一種神經(jīng)信號調理電路的設計

人體的神經(jīng)信號直接表征著(zhù)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(lái)。目前，研究?jì)热葜饕ㄉ窠?jīng)電極和神經(jīng)信號調理電路兩部分。神經(jīng)電極可以將神經(jīng)電信號從人體中提取出來(lái)，而神經(jīng)信號調理電路則對神經(jīng)信號進(jìn)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(diǎn)，也有其獨具的一些特征。根據神經(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(dòng)神經(jīng)，當有沖動(dòng)電位信號到來(lái)時(shí)，肌肉纖維便發(fā)生收縮反應，收縮的力度根據神經(jīng)沖動(dòng)頻率的不同而有強弱的區別。因此，只要將脈沖電位進(jìn)行識別，處理成數字控制信號，即可進(jìn)行假肢控制等一類(lèi)具體的應用。


當然，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(shí)干擾又異常強大，因此有效信號往往會(huì )被淹沒(méi)。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。根據上文對神經(jīng)信號特點(diǎn)的描述，設計了一款針對性強、性能優(yōu)越、穩定可靠的神經(jīng)信號調理電路。

1 電路系統結構及原理

根據神經(jīng)信號的特性以及通用電極的特性，調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(wàn)倍，1v的共模信號等效力1μv的差模信號。同時(shí)電路的輸入阻抗也是一個(gè)很重要的參數。高輸入阻抗可以有效地減小信號源高內阻的影響。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，這就要求設計的電路的輸入阻抗大于百兆歐。另外，由于各個(gè)電極接觸的人體組織不同，因而表現出不穩定的高內阻源性質(zhì)，這會(huì )引起電極輸入阻抗的不平衡，使共模干擾向差模干擾轉化。提高放大器的輸入阻抗有利于減小這一轉化的影響。同時(shí)，相對于幅值為微伏的神經(jīng)信號而言，調理電路的低噪聲、低漂移等指標也是極為重要的。本文提出的神經(jīng)信號調理電路的結構如圖1所示。電路系統共分為三部分：前置輸入放大電路、中間級信號處理電路和后續信號識別傳輸電路。

2 電路設計

早期的生物信號電路多采用分立元件設計，隨著(zhù)微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，出現了許多高性能的集成化儀器放大器，由于這類(lèi)器件性能優(yōu)異，避免了安裝調試等工作，在生物醫學(xué)儀器設計中受到了普遍的歡迎。本文的設計中充分應用了這類(lèi)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。電路結構圖如圖2所示。

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

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(lái)講，儀用放大器對于高于20khz的信號已經(jīng)沒(méi)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)典的三運放結構而具有較高的輸入阻抗和共模抑制比，并且只需外接一個(gè)電阻即可設定增益，在生物信號處理領(lǐng)域被廣泛地應用。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(gè)數量級。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十倍之內，不能過(guò)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陷波器和增益調節電路等。

帶通選頻網(wǎng)絡(luò )由rc無(wú)源網(wǎng)絡(luò )組成，簡(jiǎn)單可靠，通帶的最大范圍設定為0.05hz～10khz。根據個(gè)體的差異，網(wǎng)絡(luò )可由數字控制電路進(jìn)行不同頻帶的組合來(lái)選擇，以符合最佳的信號狀態(tài)。

二級放大電路在結構上和增益調節電路類(lèi)似，都是由運放接成電壓負反饋的形式。前者進(jìn)行信號的放大，而后者控制整體電路的增益，最大可達120db。其結構示意圖如圖3所示。這里，運算放大器選用op27，而且運用電壓串聯(lián)負反饋結構。其優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)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(gè)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(jìn)行了相位補償。通過(guò)合理的設計，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(lèi)脈沖形狀的信號，信號形狀不發(fā)生明顯的畸變，在對其進(jìn)行時(shí)域處理時(shí)有著(zhù)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。其結構示意圖如圖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(lèi)脈沖的模擬電信號，將此信號傳輸到后續的數字電路前，需先將其規整成標準的方波信號。這由信號識別電路來(lái)完成，該電路由一個(gè)滯回比較器構成。為了保證安全以及防止模擬和數字電路之間的干擾，光電隔離電路也是一個(gè)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成信號正反饋的結構，抗干擾能力強，閥值可由ur根據實(shí)際情況調整，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，這里選用6n137光電耦合器。

3 結果及討論

電路調試完成后，利用函數發(fā)生器產(chǎn)生標準的信號，對電路進(jìn)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(lèi)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(zhù)重點(diǎn)。圖6中（a）、（b）分別為信號放大性能和相位偏移測試的結果。函數發(fā)生器產(chǎn)生500mv/1khz的正弦標準信號，經(jīng)過(guò)兩次40db衰減得到50μv/1khz的測試輸入信號，以此來(lái)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發(fā)生器產(chǎn)生的1khz方波模擬神經(jīng)信號進(jìn)行。如果系統對信號各頻段的相移顯著(zhù)不同，則非常容易引起信號形態(tài)的畸變，如要對信號進(jìn)行時(shí)域處理，這是非常不利的。從結果可得，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，保持了原有的形態(tài)，經(jīng)過(guò)識別規整后可在時(shí)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)信號調理的問(wèn)題，電路系統地解決了神經(jīng)信號調理的問(wèn)題，電路系統實(shí)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，將繼續開(kāi)展臨床實(shí)驗等研究工作。