作者：周海峰；趙春宇；陳大躍

人體的神經信號直接表征著人體自我的意思，研究神經信號為了解、識別人體提供了一條途徑。多年來。目前，研究內容主要包括神經電極和神經信號調理電路兩部分。神經電極可以將神經電信號從人體中提取出來，而神經信號調理電路則對神經信號進行去噪、放大、識別等處理。

神經信號和人體的其它生物信號有相同的一些特點，也有其獨具的一些特征。根據神經生物學的研究，神經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神經，當有沖動電位信號到來時，肌肉纖維便發生收縮反應，收縮的力度根據神經沖動頻率的不同而有強弱的區別。因此，只要將脈沖電位進行識別，處理成數字控制信號，即可進行假肢控制等一類具體的應用。

當然，神經信號的檢測也有其困難的一面。人體的神經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，同時干擾又異常強大，因此有效信號往往會被淹沒。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半電池而產生的直流電壓，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。根據上文對神經信號特點的描述，設計了一款針對性強、性能優越、穩定可靠的神經信號調理電路。

1 電路系統結構及原理

根據神經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100萬倍，1V的共模信號等效力1μV的差模信號。同時電路的輸入阻抗也是一個很重要的參數。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，這會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，相對于幅值為微伏的神經信號而言，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，隨著微電子技術的不斷發展，出現了許多高性能的集成化儀器放大器，由于這類器件性能優異，避免了安裝調試等工作，在生物醫學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絡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。一般來講，儀用放大器對于高于20kHz的信號已經沒有了共模抑制能力，該網絡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，并且只需外接一個電阻即可設定增益，在生物信號處理領域被廣泛地應用。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，不能過大。

2．2 中間級處理電路

中間級處理電路分為帶通選頻網絡、二級放大電路、50Hz陷波器和增益調節電路等。

帶通選頻網絡由RC無源網絡組成，簡單可靠，通帶的最大范圍設定為0.05Hz～10kHz。根據個體的差異，網絡可由數字控制電路進行不同頻帶的組合來選擇，以符合最佳的信號狀態。

二級放大電路在結構上和增益調節電路類似，都是由運放接成電壓負反饋的形式。前者進行信號的放大，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，而且運用電壓串聯負反饋結構。其優點是結構簡單，具有如下不可替代的優越的性能：（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行了相位補償。通過合理的設計，電路頻率段的相位將變化平緩。上位提及的神經信號是一種類脈沖形狀的信號，信號形狀不發生明顯的畸變，在對其進行時域處理時有著積極的意義。

50Hz工頻陷波器采用典型的有源雙T陷波網絡的方案，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

神經信號是一種類脈沖的模擬電信號，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完成，該電路由一個滯回比較器構成。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，利用函數發生器產生標準的信號，對電路進行一系列的性能測試。由上文討論可知，神經信號是一種類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重點。圖6中（a）、（b）分別為信號放大性能和相位偏移測試的結果。函數發生器產生500mV/1kHz的正弦標準信號，經過兩次40dB衰減得到50μV/1kHz的測試輸入信號，以此來測試放大性能。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生器產生的1kHz方波模擬神經信號進行。如果系統對信號各頻段的相移顯著不同，則非常容易引起信號形態的畸變，如要對信號進行時域處理，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，經過識別規整后可在時域中完整重視。

由以上的討論可知，文中提出的電路有效地解決了神經信號調理的問題，電路系統地解決了神經信號調理的問題，電路系統實用可靠。目前已經完成了可提取神經信號的植入式電極的研究，利用文中的電路，將繼續開展臨床實驗等研究工作。

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