。另外，由于信號的有效頻率可達10kHz，所以光電耦合器的速度是一項重要的指標(biāo)，這里選用6N137光電耦合器。

3 結(jié)果及討論

電路調(diào)試完成后，利用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的信號，對電路進行一系列的性能測試。由上文討論可知，神經(jīng)信號是一種類脈沖的微弱模擬電信號，故電路的放大性能和相移特性是測試的著重點。圖6中（a）、（b）分別為信號放大性能和相位偏移測試的結(jié)果。函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生500mV/1kHz的正弦標(biāo)準(zhǔn)信號，經(jīng)過兩次40dB衰減得到50μV/1kHz的測試輸入信號，以此來測試放大性能。由圖可知，電路將信號有效地放大了100dB。相位偏移測試由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的1kHz方波模擬神經(jīng)信號進行。如果系統(tǒng)對信號各頻段的相移顯著不同，則非常容易引起信號形態(tài)的畸變，如要對信號進行時域處理，這是非常不利的。從結(jié)果可得，除了信號中的高頻分量不屬于有效的頻率段而被濾除外，信號整體的相移平穩(wěn)，保持了原有的形態(tài)，經(jīng)過識別規(guī)整后可在時域中完整重視。

由以上的討論可知，文中提出的電路有效地解決了神經(jīng)信號調(diào)理的問題，電路系統(tǒng)地解決了神經(jīng)信號調(diào)理的問題，電路系統(tǒng)實用可靠。目前已經(jīng)完成了可提取神經(jīng)信號的植入式電極的研究，利用文中的電路，將繼續(xù)開展臨床實驗等研究工作。

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