一种心电信号采集前端及双环工作点稳定方法

本发明涉及生物电信号采集与有机电化学晶体管接口电路交叉，尤其涉及一种心电信号采集前端及双环工作点稳定方法。

背景技术：

1、有机电化学晶体管（organic electrochemical transistor，oect）具有低工作电压、高跨导、离子-电子混合传导和适合生物界面耦合等优点，已经被用于心电、脑电、肌电等生理电信号采集。单纯将oect用于心电信号记录并非本发明所要强调的唯一创新点。

2、在实际心电采集过程中，oect前端通常同时面临两个不同层面的漂移问题：其一，oect器件及生物界面引入的慢变直流漂移会进入后级放大链路，造成仪表放大器输出基线偏移甚至饱和；其二，oect器件本身的工作点会随电化学反应、离子迁移、水凝胶含水量、人体接触状态和偏置条件变化而偏离高跨导或线性工作区。

3、若只在后级采用高通滤波或积分反馈，虽然能够把放大链路输出基线拉回到adc输入范围，却不能恢复oect器件本身的跨导和线性工作点；若只采用数字偏置调节，调节动作会直接改变oect器件偏置，容易把心电有效低频成分或qrs波群误判为工作点漂移并引起波形扰动。因此，需要一种具有时间尺度分离和互锁约束的双环协同稳定方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种心电信号采集前端及双环工作点稳定方法，以解决oect心电采集前端中后级放大链路基线漂移和oect器件工作点偏移相互叠加、容易导致信号饱和和长期采集不稳定的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种心电信号采集前端，包括oect前端传感器、信号处理电路、工作点采集电路、可调偏置产生电路以及控制单元；oect前端传感器包括至少两个输入oect器件和至少一个偏置/尾端oect器件。

3、所述工作点采集电路的工作点电压包括oect输出端共模电压、源漏工作电压、公共源节点电压、尾端偏置节点电压中的至少一种；所述oect前端传感器的oect偏置端包括vdd、vss、vbias和vref中的至少一种端口。

4、信号处理电路包括输入耦合与滤波单元、仪表放大单元、积分反馈单元、二阶低通滤波单元以及电压跟随和输出缓冲单元；积分反馈单元的输出端连接至仪表放大单元的参考端、补偿端或等效偏置端，以构成模拟低频漂移抑制环路；工作点采集电路、控制单元和可调偏置产生电路构成作用于oect偏置端的数字工作点调节环路。

5、本发明的核心不在于简单并列两个反馈环路，而在于使两个环路具有明确的频段和时间尺度分工，并且数字偏置更新受到模拟环路稳定状态和心电有效波形窗口共同约束；模拟低频漂移抑制环路的时间常数可为0.5s至60s，优选为1s至20s；数字工作点调节环路的更新周期可为5s至300s，优选为10s至60s。

6、数字偏置更新的允许条件包括：积分反馈单元的输出变化率低于预设阈值、连续n个工作点采样值偏离目标工作区间、且当前采样窗口未检测到qrs波群，其中n为大于等于2的整数；在不满足上述条件时，控制单元禁止、延迟或限速更新可调偏置电压。

7、两个输入oect器件以及偏置/尾端oect器件均可采用oect器件的层叠结构。该oect器件采用gdpp-g2t沟道层、ag/agcl栅极和水凝胶/电解质层组合。gdpp-g2t沟道用于形成p型有机电化学晶体管通道，ag/agcl栅极用于提供相对稳定的电化学栅控界面，水凝胶/电解质层用于在人体生理电位、栅极和沟道之间形成离子导通路径。

8、本发明的机制性技术效果在于：相比仅采用后级高通或积分反馈，本方案能够在不直接改变心电有效波形窗口内oect偏置的情况下，使oect器件工作点回到目标区间；相比仅采用数字偏置调节，本方案通过模拟环路先防止仪表放大器饱和，降低数字环路误跟踪心电低频成分的概率。由此，模拟环路先稳后级，数字环路慢速回调oect工作点，且数字更新避开心电有效事件和模拟环路暂态。

1.一种心电信号采集前端，包括oect前端传感器、信号处理电路（400）、工作点采集电路、可调偏置产生电路以及控制单元，其特征在于，所述oect前端传感器包括用于采集并放大心电信号的两个输入oect器件以及用于提供尾端偏置或偏置电流的一个偏置/尾端oect器件，并具有与所述信号处理电路（400）连接的差分输出端；所述信号处理电路（400）包括依次连接的输入滤波单元（401）、仪表放大单元（402）、积分反馈单元（403）、低通滤波单元（404）以及电压跟随和电平调理单元（405），所述积分反馈单元（403）的输出连接至所述仪表放大单元（402）的参考端、补偿端或等效偏置端，以形成模拟低频漂移抑制环路；所述工作点采集电路用于采集所述oect前端传感器的工作点电压，所述可调偏置产生电路用于向所述oect前端传感器的oect偏置端提供至少一路可调偏置电压；所述控制单元通过所述工作点采集电路和所述可调偏置产生电路形成数字工作点调节环路，并且仅在所述积分反馈单元（403）的输出变化率低于预设阈值、连续n个采样值偏离目标工作区间且当前时间窗未检测到qrs波群时，才允许调整所述可调偏置电压，其中n为大于或等于2的整数。

2.根据权利要求1所述的心电信号采集前端，其特征在于，所述模拟低频漂移抑制环路的时间常数为0.5s至60s，所述数字工作点调节环路的更新周期为5s至300s，且所述数字工作点调节环路在每次偏置更新后设置稳定等待时间，在所述稳定等待时间内暂停下一次偏置更新或降低偏置更新步长。

3.根据权利要求1所述的心电信号采集前端，其特征在于，所述两个输入oect器件采用电阻负载或等效oect负载并构成差分输入结构，所述偏置/尾端oect器件用于向所述两个输入oect器件提供尾端偏置或偏置电流。

4.根据权利要求3所述的心电信号采集前端，其特征在于，所述两个输入oect器件和所述偏置/尾端oect器件均采用oect器件（100）的层叠结构；所述oect器件（100）包括柔性基底（101）、au源极（102）、au漏极（103）、gdpp-g2t沟道层（104）、au栅极底或au栅极连接层（105）、ag/agcl栅极（106）、水凝胶/电解质层（107）以及整体封装层（108），所述水凝胶/电解质层（107）覆盖或接触所述gdpp-g2t沟道层（104），并与所述ag/agcl栅极（106）形成离子导通路径；所述整体封装层（108）为parylene、pdms、su-8、环氧封装胶、uv固化胶中的一种或组合，并覆盖非传感区域且暴露与所述水凝胶/电解质层（107）对应的传感窗口。

5.根据权利要求4所述的心电信号采集前端，其特征在于，所述oect前端传感器为三管oect传感器阵列（200），包括第一输入oect器件（201）、第二输入oect器件（202）、偏置/尾端oect器件（203）、公共源节点（204）、out+输出端（205）、out-输出端（206）、ecg+输入端（207）、ecg-输入端（208）、vbias输入端（209）以及vss/尾端偏置端（210）。

6.根据权利要求5所述的心电信号采集前端，其特征在于，所述out+输出端（205）和out-输出端（206）分别连接至外部pcb/fpc转接板（300）上的r3电阻负载接口（302）和r4电阻负载接口（303）；所述oect前端传感器通过au外部连接焊盘（211）、导电银胶（212）、uv固定胶（213）和铜线（214）与所述外部pcb/fpc转接板（300）连接，其中所述导电银胶（212）用于电连接，所述uv固定胶（213）用于机械固定和应力释放。

7.根据权利要求1所述的心电信号采集前端，其特征在于，所述输入滤波单元（401）包括输入耦合电容和泄放电阻，所述输入耦合电容为0.1μf至10μf，所述泄放电阻为100kω至20mω；所述积分反馈单元（403）包括积分放大器、积分电阻和积分电容，所述积分电阻为100kω至20mω，所述积分电容为10nf至100μf。

8.根据权利要求1所述的心电信号采集前端，其特征在于，所述可调偏置产生电路包括多通道数模转换电路（501）和极性映射电路（502）；所述多通道数模转换电路（501）用于输出多路数模转换电压，所述极性映射电路（502）包括反相放大器和电平移位电路中的至少一种，用于将所述数模转换电压映射为vdd、vss、vbias、vref中的至少一种偏置电压；所述工作点电压包括所述oect前端传感器的差分输出端共模电压、所述输入oect器件的源漏工作电压、所述公共源节点（204）的电压以及所述偏置/尾端oect器件的偏置节点电压中的至少一种。

9.一种应用于权利要求1至8中任一项所述心电信号采集前端的双环工作点稳定方法，其特征在于，包括：通过将所述积分反馈单元（403）的输出施加至所述仪表放大单元（402）的参考端、补偿端或等效偏置端，对所述信号处理电路（400）中的低频基线漂移进行模拟反馈补偿；通过所述工作点采集电路采集所述oect前端传感器的工作点电压；当所述积分反馈单元（403）的输出变化率低于预设阈值、连续n个采样值偏离目标工作区间且当前时间窗未检测到qrs波群时，通过所述可调偏置产生电路调整所述oect偏置端的可调偏置电压；其中，所述模拟反馈补偿用于抑制所述信号处理电路（400）的基线漂移，所述可调偏置电压的调整用于使所述oect前端传感器返回目标工作区间。

10.根据权利要求9所述的双环工作点稳定方法，其特征在于，所述模拟反馈补偿按照0.5s至60s的时间常数连续运行，所述可调偏置电压按照5s至300s的更新周期间歇调整，并在每次偏置更新后设置稳定等待时间；在所述稳定等待时间内暂停下一次偏置更新或降低偏置更新步长。