生物电势采集系统电路及其信号处理方法与流程

1.本发明涉及医疗设备领域，具体地涉及生物电势采集系统电路及其信号处理方法。


背景技术：

2.传统的医疗设备通常使用大的干电极或湿电极来测量生理信号(physiological signals)以获得生理特征，例如生物阻抗或心电图(electrocardiography，ecg)。近年来，便携式/可穿戴医疗设备等个人生物传感器因随时提供生理信息以供用户参考而变得流行。考虑到这些便携式医疗设备的使用和设计，较小的干电极更合适。然而，较小的干电极意味着较差的电极阻抗，较差的电极阻抗(即较大的电极阻抗)可能会导致心电图信号的检测错误。此外，由于接触因素或运动伪影(motion artifact)，电极-组织阻抗(electrode-tissue impedance，eti)可能会发生很大变化，由此增加了测量心电图信号的难度。
3.为了解决干电极应用中ecg信号的问题，检测eti以减少ecg信号中的运动伪影。在现有技术中，用于eti测量的电流被注入电极，eti接收器检测电极处的电压以确定eti。详细地，eti接收器可以包括混频器、低通滤波器和模拟数字转换器(adc)，来自电极的信号由混频器、低通滤波器和adc依次处理以得到eti信息。但是，由于eti接收器是模拟电路，eti接收器芯片面积大，功耗较高，混频器谐波较差，因此eti接收器对工艺规模(process scaling)不友好。


技术实现要素：

4.本发明提供生物电势采集系统电路及其信号处理方法，可使生物电势采集系统具有更小的芯片面积和更低的功耗。
5.本发明提供的一种生物电势采集系统电路，包括：输入节点，其中该输入节点耦接于该生物电势采集系统的电极，该电极用于与人体接触；电极-组织阻抗(eti)发射器，被配置为产生到该输入节点的发射器信号；和模拟前端电路，耦接到该输入节点，被配置为处理来自该输入节点的输入信号以产生数字信号，其中该输入信号和该数字信号中的每一个包括心电图(ecg)信号分量和eti信号分量。
6.本发明提供的一种生物电势采集系统的信号处理方法，包括：产生发射器信号至输入节点以进行电极-组织阻抗(eti)测量，其中该输入节点耦接至该生物电势采集系统的电极，且该电极用于与人体接触；和使用模拟前端电路处理来自该输入节点的输入信号以产生数字信号，其中该输入信号和该数字信号中的每一个包括心电图(ecg)信号分量和eti信号分量。
7.实施本发明实施例可使生物电势采集系统具有更小的芯片面积和更低的功耗。
附图说明
8.图1是图示根据本发明的一个实施例的生物电势采集系统100的图。
9.图2为本发明一实施例的模拟前端电路200的示意图。
10.图3为依照本发明另一实施例的模拟前端电路300的示意图。
11.图4是根据本发明一实施例的生物电势采集系统100的信号处理方法的流程图。
具体实施方式
12.在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”及“包括”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大体上”或“大约”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”或“耦合”一词在此包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电性连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电性连接至该第二装置。以下所述为实施本发明的较佳方式，目的在于说明本发明的精神而非用以限定本发明的保护范围，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
13.接下面的描述为本发明预期的最优实施例。这些描述用于阐述本发明的大致原则而不应用于限制本发明。本发明的保护范围应在参考本发明的权利要求书的基础上进行认定。
14.图1是图示根据本发明的一个实施例的生物电势(biopotential)采集系统100的图。如图1所示，生物电势采集系统100为具有电极102和104的双电极生物电势采集系统，电极102和104分别用于连接右身体(例如右手)和左身体(例如左手)，以获取人体的生物电势信号，生物电势采集系统100可以对生物电势信号进行处理和分析，以确定心电图信号等生理信号，并在生物电势采集系统100的屏幕上显示生理特征。在本实施例中，生物电势采集系统100可以内置于任何便携式电子设备或可穿戴电子设备中。
15.生物电势采集系统100包括输入节点nl和n2、eti发射器(在本实施例中，数字模拟转换器(dac)110用作eti发射器)、模拟前端电路120、数字混频器130和数字滤波器140、150和160，其中模拟前端电路120包括低噪声放大器122、低通滤波器124和adc 126；dac 110可以由任何合适的dac实现，例如电流dac、电容dac或电阻dac。当电极102和104连接到人体时形成eti，使得生物电势采集系统100可能具有较大的输入阻抗，并且输入阻抗可能由于接触因素或运动伪影而发生较大变化。在图1所示的实施例中，具有电极102/104的阻抗的eti被建模为电阻器r
el
和电容器c
el
并联连接的电路。在生物电势采集系统100的运作中，当电极102及104与人体接触且生物电势采集系统100开始测量心电图信号时，数字模拟转换器110接收数字输入信号din以产生发射器信号到电极102和104。然后，模拟前端电路120从分别耦接到电极102和104的输入节点n1和n2接收输入信号v
ip
和v
in
(生物电势信号)以产生包括ecg信号和eti信号的信息。具体而言，低噪声放大器122开始从输入节点n1和n2接收输入信号v
ip
和v
in
(生物电势信号)以产生放大的信号(amplified signal)，其中输入信号v
ip
和v
in
包括ecg信号和eti信号信息/分量。然后，低通滤波器124对放大的信号进行滤波以产生滤波后的信号。在一实施例中，dac110产生的发射器信号的频率高于ecg信号的频率，例如ecg信号的频率可能低于几百赫兹，而dac 110产生的发射器信号可能是几千赫兹。因此，低
通滤波器124可以滤除几千赫兹以上的分量并保留放大的信号内的ecg信号分量和eti信号分量。然后，adc 126对滤波后的信号进行模拟数字转换操作以产生数字信号。
16.数字混频器130具有同相(in-phase)路径和正交(quadrature)路径，同相路径内的混频器将数字信号的同相信号与相位与数字信号同相的混频器数据混频产生同相混频信号，并且正交路径内的混频器将数字信号的正交信号与相位与数字信号正交的混频器数据混频产生正交混频信号。在本实施例中，混频器数据的频率接近发射器信号的频率，使得同相混频信号和正交混频信号的频率较低。此外，数字混频器130可以是具有良好谐波的多位数字混频器。
17.此外，从dac 110到数字混频器130的输入端的信号通信和处理的相位超前(lead)和滞后(lag)可以通过模拟前端电路120和数字混频器130处的内部相移补偿来补偿以获得实用的同相混频信号和正交混频信号。
18.数字滤波器140对数字混频器130产生的同相混频信号进行滤波以输出同相eti信号eti_i，并且数字滤波器150对数字混频器130产生的正交混频信号进行滤波以输出正交eti信号eti_q。
19.同时，由于ecg信号具有较低的频率，例如几百赫兹，数字滤波器160可以直接接收adc 126输出的数字信号，即数字信号没有经过任何混频器处理，数字滤波器160过滤掉几百赫兹以上的分量，以得到心电图信号。
20.最后，生物电势采集系统100内的后续处理电路(未示出)可以通知用户关于运动伪影问题或者通过使用eti信号来调整/补偿由ecg接收器120产生的ecg信号。
21.在上述实施例中，由于ecg信号和eti信号由同一个模拟前端电路120同时处理，ecg信号和eti信号无需先进行混频操作而转换为数字信号，生物电势采集系统100可以具有更小的芯片面积和更低的功耗。此外，因为数字混频器130用于数字信号的混频操作，所以可以改善混频器谐波。此外，在生物电势采集系统100中使用数字滤波器140、150和160可以减少芯片面积并降低数据速率。
22.在图1所示的实施例中，模拟前端电路120包括低噪声放大器122、低通滤波器124和adc 126，但本发明不以此为限。图2为本发明一实施例的模拟前端电路200的示意图，其中模拟前端电路200可用于替代图1所示的模拟前端电路120。如图2所示，模拟前端电路200包括低噪声放大器210和adc 220，其中低噪声放大器210被配置为从电极102和104接收输入信号v
ip
和v
in
(生物电势信号)以产生放大的信号，其中输入信号v
ip
和v
in
包括ecg信号和eti信号的信息；adc 220对放大的信号进行模拟数字转换操作以产生数字信号。图3为依照本发明另一实施例的模拟前端电路300的示意图，其中模拟前端电路300可用于替代图1所示的模拟前端电路120。如图3所示，模拟前端电路300包括低通滤波器310和adc 320，其中低通滤波器310对来自电极102和104的输入信号v
ip
和v
in
(生物电势信号)进行滤波以产生滤波后的信号。例如，低通滤波器310可以滤除几千赫兹以上的分量并保留输入信号v
ip
和v
in
内的ecg信号分量和eti信号分量；adc 320对滤波后的信号进行模拟数字转换操作以产生数字信号。
23.图4是根据本发明一实施例的生物电势采集系统100的信号处理方法的流程图。同时参考图1和图4，信号处理方法的流程图描述如下：
24.步骤400:流程开始。
25.步骤402：产生用于进行eti测量的发射器信号到输入节点，其中输入节点耦接到生物电势采集系统用于与人体接触的电极。
26.步骤404：使用模拟前端电路对来自输入节点的输入信号进行处理，以产生数字信号，其中，该输入信号和该数字信号均包括ecg信号分量和eti信号分量。
27.步骤406：将数字信号与混频器数据混频以产生同相混频信号和正交混频信号，其中混频器数据对应发射器信号的频率，同相混频信号和正交混频信号包括eti信号分量。
28.步骤408：对同相混频信号进行滤波产生同相eti信号，对正交混频信号进行滤波产生正交eti信号，对数字信号进行滤波产生ecg信号。
29.简言之，在本发明的生物电势采集系统中，仅使用一个模拟前端电路来处理两个输入信号，产生包含ecg信号分量和eti信号分量的数字信号，并且用于获得eti信号的混频操作和滤波操作是在数字域中进行的。因此，生物电势采集系统具有更小的芯片面积和更低的功耗。
30.本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。