生物电位信号传感器的模块化信号调理电路设计 Winncy Y. DU, Winston JOSE, Jake ASKELAND 圣荷西州立大学机械与航空航天部，加州圣荷西市95116美国 Tel.: +1-408-924-3866, fax: +1-408-924-3995 E-mail: winncy.du@sjsu.edu 收稿：2010年8月5日 /接受：2010年9月14日/出版：2010年9月27日 Abstract: Biosignal conditioning (BC) is critical in biomedical instruments because it directly affects measurement accuracy, reliability, and repeatability. BC also presents a great challenge due to the small amplitude of biosignals and their ease of corruption with noise and other disturbances. This paper describes a modular BC system developed for biopotential sensors that can preserve useful information while removing unwanted noise and interference components. This BC circuit includes an instrumentation amplifier, an active 1st-order high-pass filter with Sallen-Key configuration, a 5th order low-pass Bessel filter, and a 2nd -order Twin-T notch filter. The order of these filters and the associated components in each filter can be easily changed to adapt to different biosignals (modular feature). Data acquisition and sampling were performed using a USB6009 module with a built-in A/D converter. Testing of a real electrocardiogram on the designed signal conditioning circuit demonstrated comparable outputs to commercial devices. Copyright © 2010 IFSA. Keywords: Biosignal conditioning, Modular circuit, ECG signal 摘要：生物信号处理（BC）在生物医学仪器中是非常关键的，因为它直接影响到测量的准确度、可靠性和再现性。由于生物信号的小振幅和容易受到噪声以及其他干扰的特点，对BC也提出了重大挑战。本文描述了一种模块化的生物信号传感器处理电路系统，它是专为生物信号传感器设计的在滤除不必要噪声和干扰成份的同时又能保护其中的有用部分。这个BC电路包括一个仪表放大电路，一个含有Sallen-Key结构的一阶有源高通滤波器，一个五阶低通贝塞尔滤波器，一个二阶双T陷波器。这些滤波器和每个滤波器的相关组件可以很容易改变以适应不同的生理信号（模块化功能）。数据采集和取样是用的带内置A/D转换器的USB6009模块。在所设计的信号调理电路上进行真正的输出真实心电图测试表明其可比商业设备。版权所有© 2010 IFSA。 关键词：生物信号调理，模块化电路，心电图信号
1、简介 生物信号调理（BC）在生物医学仪器和生物传感器中发挥了关键性作用。一个设计很好的的BC电路可以显著提高测量的精度，可靠性和可再现性。然而，BC也面临着一个巨大的挑战，因为：(1)生物信号本质上就是很微弱的（0.001mV-100mV带有1mV的典型值。见图1）;(2)他们很容易受到噪声和其他干扰的破坏，例如电源线的干扰，脉冲噪声，静电电位，杂散电容，以及附近的电子设备。（3）生物信号产品可以通过物体移动和肌肉张力获得[2]。图1显示了常见生物电信号的幅度和频率范围[3]。请注意，心电图（ECG）信号是位于生物信号的中间范围，幅度为0.1mV-10mV的范围，频率为0.01Hz-250Hz。因此，心电图信号作为生物信号的典型代表被选作模块BC电路实验和实现的工作模型。 图1常见生物信号的幅度和频率范围[3] [4-[13]的文献报道了关于心电图信号研究的几项工作。Tenedero等 [4]开发了一个带宽为0.05 Hz – 40Hz的心电图电路。其中用到了一个AD620的仪表放大器（IA），由于其低噪音，低输入偏置电流，低失调电压，低功耗和100分贝的高共模抑制比（CMRR）。在仪表放大器（IA）与数据采集单元之间有三个滤波电路：一个隔离放大器（与60Hz的电源线分离，同时保护了病人不会心源性休克），一个截止频率为0.05Hz的高通滤波器和一个截止频率接近100Hz的低通滤波器。心电图信号的ADC（模拟到数字转换）采样速率为500赫兹。富尔福德琼斯等人设计了一种便携式，低功耗心电图系统[5]。一种嵌入式芯片运放（运算放大器）被用到，由于它的低噪声和低功耗。这种运放的CMRR为94分贝。高通滤波反馈可以矫正任何直流时域的变化。其ADC的采样速率为120赫兹。马特维延科[6]使用CY8C27443作为微控制器进行心电信号的采集和处理。控制器嵌入运放的CMRR为60 dB。据笔者，这个低共模抑制比可以接受是由于一个为了减少射频干扰（RFI）而将差分低通滤波器放在IA之前的独特设计，因为RFI在已经经过IA整流的心电图信号中产生的错误将不能被滤除。一个截止频率为2 kHz的高通滤波器放在IA的输出上。缓冲放大器和反相放大器也被用来消除了RFI干扰。 ADC的采样速率为240赫兹。
ECG调理电路经过了德州仪器（TI）[7]和模拟器件公司（AD）[8]两大工业领导者的审查。TI的电路特点突出，一个INA321 IA具备几方面独特的特点：掉电模式，所提供的电流小于1mA时关闭电路（为了节能）。微控制器嵌入式运放，一个反馈回路以维持一个恒定的直流水平。512Hz的采样频率。进一步实施数字滤波以去除电源线噪声并提供了6Hz-30Hz的通频带。在AD的设计，心电图电路采用AD的AduC842（一综合―片上系统‖）进行放大，数字滤波和A / D转换。
2.获得一个ECG信号 心电图（ECG）是一个心脏活动时产生的小型电波，通常是由遍布在全身特定点的电极记录。三根肢体引线通常用于构建一个艾因特霍芬的三角形（见图。2）[15]。一个心电图波形是通过布置在 全身的引线获得，这些引线点布置特点是与心脏等电力间距。这样可以最大化引线之间的电位差[16].。 图2. 艾因特霍芬的三角形和肢体引线布置结构（源自[15]） 三根引线安装方式如下： 导线I：正电极在左臂上（L），负电极在右臂上（R）； 导线II：正电极在左腿/脚上(F),负电极在右臂上(R)； 导线III: 正电极在左腿/脚(F),负电极左臂上(L)。 VI, VII,和VIII分别表示导线I，II和III的电压。L,R和F分别表示L.R和F点的电压。心脏向量的大小| P |和方向可表示为：[16]：
22III|P|=2V+V/3IIIVV
（1）
22IIII|P|=2V+V/3IIIIVV
（2）
1tan((2)/(3))IIIIVVV （3）
1tan(()/(3))IIIIIIVVV （4）
带宽对于心电信号的记录是非常重要的，美国心脏协会（AHA）建议为12至16岁儿童最小带宽150 Hz，成人最小带宽125 Hz [17]。 用于记录心电信号的电极使用的是银-氯化银（Ag-AgCl）。它有以下重要特点： （1）它是非极化的，这意味着在电极的交界处电流可以自由的流过。没有电子像一极化电极积聚在交界处；（2）产生的噪声比较低―（<10μV的）。Ag – AgCl电极是有一层氯化银附着在一个银盘上。氯离子在人体中的移动（在电解液）。在氯化银层，这些氯离子在银盘上被转换为电子流，而这些电子通过连接线传送出去。这银氯化结构使直流偏置降低到了一个尽可能低的值。导电胶是一个用来减少双重电荷层扰动。 3.信号调理电路的设计与实现 3.1.BC电路的的整体结构 从Ag-AgCl电极获得的典型心电信号幅值为1mV但是它很容易受到噪声的干扰，噪声的主要来源包括呼吸，运动伪影，肌肉收缩，电极接触噪声，电源线干扰，射频干扰和电磁干扰（EMI）。在某些情况下，噪音可以完全覆盖心电图波形，使放大后的信号没用。为了有效地消除不必要的噪音和维护心电图信号的有用成分，下面的生物信号调理计划应运而生： 1.仪表放大器来提高原始心电信号的信号电平; 2.使用高通滤波器来消除电极之间的直流偏置信号； 3.使用低通滤波器消除高频噪声成分； 4.使用陷波器来消除电源线干扰； 5.将滤波后的模拟信号转化为数字信号供电脑显示和/或者以后的数字信号处理和分析。
为了确保BC电路设计可以适应其他不同幅度和频率的生物信号，模块化设计使得其很容易调换，修改或插入开发出来电子器件。BC电路的框图如图3所示。 以下各节将讨论组件功能和特性。
图3.心电调理信号电路的总体框图结构 3.2.AD8220仪表放大器 一个ADI公司的AD8220的仪表放大器（IA）和评估电路板被首先用于放大从左右两只手臂电极获得的差分电位心电信号（图.2引线1）。选用AD8220是因为它有很宽的工作范围以适应噪声环境，10pA的低输入偏置电流，高CMRR减小RFI的影响，并且容易获得[18]。该评估板式用于简单原型。
由于AD8220的电源电压是+5V，增益G被谨慎的设定为19以避免两个输出出现电压饱和，虽然高的增益对于这个IA是允许的。但是在此设定下一个典型的心电信号1.0mV被放大至19.0mV-远远低于电源水平。增益电阻Rg由下式计算获得[19]：
49.449.42.741191kkRgkG