專利名稱：抑制工頻共模干擾的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及生物電信號檢測中的抗干擾技術，特別涉及抑制工頻共模干擾的驅動電路的改進及方法。
背景技術：
工業頻率(下稱“工頻”)干擾在生物電信號測量中普遍存在，它一般由室內照明或動力設備引起，干擾頻率隨各個國家電網供電頻率的不同而有所不同，一般是50Hz或60Hz。因為該頻率通常處于生物電信號(例如心電信號或腦電信號)的自身頻帶范圍內，所以提高設備抗工頻干擾能力對于獲取優質的生物電信號至關重要。
目前在生物電信號測量的工頻干擾抑制技術中普遍采用如圖1所示的驅動電路。以接在(但不限于)人體右腿為例，該電路包括輔助放大器A3，它的輸出端通過電阻R0連接到所述右腿，輸入端接來自人體的工頻干擾共模電壓(以圖示心電檢測為例，放大器A1和A2由人體獲得一對差分檢測信號，連接在該差分信號之間的兩串聯電阻的串聯連接點處可輸出該共模電壓)。因為右腿不直接接地，所以人體的位移電流將流向R0和所述輔助放大器的輸出端。R0在這里起安全保護作用當病人和地之間出現高電壓時，輔助放大器A3飽和，等效于接地，R0可以起限流保護作用。
可以用圖1(b)所示右腿驅動電路的等效電路來求所述輔助放大器不飽和時的共模電壓。設高阻輸入級的共模增益為1，則在輔助放大器的反向端2VcmRa+V0RF=0---(2-1)]]>于是V0=-2RFVcmRa---(2-2)]]>因為Vcm＝IdR0+V0，從而Vcm=IdR01+2RFRa---(2-3)]]>
可見，若要使|Vcm|盡可能小，可以利用所述右腿驅動電路，并增大RF/Ra。
但在實際心電信號測量環境中，為了濾除高頻干擾，往往在所述驅動電路的輸入級增加低通濾波電路，同時因在人體、測量儀器和電力線之間還存在著靜電耦合電容，所以所述右腿驅動電路的實際等效電路應如圖2所示。其中，Cs是共模放大器和地之間的分布電容，Cb是人體和地之間的分布電容，G是反向放大倍數，Re1、Re2是電極阻抗，R0是限流電阻。閉環系統將引入180°相移(其中，H=11+G2πBs]]>)。放大器A1、A2實現單位增益，在感興趣頻域內不產生相移。但是A3在f＝B/G處有一個極點(B是增益帶寬)。同時，二階RC網絡形成的低通濾波器可以改變系統相移(該圖忽略了電極電容)。因為無法確定Re1、Re2和Cb，也就無法確定所述極點的確切位置，從而難以實現極點對銷。為了保證系統穩定性，通常采用降低轉角頻率，并且增加反饋電容Cr的措施。但是由于該反饋電容的作用，右腿驅動放大電路的輸出信號并不和共模信號Vc完全反相。
以圖3所示的一個右腿驅動電路實際應用電路為例，它的頻率特性如圖4所示，可見該電路輸出的反饋信號并不是180°反相，在50Hz干擾頻率處其相位是126°。從而，抑制工頻共模干擾的實際效果并不能達到理論分析水平。況且，實際測量裝置的電路延時還受到電路元件、運算放大器和心電電纜的參數影響。在測量時，人體、測量環境和測量裝置構成一個復雜的測量系統，人體自身阻抗、皮膚電機阻抗和靜電耦合電容還會使測量系統的傳遞函數更加復雜。其中，人體是反饋電路中的重要環節，因此人體參數是改變系統傳遞函數的重要因素。但由于人體個體差異的不可預知性，使得心電測量系統的抗干擾抑制能力具有很強的不確定性。
因此，上述現有技術的不足之處在于因為硬件電路頻率特性是固定的，而實際測量時系統傳遞函數具有不確定性，使得每一次生物電測量時，所述(以但不限于右腿為例的)驅動電路輸出的反饋信號相位不能達到完全反相，從而降低了系統對工頻干擾的抑制能力。
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提出一種抑制工頻共模干擾的方法及裝置，用于生物電信號測量系統，改進所述驅動電路以自動進行相位補償，使放大輸出的反饋信號能與工頻共模干擾信號180°反相，來提高系統抑制工頻共模干擾的能力。
為解決上述技術問題，本發明的基本構思為，在所述驅動電路(以但不限于接右腿為例)中增加嵌入式系統電路，它接收該驅動電路原始輸出的放大信號，并采集生物電信號，對該生物電信號進行分析來確定對所述原始放大信號相位的自動補償量，從而將補償后的放大信號反饋至右腿，來抵消工頻共模干擾信號；這樣可以提高抑制干擾的能力，有利于測量系統采集更高質量的心電信號。另外，若設置一個開關選擇裝置，還可以進一步控制是否要選用所述補償相位用的嵌入式系統電路。
作為實現本發明構思的第一技術方案是，提供一種抑制工頻共模干擾的裝置，用于生物電信號測量系統，包括共模干擾信號提取電路和連接該電路的驅動電路，該驅動電路改變了所述共模干擾信號的相位并放大，從而可提供一個被送往受測生物體的反饋信號；尤其是，還包括一個相位補償處理裝置，接收來自所述受測生物體的生物電信號和該驅動電路提供的所述放大信號，輸出所述被送往受測生物體的反饋信號。
上述方案中，所述相位補償處理裝置包括至少一個模數轉換器，將所述接收的兩路模擬信號各自轉換成數字信號，提供給一個單片機作分析處理；還包括一個數模轉換器，接收來自所述單片機的經相位補償的驅動信號，并轉換成模擬信號，作為所述被送往受測生物體的反饋信號。
上述方案中，所述抑制工頻共模干擾的裝置還包括一個開關選擇裝置，兩個選擇端一端接所述驅動電路輸出端，另一端接所述數模轉換器或低通濾波器的輸出端；該選擇裝置輸出所述被送往受測生物體的反饋信號。
作為實現本發明構思的第二技術方案是，提供一種抑制工頻共模干擾的方法，用于生物電信號測量系統檢測生物電信號時抑制工頻共模信號的干擾；該測量系統包括共模干擾信號提取電路和連接該電路的驅動電路，該驅動電路改變了所述共模干擾信號的相位并放大；尤其是，包括步驟A.在所述驅動電路和受測生物體之間設置相位補償處理模塊；B.所述處理模塊接收由受測生物體獲得的生物電信號；
C.所述處理模塊分析所述生物電信號的特征，并確定相位補償量；D.對所述驅動電路輸出的信號作相應的延時處理；E.將所述延時處理后的信號作為反饋信號提供給受測生物體。
上述方案中，所述步驟C包括循環處理過程a)初始化系統狀態值；b)提取當前系統狀態下的工頻干擾特征值；c)系統狀態值加1；再次提取特征值；d)若該特征值減小，則表明工頻干擾降低，補償方向正確，繼續步驟c)，直到系統狀態值為最大；反之，補償方向不正確，將系統狀態值減1；e)將所述系統狀態值設定為當前系統最佳狀態值，并確定相應的相位補償量或該補償量對應的延時時間；其中，所述系統狀態值為整數，分別對應一種相位補償狀態。
上述方案中，所述步驟D對驅動電路輸出信號作延時處理的過程包括步驟①所述處理模塊的微處理器控制模數轉換器，設置采樣通道和采樣頻率fs，對所述驅動電路輸出的信號進行采樣；②建立數組org_data[K+1]，逐次依序保存先后經模數轉換器采集到的驅動信號；③根據當前系統最佳狀態值J決定延時輸出的數據來自該數組中的對應組元org_data[K-J]；④將所述以采樣頻率fs輸出的各數據經數模轉換成模擬信號輸出；其中，K=int(fs200)-1,]]>int()表示取整運算。
采用上述各技術方案，可以充分利用嵌入式系統軟硬件緊密結合的特點，來實現生物電測量過程中驅動電路的自動相位補償功能，從而兼顧了模擬電路系統的穩定性和電路相頻特性，提高了電路抗工頻共模干擾的能力，有利于提高生物電信號的采集質量。
圖1是現有心電測量中的右腿驅動電路及其等效電路示意2是現有右腿驅動電路的實際等效電路示意3是現有右腿驅動電路的實施例之一圖4是現有右腿驅動電路實施例的頻率特性曲線圖5是本發明用來抑制工頻共模干擾的改進的右腿驅動電路框6是本發明改進電路的具體化示意7是本發明抑制工頻共模干擾的方法流程圖具體實施方式
下面，結合附圖所示之最佳實施例進一步闡述本發明。
圖5是(以心電檢測為例)改進的(以右腿為例)驅動電路原理框圖，來自共模干擾信號提取電路(為現有技術，未示出)的共模信號被送往驅動電路，改變相位并放大，從而該右腿驅動電路可提供一個被送往受測生物體的反饋信號；還包括一個相位補償處理裝置，接收來自所述受測生物體的生物電信號和該驅動電路提供的所述放大信號，輸出所述被送往受測生物體的反饋信號。
所述相位補償處理裝置包括至少一個模數(A/D)轉換器，將所述接收的兩路模擬信號各自轉換成數字信號，提供給一個單片機作分析處理；還包括一個數模(D/A)轉換器，接收來自所述單片機的經相位補償的驅動信號，并轉換成模擬信號，作為該相位補償處理裝置的輸出。所述相位補償處理裝置輸出的信號還可以經一個低通濾波器(LPF)濾波后才送往所述受測生物體。所述A/D轉換器或D/A轉換器也可以是被集成在所述單片機內部。
該改進電路還可以包括一個開關選擇裝置裝置，兩個選擇端一端接所述驅動電路的輸出端，另一端接所述D/A轉換器或低通濾波器的輸出端；該開關選擇裝置輸出所述被送往受測生物體(以但不限于右腿為例)的反饋信號。對該開關選擇裝置輸入信號的選擇輸出，可以由手工設置(比如通過撥動開關)來確定；也可以將所述開關選擇裝置的控制端連接所述單片機，由系統軟件確定。
圖6對上述框圖進行了具體化。所述右腿驅動放大電路包括以放大集成電路U1(例如但不限于LM358)為核心的反相放大器，可以設置增益為-40倍(50Hz)左右。電容C1用來減小高頻負反饋增益，防止高頻自激，以維持反饋環路的穩定性。連接U1輸出端的電阻R4用來限流，保證在單一故障模式下漏電流不超過50uA，同時還與連接該電阻另一端的電容C2一起用來低通濾波，以維持環路穩定性。所述A/D轉換器可以選用8位或12位、采樣頻率不低于1KHz的模數轉換器，例如但不限于MAX1290。D/A轉換器可以與該A/D轉換器相對應，例如但不限于MX7545A。所述單片機完成控制和數據處理功能，例如但不限于51系列單片機。
所述低通濾波器主要用來濾除D/A轉換產生的高頻信號，可以但不限于選擇簡單的一階RC濾波電路來實現，如圖示的電阻R5和電容C3，該濾波器的截止頻率略低于采樣頻率的1/2。因其屬于現有技術，其它形式的濾波器電路不在此贅述。本實施例的開關裝置可以選用但不限于MC14053，以受控于所述單片機為例。
由于所述驅動電路原始輸出信號的相移和負反饋系統要求的180°相移相比存在相位超前，我們可以對該信號采用延時輸出的方法來進行相位補償。因此本發明抑制工頻共模干擾的方法，可以基于上述硬件電路，或基于上述硬件電路的同等變換電路，采用如下步驟A.在所述驅動電路和受測生物體之間設置相位補償處理模塊；B.所述處理模塊接收由受測生物體獲得的生物電信號；C.所述處理模塊分析所述生物電信號的特征，并確定相位補償量；D.對所述驅動電路輸出的信號作相應的延時處理；E.將所述延時處理后的信號作為反饋信號提供給受測生物體。
設測量系統右腿驅動電路輸出反饋信號的超前相位為θ，系統采樣頻率為fs，則驅動信號需要延時輸出的時間t為t=θ2πfs---(4-1)]]>由于D/A變換輸出的信號是離散信號，所以實際延時輸出的時間是采樣周期的整倍數tn=nfs,n=0,1,2,L---(4-2)]]>這樣，信號相應的延時相位為Dqn=2ptnT=100pnfs,n=0,1,2L---(4-3)]]>該補償算法不一定能恰好使Dq＝q，但可以使Dq近似等于θ，從而在一定程度上補償系統的超前相位，以獲得更好的信號質量。同時可以看出，采樣頻率越高，Dq可以越接近θ，補償效果也會越好。
因為右腿驅動電路及增加的相位補償處理模塊必須構成負反饋系統，所以原始驅動信號超前的相位區間為 實驗證明，在該區間對驅動信號進行相位補償時，所述工頻干擾信號的強度存在唯一極小值。因此，我們可以采用趨勢判斷的方法來尋找最優延時輸出時間topt，具體是增加延時輸出時間，若工頻干擾強度降低，則認為補償在向正確的方向進行并且可以繼續增加延時時間；反之，則認為最優延時時間已超出，可以將前一延時時間認為是最優延時時間topt；若在 區間內的工頻干擾信號強度不斷減小，則將最大延時時間作為最優延時時間topt。
在補償相位區間 整數n的取值范圍為
，其中K=int(fs200)-1,]]>int()表示取整運算。我們將n稱作系統狀態值。系統狀態n對應的驅動電路輸出信號延時時間設為tn；生物電信號中工頻干擾信號的強度以特征值Fn來表征，該特征值Fn定義為此時提取出的工頻干擾信號在若干干擾信號周期內的峰峰值之和。這樣，所述步驟C包括(如圖7所示的)循環處理過程a)初始化系統狀態值；b)提取當前系統狀態下的工頻干擾特征值；c)系統狀態值加1；再次提取特征值；d)若該特征值減小，則表明工頻干擾降低，補償方向正確，繼續步驟c)，直到系統狀態值為最大；反之，補償方向不正確，將系統狀態值減1；e)將所述系統狀態值設定為當前系統最佳狀態值，并確定相應的相位補償量或該補償量對應的延時時間。
其中，圖7為清楚表達起見，用Fea變量來保存當前狀態下特征值，系統進入下一狀態后的特征值將和該變量進行比較以判斷大小；用J代表系統最佳狀態值，在此狀態下生物電信號中的工頻干擾信號強度達到局域極小，該狀態對應的延時輸出時間為topt=Jfs.]]>以采樣頻率fs＝1KHz的心電測量系統為例，K=int(fs200)-1=4,]]>故n的取值范圍為
，在 相位補償區間存在5種右腿驅動電路補償狀態。當n＝0，1，2，3，4時，右腿驅動信號延時輸出的時間分別為0，1ms，2ms，3ms，4ms，相應的相位補償量為0， 若n＝2時的工頻干擾特征值最小，則將狀態2視為系統最佳狀態，從而將此時延時時間設置為2ms。
所述處理模塊在步驟B中接收生物電信號，可以通過微處理器控制模數轉換器來進行采樣，進而在步驟C中對采樣數據進行特征分析。該特征分析中的所述工頻干擾特征值可以按如下方式計算①逐次依序保存所述生物電信號先后經模數轉換器采集到的數據到一預定數組；②用一數字帶通濾波器接收所述數據組，以提取工頻干擾信號并輸出相關數據；③檢測該輸出數據一個周期內的最大值和最小值，從而計算該周期內的信號峰峰值VPP；④計算相鄰若干周期內所述峰峰值VPP之和，得到所述特征值Fn。
其中，所述帶通濾波器可以采用簡單的帶通濾波器，例如但不限于中心頻率為50Hz或60Hz，帶寬為±2Hz的二階巴特沃斯帶通濾波器；因其屬于現有技術，不在此贅述。
相應地，所述步驟D對驅動電路輸出信號作延時處理的過程可以包括以下步驟①所述處理模塊的微處理器控制模數轉換器，設置采樣通道和采樣頻率fs，對所述驅動電路輸出的信號進行采樣；②建立數組org_data[K+1]，逐次依序保存先后經模數轉換器采集到的驅動信號；③根據當前系統最佳狀態值J決定延時輸出的數據來自該數組中的組元org_data[K-J]；④將所述以采樣頻率fs輸出的各數據經數模轉換成模擬信號輸出。
其中，所述逐次依序保存是指每次模數轉換后，各組元原先保存的數據均交由該組元的前一組元來保存，而組元org_data[K]保存剛采樣到的數據；也可以是指該數據交換的同等變換保存方式，不再贅述。
所述步驟D中接收所述驅動電路輸出的信號并對它作相應的延時處理，也可以采用其它處理方式，例如將該驅動信號直接經一個受微處理器控制而延時時間可調的延時器而輸出，也在本發明的保護范圍內。
本發明實施例經人體心電測量實驗證明，當采樣頻率fs為1KHz時，可以將原心電信號中的工頻干擾信號強度降低到一半以下。上述分析表明，若采用更高的采樣頻率，可以獲得更精確的延遲時間和更好的工頻干擾抑制效果。
權利要求
1.一種抑制工頻共模干擾的裝置，用于生物電信號測量系統，包括共模干擾信號提取電路和連接該電路的驅動電路，該驅動電路改變了所述共模干擾信號的相位并放大，從而可提供一個被送往受測生物體的反饋信號；其特征在于還包括一個相位補償處理裝置，接收來自所述受測生物體的生物電信號和該驅動電路提供的所述放大信號，輸出所述被送往受測生物體的反饋信號。
2.根據權利要求1所述抑制工頻共模干擾的裝置，其特征在于所述相位補償處理裝置包括至少一個模數轉換器，將所述接收的兩路模擬信號各自轉換成數字信號，提供給一個單片機作分析處理；還包括一個數模轉換器，接收來自所述單片機的經相位補償的驅動信號，并轉換成模擬信號，作為所述被送往受測生物體的反饋信號。
3.根據權利要求1所述抑制工頻共模干擾的裝置，其特征在于還包括一個低通濾波器，所述相位補償處理裝置輸出的信號經該低通濾波器后才送往所述受測生物體。
4.根據權利要求1、2或3所述抑制工頻共模干擾的裝置，其特征在于還包括一個開關選擇裝置，兩個選擇端一端接所述驅動電路輸出端，另一端接所述數模轉換器或低通濾波器的輸出端；該選擇裝置輸出所述被送往受測生物體的反饋信號。
5.一種抑制工頻共模干擾的方法，用于生物電信號測量系統檢測生物電信號時抑制工頻共模信號的干擾；該測量系統包括共模干擾信號提取電路和連接該電路的驅動電路，該驅動電路改變了所述共模干擾信號的相位并放大；其特征在于，包括步驟A.在所述驅動電路和受測生物體之間設置相位補償處理模塊；B.所述處理模塊接收由受測生物體獲得的生物電信號；C.所述處理模塊分析所述生物電信號的特征，并確定相位補償量；D.對所述驅動電路輸出的信號作相應的延時處理；E.將所述延時處理后的信號作為反饋信號提供給受測生物體。
6.根據權利要求5所述抑制工頻共模干擾的方法，其特征在于，所述步驟C包括循環處理過程a)初始化系統狀態值；b)提取當前系統狀態下的工頻干擾特征值；c)系統狀態值加1；再次提取特征值；d)若該特征值減小，則表明工頻干擾降低，補償方向正確，繼續步驟c)，直到系統狀態值為最大；反之，補償方向不正確，將系統狀態值減1；e)將所述系統狀態值設定為當前系統最佳狀態值，并確定相應的相位補償量或該補償量對應的延時時間；其中，所述系統狀態值為整數，分別對應一種相位補償狀態。
7.根據權利要求6所述抑制工頻共模干擾的方法，其特征在于，所述系統狀態值的取值范圍為
，其中K=int(fs200)-1,]]>int()表示取整運算，fs表示對生物電信號的采樣頻率。
8.根據權利要求5或6所述抑制工頻共模干擾的方法，其特征在于，所述用來表征生物電信號特征的工頻干擾特征值指的是由所述生物電信號中提取出的工頻干擾信號在若干干擾信號周期內的峰峰值之和；是按以下步驟計算而來①逐次依序保存所述生物電信號先后經模數轉換器采集到的數據到一預定數組；②用一數字帶通濾波器接收所述數據組，以提取工頻干擾信號并輸出相關數據；③檢測該輸出數據一個周期內的最大值和最小值，從而計算該周期內的信號峰峰值VPP；④計算相鄰若干周期內所述峰峰值VPP之和，得到所述特征值Fn。
9.根據權利要求5所述抑制工頻共模干擾的方法，其特征在于，所述步驟D對驅動電路輸出信號作延時處理的過程包括步驟①所述處理模塊的微處理器控制模數轉換器，設置采樣通道和采樣頻率fs，對所述驅動電路輸出的信號進行采樣；②建立數組org_data[K+1]，逐次依序保存先后經模數轉換器采集到的驅動信號；③根據當前系統最佳狀態值J決定延時輸出的數據來自該數組中的對應組元org_data[K-J]；④將所述以采樣頻率fs輸出的各數據經數模轉換成模擬信號輸出；其中，K=int(fs200)-1,]]>int()表示取整運算。
10.根據權利要求5所述抑制工頻共模干擾的方法，其特征在于所述步驟D中，所述驅動電路輸出的信號是送往一個受微處理器控制而延時時間可調的延時器來作相應延時處理的。
全文摘要
一種抑制工頻共模干擾的方法及裝置，用于包括共模干擾信號提取電路和連接該電路的驅動電路的生物電信號測量系統；尤其是，該裝置還包括一個相位補償處理裝置，接收來自受測生物體的生物電信號和該驅動電路提供的放大信號，輸出被送往受測生物體的反饋信號。其抑制工頻共模干擾的方法包括步驟所述處理模塊接收由受測生物體獲得的生物電信號；分析所述生物電信號的特征，并確定相位補償量；接著對所述驅動電路輸出的信號作相應的延時處理；并將延時處理后的信號作為反饋信號提供給受測生物體。采用本發明，可以兼顧模擬電路系統的穩定性和電路相頻特性，提高電路抗工頻共模干擾的能力，有利于提高生物電信號的采集質量。
文檔編號A61B5/04GK1951318SQ20051010053
公開日2007年4月25日 申請日期2005年10月19日 優先權日2005年10月19日
發明者李樹楠, 伍曉宇 申請人:深圳邁瑞生物醫療電子股份有限公司