CN100423688C

CN100423688C - 抑制工频共模干扰的方法及装置

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Publication number: CN100423688C
Application number: CNB2005101005338A
Authority: CN
Inventors: 李树楠; 伍晓宇
Original assignee: Shenzhen Mindray Bio Medical Electronics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Mindray Bio Medical Electronics Co Ltd; Shenzhen Mindray Scientific Co Ltd
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2025-10-19
Also published as: US7970460B2; US20070087703A1; CN1951318A; US7684853B2; US20100191509A1

Abstract

一种抑制工频共模干扰的方法及装置，用于包括共模干扰信号提取电路和连接该电路的驱动电路的生物电信号测量系统；尤其是，该装置还包括一个相位补偿处理装置，接收来自受测生物体的生物电信号和该驱动电路提供的放大信号，输出被送往受测生物体的反馈信号。其抑制工频共模干扰的方法包括步骤：所述处理模块接收由受测生物体获得的生物电信号；分析所述生物电信号的特征，并确定相位补偿量；接着对所述驱动电路输出的信号作相应的延时处理；并将延时处理后的信号作为反馈信号提供给受测生物体。采用本发明，可以兼顾模拟电路系统的稳定性和电路相频特性，提高电路抗工频共模干扰的能力，有利于提高生物电信号的采集质量。

Description

抑制工频共模干扰的方法及装置

技术领域

本发明涉及生物电信号检测中的抗干扰技术，特别涉及抑制工频共模干扰的驱动电路的改进及方法。

背景技术

工业频率(下称“工频”)干扰在生物电信号测量中普遍存在，它一般由室内照明或动力设备引起，干扰频率随各个国家电网供电频率的不同而有所不同，一般是50Hz或60Hz。因为该频率通常处于生物电信号(例如心电信号或脑电信号)的自身频带范围内，所以提高设备抗工频干扰能力对于获取优质的生物电信号至关重要。

目前在生物电信号测量的工频干扰抑制技术中普遍采用如图1所示的驱动电路。以接在(但不限于)人体右腿为例，该电路包括辅助放大器A₃，它的输出端通过电阻R₀连接到所述右腿，输入端接来自人体的工频干扰共模电压(以图示心电检测为例，放大器A1和A2由人体获得一对差分检测信号，连接在该差分信号之间的两串联电阻的串联连接点处可输出该共模电压)。因为右腿不直接接地，所以人体的位移电流将流向R₀和所述辅助放大器的输出端。R₀在这里起安全保护作用：当病人和地之间出现高电压时，辅助放大器A₃饱和，等效于接地，R₀可以起限流保护作用。

可以用图1(b)所示右腿驱动电路的等效电路来求所述辅助放大器不饱和时的共模电压。设高阻输入级的共模增益为1，则在辅助放大器的反向端

\frac{2 V_{cm}}{R_{a}} + \frac{V_{0}}{R_{F}} = 0 - - - (2 - 1)

于是

V_{0} = - \frac{2 R_{F} V_{cm}}{R_{a}} - - - (2 - 2)

因为V_cm＝I_dR₀+V₀，从而

V_{cm} = \frac{I_{d} R_{0}}{1 + \frac{2 R_{F}}{R_{a}}} - - - (2 - 3)

可见，若要使|V_cm|尽可能小，可以利用所述右腿驱动电路，并增大R_F/R_a。

但在实际心电信号测量环境中，为了滤除高频干扰，往往在所述驱动电路的输入级增加低通滤波电路，同时因在人体、测量仪器和电力线之间还存在着静电耦合电容，所以所述右腿驱动电路的实际等效电路应如图2所示。其中，C_s是共模放大器和地之间的分布电容，C_b是人体和地之间的分布电容，G是反向放大倍数，R_e1、R_e2是电极阻抗，R₀是限流电阻。闭环系统将引入180°相移(其中，

H = \frac{1}{1 + \frac{G}{2 πB} s}

)。放大器A1、A2实现单位增益，在感兴趣频域内不产生相移。但是A3在f＝B/G处有一个极点(B是增益带宽)。同时，二阶RC网络形成的低通滤波器可以改变系统相移(该图忽略了电极电容)。因为无法确定R_e1、R_e2和C_b，也就无法确定所述极点的确切位置，从而难以实现极点对销。为了保证系统稳定性，通常采用降低转角频率，并且增加反馈电容C_f的措施。但是由于该反馈电容的作用，右腿驱动放大电路的输出信号并不和共模信号V_c完全反相。

以图3所示的一个右腿驱动电路实际应用电路为例，它的频率特性如图4所示，可见该电路输出的反馈信号并不是180°反相，在50Hz干扰频率处其相位是126°。从而，抑制工频共模干扰的实际效果并不能达到理论分析水平。况且，实际测量装置的电路延时还受到电路元件、运算放大器和心电电缆的参数影响。在测量时，人体、测量环境和测量装置构成一个复杂的测量系统，人体自身阻抗、皮肤电机阻抗和静电耦合电容还会使测量系统的传递函数更加复杂。其中，人体是反馈电路中的重要环节，因此人体参数是改变系统传递函数的重要因素。但由于人体个体差异的不可预知性，使得心电测量系统的抗干扰抑制能力具有很强的不确定性。

因此，上述现有技术的不足之处在于：因为硬件电路频率特性是固定的，而实际测量时系统传递函数具有不确定性，使得每一次生物电测量时，所述(以但不限于右腿为例的)驱动电路输出的反馈信号相位不能达到完全反相，从而降低了系统对工频干扰的抑制能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提出一种抑制工频共模干扰的方法及装置，用于生物电信号测量系统，改进所述驱动电路以自动进行相位补偿，使放大输出的反馈信号能与工频共模干扰信号180°反相，来提高系统抑制工频共模干扰的能力。

为解决上述技术问题，本发明的基本构思为，在所述驱动电路(以但不限于接右腿为例)中增加嵌入式系统电路，它接收该驱动电路原始输出的放大信号，并采集生物电信号，对该生物电信号进行分析来确定对所述原始放大信号相位的自动补偿量，从而将补偿后的放大信号反馈至右腿，来抵消工频共模干扰信号；这样可以提高抑制干扰的能力，有利于测量系统采集更高质量的心电信号。另外，若设置一个开关选择装置，还可以进一步控制是否要选用所述补偿相位用的嵌入式系统电路。

作为实现本发明构思的第一技术方案是，提供一种抑制工频共模干扰的装置，用于生物电信号测量系统，包括可连接受测生物体的共模干扰信号提取电路和连接该电路的驱动电路，该驱动电路改变了所述共模干扰信号的相位并放大；尤其是，还包括一个相位补偿处理装置，接收来自所述受测生物体的生物电信号和该驱动电路提供的所述放大信号，输出一个被送往所述受测生物体的反馈信号。

上述方案中，所述相位补偿处理装置包括至少一个模数转换器，将所述接收的两路模拟信号各自转换成数字信号，提供给一个单片机作分析处理；还包括一个数模转换器，接收来自所述单片机的经相位补偿的驱动信号，并转换成模拟信号，作为所述被送往受测生物体的反馈信号。

上述方案中，所述抑制工频共模干扰的装置还包括一个开关选择装置，两个选择端一端接所述驱动电路输出端，另一端接所述数模转换器或低通滤波器的输出端；该选择装置输出一个被送往受测生物体的反馈信号。

作为实现本发明构思的第二技术方案是，提供一种抑制工频共模干扰的方法，用于生物电信号测量系统检测生物电信号时抑制工频共模信号的干扰；该测量系统包括共模干扰信号提取电路和连接该电路的驱动电路，该驱动电路改变了所述共模干扰信号的相位并放大；尤其是，包括步骤：

A.在所述驱动电路和受测生物体之间设置相位补偿处理模块；

B.所述处理模块接收由受测生物体获得的生物电信号；

C.所述处理模块分析所述生物电信号的特征，并确定相位补偿量；

D.对所述驱动电路输出的信号作相应的延时处理；

E.将所述延时处理后的信号作为反馈信号提供给受测生物体。

上述方案中，所述步骤C包括循环处理过程：

a)初始化系统状态值；

b)提取当前系统状态下的工频干扰特征值；

c)系统状态值加1；再次提取特征值；

d)若该特征值减小，则表明工频干扰降低，补偿方向正确，继续步骤c)，直到系统状态值为最大；反之，补偿方向不正确，将系统状态值减1；

e)将所述系统状态值设定为当前系统最佳状态值，并确定相应的相位补偿量或该补偿量对应的延时时间；

其中，所述系统状态值为整数，分别对应一种相位补偿状态。

上述方案中，所述步骤D对驱动电路输出信号作延时处理的过程包括步骤：

①所述处理模块的微处理器控制模数转换器，设置采样通道和采样频率f_s，对所述驱动电路输出的信号进行采样；

②建立数组org_data[K+1]，逐次依序保存先后经模数转换器采集到的驱动信号；

③根据当前系统最佳状态值J决定延时输出的数据来自该数组中的对应组元org_data[K-J]；

④将所述以采样频率f_s输出的各数据经数模转换成模拟信号输出；

其中，

K = int (\frac{f_{s}}{200}) - 1,

int( )表示取整运算。

采用上述各技术方案，可以充分利用嵌入式系统软硬件紧密结合的特点，来实现生物电测量过程中驱动电路的自动相位补偿功能，从而兼顾了模拟电路系统的稳定性和电路相频特性，提高了电路抗工频共模干扰的能力，有利于提高生物电信号的采集质量。

附图说明

图1是现有心电测量中的右腿驱动电路及其等效电路示意图

图2是现有右腿驱动电路的实际等效电路示意图

图3是现有右腿驱动电路的实施例之一

图4是现有右腿驱动电路实施例的频率特性曲线

图5是本发明用来抑制工频共模干扰的改进的右腿驱动电路框图

图6是本发明改进电路的具体化示意图

图7是本发明抑制工频共模干扰的方法流程图

具体实施方式

下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本发明。

图5是(以心电检测为例)改进的(以右腿为例)驱动电路原理框图，来自共模干扰信号提取电路(为现有技术，未示出)的共模信号被送往驱动电路，改变相位并放大，从而该右腿驱动电路提供一个可被送往受测生物体的反馈信号；还包括一个相位补偿处理装置，接收来自所述受测生物体的生物电信号和该驱动电路提供的所述放大信号，输出又一个或唯一一个被送往受测生物体的反馈信号。

所述相位补偿处理装置包括至少一个模数(A/D)转换器，将所述接收的两路模拟信号各自转换成数字信号，提供给一个单片机作分析处理；还包括一个数模(D/A)转换器，接收来自所述单片机的经相位补偿的驱动信号，并转换成模拟信号，作为该相位补偿处理装置的输出。所述相位补偿处理装置输出的信号还可以经一个低通滤波器(LPF)滤波后才送往所述受测生物体。所述A/D转换器或D/A转换器也可以是被集成在所述单片机内部。

该改进电路还可以包括一个开关选择装置装置，两个选择端一端接所述驱动电路的输出端，另一端接所述D/A转换器或低通滤波器的输出端；从而该开关选择装置择一输出所述被送往受测生物体(以但不限于右腿为例)的反馈信号。对该开关选择装置输入信号的选择输出，可以由手工设置(比如通过拨动开关)来确定；也可以将所述开关选择装置的控制端连接所述单片机，由系统软件确定。

图6对上述框图进行了具体化。所述右腿驱动放大电路包括以放大集成电路U1(例如但不限于LM358)为核心的反相放大器，可以设置增益为-40倍(50Hz)左右。电容C1用来减小高频负反馈增益，防止高频自激，以维持反馈环路的稳定性。连接U1输出端的电阻R4用来限流，保证在单一故障模式下漏电流不超过50uA，同时还与连接该电阻另一端的电容C2一起用来低通滤波，以维持环路稳定性。所述A/D转换器可以选用8位或12位、采样频率不低于1KHz的模数转换器，例如但不限于MAX1290。D/A转换器可以与该A/D转换器相对应，例如但不限于MX7545A。所述单片机完成控制和数据处理功能，例如但不限于51系列单片机。

所述低通滤波器主要用来滤除D/A转换产生的高频信号，可以但不限于选择简单的一阶RC滤波电路来实现，如图示的电阻R5和电容C3，该滤波器的截止频率略低于采样频率的1/2。因其属于现有技术，其它形式的滤波器电路不在此赘述。本实施例的开关装置可以选用但不限于MC14053，以受控于所述单片机为例。

由于所述驱动电路原始输出信号的相移和负反馈系统要求的180°相移相比存在相位超前，我们可以对该信号采用延时输出的方法来进行相位补偿。因此本发明抑制工频共模干扰的方法，可以基于上述硬件电路，或基于上述硬件电路的同等变换电路，采用如下步骤：

B.所述处理模块接收由受测生物体获得的生物电信号；

D.对所述驱动电路输出的信号作相应的延时处理；

设测量系统右腿驱动电路输出反馈信号的超前相位为θ，系统采样频率为f_s，则驱动信号需要延时输出的时间t为

t = \frac{θ}{2 π f_{s}} - - - (4 - 1)

由于D/A变换输出的信号是离散信号，所以实际延时输出的时间是采样周期的整倍数

t_{n} = \frac{n}{f_{s}}, n = 0,1,2, L {- - - (4 - 2)}

这样，信号相应的延时相位为

{Dq}_{n} = 2 p \frac{t_{n}}{T} = 100 p \frac{n}{f_{s}}, n = 0,1,2 L - - - (4 - 3)

该补偿算法不一定能恰好使Dq＝q，但可以使Dq近似等于θ，从而在一定程度上补偿系统的超前相位，以获得更好的信号质量。同时可以看出，采样频率越高，Dq可以越接近θ，补偿效果也会越好。

因为右腿驱动电路及增加的相位补偿处理模块必须构成负反馈系统，所以原始驱动信号超前的相位区间为

实验证明，在该区间对驱动信号进行相位补偿时，所述工频干扰信号的强度存在唯一极小值。因此，我们可以采用趋势判断的方法来寻找最优延时输出时间t_opt，具体是：增加延时输出时间，若工频干扰强度降低，则认为补偿在向正确的方向进行并且可以继续增加延时时间；反之，则认为最优延时时间已超出，可以将前一延时时间认为是最优延时时间t_opt；若在

区间内的工频干扰信号强度不断减小，则将最大延时时间作为最优延时时间t_opt。

在补偿相位区间

整数n的取值范围为[0，K]，其中

K = int (\frac{f_{s}}{200}) - 1,

int( )表示取整运算。我们将n称作系统状态值。系统状态n对应的驱动电路输出信号延时时间设为t_n；生物电信号中工频干扰信号的强度以特征值F_n来表征，该特征值F_n定义为此时提取出的工频干扰信号在若干干扰信号周期内的峰峰值之和。这样，所述步骤C包括(如图7所示的)循环处理过程：

a)初始化系统状态值；

b)提取当前系统状态下的工频干扰特征值；

c)系统状态值加1；再次提取特征值；

e)将所述系统状态值设定为当前系统最佳状态值，并确定相应的相位补偿量或该补偿量对应的延时时间。

其中，图7为清楚表达起见，用F_ca变量来保存当前状态下特征值，系统进入下一状态后的特征值将和该变量进行比较以判断大小；用J代表系统最佳状态值，在此状态下生物电信号中的工频干扰信号强度达到局域极小，该状态对应的延时输出时间为

t_{opt} = \frac{J}{f_{s}} .

以采样频率f_s＝1KHz的心电测量系统为例，

K = int (\frac{f_{s}}{200}) - 1 = 4,

故n的取值范围为[0，4]，在

相位补偿区间存在5种右腿驱动电路补偿状态。当n＝0，1，2，3，4时，右腿驱动信号延时输出的时间分别为0，1ms，2ms，3ms，4ms，相应的相位补偿量为0，

若n＝2时的工频干扰特征值最小，则将状态2视为系统最佳状态，从而将此时延时时间设置为2ms。

所述处理模块在步骤B中接收生物电信号，可以通过微处理器控制模数转换器来进行采样，进而在步骤C中对采样数据进行特征分析。该特征分析中的所述工频干扰特征值可以按如下方式计算：

①逐次依序保存所述生物电信号先后经模数转换器采集到的数据到一预定数组；

②用一数字带通滤波器接收所述数据组，以提取工频干扰信号并输出相关数据；

③检测该输出数据一个周期内的最大值和最小值，从而计算该周期内的信号峰峰值V_PP；

④计算相邻若干周期内所述峰峰值V_PP之和，得到所述特征值F_n。

其中，所述带通滤波器可以采用简单的带通滤波器，例如但不限于中心频率为50Hz或60Hz，带宽为±2Hz的二阶巴特沃斯带通滤波器；因其属于现有技术，不在此赘述。

相应地，所述步骤D对驱动电路输出信号作延时处理的过程可以包括以下步骤：

③根据当前系统最佳状态值J决定延时输出的数据来自该数组中的组元org_data[K-J]；

④将所述以采样频率f_s输出的各数据经数模转换成模拟信号输出。

其中，所述逐次依序保存是指：每次模数转换后，各组元原先保存的数据均交由该组元的前一组元来保存，而组元org_data[K]保存刚采样到的数据；也可以是指该数据交换的同等变换保存方式，不再赘述。

所述步骤D中接收所述驱动电路输出的信号并对它作相应的延时处理，也可以采用其它处理方式，例如将该驱动信号直接经一个受微处理器控制而延时时间可调的延时器而输出，也在本发明的保护范围内。

本发明实施例经人体心电测量实验证明，当采样频率f_s为1KHz时，可以将原心电信号中的工频干扰信号强度降低到一半以下。上述分析表明，若采用更高的采样频率，可以获得更精确的延迟时间和更好的工频干扰抑制效果。

Claims

1. 一种抑制工频共模干扰的装置，用于生物电信号测量系统，包括可连接受测生物体的共模干扰信号提取电路和连接该电路的驱动电路，该驱动电路改变了所述共模干扰信号的相位并放大输出；其特征在于：

还包括一个相位补偿处理装置，接收来自所述受测生物体的生物电信号和该驱动电路提供的所述放大信号，输出一个被送往所述受测生物体的反馈信号。

2. 根据权利要求1所述抑制工频共模干扰的装置，其特征在于：

所述相位补偿处理装置包括至少一个模数转换器，将所述接收的两路模拟信号各自转换成数字信号，提供给一个单片机作分析处理；还包括一个数模转换器，接收来自所述单片机的经相位补偿的驱动信号，并转换成模拟信号，作为所述被送往受测生物体的反馈信号。

3. 根据权利要求1所述抑制工频共模干扰的装置，其特征在于：

还包括一个低通滤波器，所述相位补偿处理装置输出的信号经该低通滤波器后才送往所述受测生物体。

4. 根据权利要求2或3所述抑制工频共模干扰的装置，其特征在于：

还包括一个开关选择装置，两个选择端一端接所述驱动电路输出端，另一端接所述数模转换器或低通滤波器的输出端；该选择装置输出一个被送往受测生物体的反馈信号。

5. 一种抑制工频共模干扰的方法，用于生物电信号测量系统检测生物电信号时抑制工频共模信号的干扰；该测量系统包括共模干扰信号提取电路和连接该电路的驱动电路，该驱动电路改变了所述共模干扰信号的相位并放大；其特征在于，包括步骤：

B.所述处理模块接收由受测生物体获得的生物电信号；

D.对所述驱动电路输出的信号作相应的延时处理；

6. 根据权利要求5所述抑制工频共模干扰的方法，其特征在于，所述步骤C包括循环处理过程：

a)初始化系统状态值；

b)提取当前系统状态下的工频干扰特征值；

c)系统状态值加1；再次提取特征值；

7. 根据权利要求6所述抑制工频共模干扰的方法，其特征在于，

所述系统状态值的取值范围为[0，K]，其中

K = int (\frac{f_{s}}{200}) - 1,

int()表示取整运算，

f_s表示对生物电信号的采样频率。

8. 根据权利要求5或6所述抑制工频共模干扰的方法，其特征在于，

所述用来表征生物电信号特征的工频干扰特征值指的是：由所述生物电信号中提取出的工频干扰信号在若干干扰信号周期内的峰峰值之和；是按以下步骤计算而来：

9. 根据权利要求5所述抑制工频共模干扰的方法，其特征在于，所述步骤D对驱动电路输出信号作延时处理的过程包括步骤：

其中，

K = int (\frac{f_{s}}{200}) - 1,

int()表示取整运算。

10. 根据权利要求5所述抑制工频共模干扰的方法，其特征在于：

所述步骤D中，所述驱动电路输出的信号是送往一个受微处理器控制而延时时间可调的延时器来作相应延时处理的。