采集人體穴位電位信號中的濾波方法

文/秦川 高翔

在現代中醫理論中經絡和穴位是人類健康狀態反應的系統性體現。具有生物學的基礎特點。一般認為經絡是人體各個器官以及大腦的連接通道，而且穴位是這些連接通道上接近表皮的點。有觀點認為，經絡傳輸的介質主要為各種電磁能量，所以經過驗證在穴位上的電磁特性與皮膚上的其他位置的電磁特性具有不一樣的特征。但由于這些電信號非常微弱，使用貼片性電極傳感器采集，產生的電池噪音非常嚴重。因此設計一種適應的采集方采集方法，來獲取有效的穴位的生物電信號，使后期對這些信號不論是進行小波的處理，還是進行非線性的分析，都可以獲得更加精確的數據。

1 設計思路

伏級在μV～mV之間的電壓是皮下的經絡和穴位的電信號常見的電位信號的伏級范圍，為了將電極采集到的微弱的穴位的電磁信號從復雜的噪音背景中提取出來，首先必須將信號放大。雖然可以只通過一次放大就完成信號放大的工作并且完成放大工作的同時又降低了電路的復雜度。但是實現的方法是需要調整較大的信號放大倍數，這樣我們需要采集的信號被放大了但不需要的雜波噪音同時也被放大了，這樣子得到的信號在后面濾波處理時就需要在濾波模塊濾除這些雜波噪音，這需要在電路中就需要加入較大的電阻和電容電路，很難做到器件參數的精確匹配。所以在設計上不采用一級放大，而是在濾波模塊輸入和輸出的部分分別設置了不同放大倍數的放大模塊和濾波模塊。其中一級放大模塊的放大倍數在80倍左右為宜，二級放大倍數可以增加到500以上800倍以下。在各級放大電路后加入合適參數的濾波模組，在最后的輸出接口就可以得到放大并且純凈的經絡和穴位的模擬電信號，可以直接由模數轉換電路轉換成數字信號。

2 實現方法

在本文中將使用儀表放大器AD8821組成一級放大模塊使用的核心，AD8821是一種性能較好的單片集成的儀表放大器，放大器采用超小型MSOP 封裝并且在高于其它同類儀表放大器的帶寬內提供增加的CMR，在低輸入信號幅度條件下也能保持精密度，在使用上較為方便增益進行調整可以通過用一個外接電阻來實現，調節該電阻的大小就可以完成對放大電路放大倍數的調整。由于AD8821的這種噪聲小、高精確度、高阻抗，高共模抑制比的優點所以非常適合用于采集穴位電磁信號的精密數據采集系統。

如圖1所示，在一級放大電路的設計中傳感器采集的信號通過其電阻阻值為4.5kΩ的R1，然后進入到處于AD8821的（第4腳），該腳為一同相輸入端，兩外一邊的(第2腳)為反相輸入端，該位置的電阻R2設置為5.0kΩ，線路經過R2后接地，電容C1在電阻R1和電阻R2之間可以起到去耦合的效果，第2腳與第5腳間的電阻R3和電阻R4的值是一個可以調整的值，通過對該值的調整可以調整AD8821的信號放大倍數的增益。AD8821的第7腳對放大后的信號進行輸出。由以下公式算出信號放大倍數的增益的大小：

一級放大模塊電路如1圖所示。

由于采集并且經過一級放大電路放大過后的電磁信號頻率范圍處在0.48kHz至1.9kHz之間，因此濾波通帶的范圍就以此參數來設計，信號的調理模塊中，包含一個低通濾波器，該濾波器的截止頻率為頻率范圍的上限，，還包含一個高中濾波器，該高通濾波器的截止頻率為頻率范圍的下限。一般情況下還會包含一個，無源濾波器，其主要結構包含了電感、電容和電阻，但是在低頻范圍，由于電感參數較小，以及其他采集信號的性能參數不適，所以一般會將習慣使用的無源濾波器去掉。在本文中只考慮在信號調理模塊中使用有源濾波的方式。常見的四種濾波器有切比雪夫(ehebyshev)Ⅰ型和Ⅱ型濾波器、以及巴特沃斯(Butterworth)濾波器、橢圓(ElliPtic)濾波器，根據本設計采集信號的特點，選用巴特沃斯型電路來設計低通濾波電路和高通濾波電路是比較合適的。電路圖如圖2所示。

由于1.9kHz是人體的經絡和穴位神經電磁信號的上限范圍，根據這一點，在低通濾波器上，我們將1.9kHz作為其過濾頻率的閾值，這樣子就可以將1.9赫茲以上的電磁信號過濾掉。在本文中將使用NJM074V四運放集成電路來構成本系統所需的低通濾波器和高通濾波器，而高通濾波器的作用則可以濾出傳感器線路上的各種干擾與人體肌肉震顫所造成的低頻電磁信號所致的基線漂移。根據巴特沃斯型電路的設計規范，電路中連接的R3和R4電阻其4個運放模塊，實現一個的低通濾波器和高通濾波器，高通濾波器的部分，同樣包含了R5和R6以及一個運算放大的模塊。

圖1：一級放大電路

由模塊的方程表達式：

由（式1）推導出高通傳導函數，將S替換成S的倒數即可：

導出使用有源可控的低通傳遞函數：

已知：

將（式4）帶入（式3）并假設階數為1，把N值設定為1可得：

結合圖2可得下列公式：

通過采集信號時倍增一倍數的設定，以及測量時的頻率，再加上濾波器選用類型，我們就可以通過上述公式，推出公式：

通過式7求出參數k，然后將巴特沃斯型電路使用手冊查出的表參數乘以k值，就能獲得實際需要設定的電阻參數。低通濾波器電路中電阻和電容所需要的實際參數，在式7中代入C的參數后就可獲得，如下參數：

C1=C2=0.02μ，R1=1.3KΩ，R2=1.6KΩ，R3=5.5KΩ，R4=5.0KΩ。

高通濾波器參數的獲取所使用方法和上述相同，得到的參數如下：

C3=C4=0.95μF，R4=4.0KΩ，R5=3.5KΩ，R6=7.0KΩ，R7=7.1KΩ。

圖2：信號處理模塊

通過測試，部分干擾信號可以順利的通過一級放大電路和濾波模塊。這種信號是一種差模信號，他主要來自于表皮的汗液中的微弱電位差，一部分來自于供電模塊上的4店，他們都有一個共同的特點，公信號頻率都在50赫茲左右，所以在二級放大和濾波模塊上，必須設置一個，專門針對這種噪音的濾出模塊，這個任務由圖2中的NJM074V的第三組運放構成一個50Hz有限頻帶濾波器，來專門應對這個任務，外部電路的設置參數，同樣參考 上述公式，通過計算可得：R9=50KΩ、R10=58KΩ、R11=30KΩ，C5=0.046uF、C6=0.05uF、C7=0.105uF。通過選用合適的電阻就可以將值調整為接近50Hz左右。

3 小結

本文通過兩級濾波的方式，將采集到的電信號的電位范圍在35mV～190mV，在采集到該范圍內的信號后將其放大，放大后輸出的信號控制一3V～十3V之間。信號在這個范圍內，在一定時間的測量下是穩定的，可以通過各種形式的ad轉換器件進行模數轉換，最終將其轉換成有效的數字信號。在實際設計上，該值小幅超出轉換需求的值，可以在模數轉換時防止輸入電壓幅值在一定范圍內抖動，在抖動時造成瞬時電壓超過AD轉換設備電壓接受幅值的設計范圍。