CN115066204A - 用于获取和监测生物电信号的装置、***和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于获取生物电信号的装置，所述装置包括至少两个电极。所述装置还包括电流电源，所述电流电源包括直流电源、交流电源和开关，所述开关可致动以选择地在所述直流电源和所述交流电源之间切换。所述装置还包括电容耦合、直接耦合和开关，所述电容耦合将每个电极耦合到所述电流电源，所述直接耦合将每个电极耦合到所述电流电源，所述开关可致动以选择地在所述直接耦合和所述电容耦合之间切换。所述装置还包括数据获取模块。

Description

用于获取和监测生物电信号的装置、***和方法

技术领域

本发明涉及一种用于从皮肤接触装置(例如可穿戴的)获取和监测生物电信号(例如心电图(ECG))的装置、***和方法。

背景技术

随着越来越多的技术和产品被适配到可穿戴和触敏装置中，可穿戴和触敏技术在世界市场上变得越来越明显和广泛可用。越来越受关注的一个特定技术领域是通过生物感测来获取生物信息。获得该信息允许技术进一步增强，因为它可以被实现为一系列功能应用，例如改进的安全性、个性化的认证、个人健康监测和压力检测等等。

生物电信号的获取和监测本身可以是有价值的，例如作为监测潜在生理条件或过程的手段。另外，它可以具有作为生物感测形式的价值，用于其它目的，例如用于识别/认证。生物感测可以优于其他更常见的个人物理检测形式，例如指纹识别、虹膜响应和语音激活。这在安全性和认证***中是特别有利的，因为更难复制个人的自然特征，例如他们的心跳、肌肉活动和汗腺反应。

在这方面，感测与个体的心跳相关联的特征生物信息的能力可能是特别有趣的。来自心脏的电信号提供数据点的迹线，这些数据点对于每个个体是唯一的并且不能被复制，即使当心脏经受不同的应力时，即当个体锻炼时。

测量受试者的心跳的最常见方法是使用心电图来测量电信号，其中，所述心电图记录心脏随时间的电位变化。这种电活动的较长的记录被称为心电图或ECG。使用测量电极接触点之间的电位变化的一对(或更多)电极来记录所述ECG测量。在临床情况下，所述ECG电极主要通过使用粘性凝胶电极与受试者的皮肤接触，并且定位在跨越心脏的各个点处，以实现准确的读取。当通过电脉冲刺激个体的心跳时，电位的变化与心脏和肌肉活动强相关。单次心跳的基本要素是：左、右心房去极化时产生的P波；反映左、右心室的去极化的QRS复合波；以及对应于心室复极化的T波。现有的方法试图通过这些不同的元素及其各自的尺寸、形状和位置来表征个体。

与个体的心跳相关联的生物电信号可以是个体的特别特征，并且本文讨论了其中获取和监测这种特征生物电信号的示例。然而，本领域技术人员将不通过这样的实例推断本发明需要限于任何特定生理活动的任何特定类别的生物信号特征，而是将理解能够表征个体的任何生物信号可在本发明的上下文中找到应用。

皮肤接触装置，例如可穿戴的，是用于获取和监测来自受试者的生物电信号的有用装置是。许多生物感测装置已经被适配成测量用户的自然特性，同时还足够小以能够作为可佩戴装置或固定在其它接触型装置中。然而，当试图从使用皮肤接触装置(例如可穿戴装置)的受试者获取生物电信号时，仍然出现若干问题，特别是在该装置的使用意图用于非临床环境中的日常应用的情况下。

这种问题例如可以通过观察当通过可穿戴或接触装置测量个体的ECG时可能出现的问题来考虑。测量ECG的临床方法不适用于这种在非临床环境中的日常应用。例如，具有用于家庭应用的接触装置和/或用于消费产品(例如智能手表、可穿戴环、方向盘、操纵杆等)或包括所述消费产品的一部分的接触装置。这些应用通常需要使用干电极，并且由于在小型消费产品上的空间有限，因此通常限于仅使用两个电极，然而如果产品不是空间有限，则可以使用更多的电极。此外，在临床装置(例如临床ECG)中使用的放大器具有高电压轨道，其允许更大的偏移电位被容许。这对于小型电池操作装置是不切实际的，诸如智能手表或其他可穿戴的消费装置。

在皮肤接触装置意欲在非临床环境中的日常应用的情况下，其中非临床环境例如在家庭应用或用于消费产品(例如智能手表、可穿戴环、方向盘、操纵杆)等等，当寻求从受试者获取各种其它生物电信号时，与皮肤接触装置(例如可穿戴装置)的使用有关的类似问题可以被预期。

大多数干电极由贵金属材料制成，例如银、金、铜等，因为它们在与皮肤接触时具有很少或没有极化效应，从而减小皮肤/电极结合处的偏移电位。可以使用其它高电容材料，但是由于当直流电流通过电极***时在皮肤/电极结合处的高极化效应，产生次优的数据获取性能。这种电流被需要以检测用户何时与电极接触。可以选择这些材料以满足消费产品的美学要求，例如对彩色或纹理表面的需要。为了克服这些导电材料的较大和不稳定的电位偏移，使用交流道耦合至电极的替代操作方法是已知的。交流电耦合需要使用交流电流进行引线接通和断开检测，然而，这需要更多的功率，因为该方法比使用直流电流的方法复杂得多。

对于用于日常家庭应用或用于消费产品(例如智能手表、可穿戴环、方向盘、操纵杆等)中的装置而言，功率消耗可能是更关键的因素。这种装置可以仅间歇地主动地获取数据，并且花费很长的空闲时间等待进行皮肤到电极的接触。在电源是紧凑型电池的情况下，效果可能最大。因此，在这种情况下将交流电流用于引线检测将需要更高的电池消耗，并且在许多这种装置中可能具有有限的实用性。

因此，需要降低可穿戴和/或便携式装置中的功耗，特别是电池功耗，同时在放大器输入处保持低差分电位偏移，以便利用更宽范围的导电材料。

本发明涉及提供一种用于获取和监测来自个体受试者的生物电信号，特别是趋向于所述受试者的特征的生物电信号的装置、***和方法。

本发明特别涉及提供一种皮肤接触装置，例如可穿戴装置，以及结合该皮肤接触装置的***和方法，用于在非临床的家庭环境中获取和监测生物电信号。

本发明涉及提供一种装置、***和方法，该装置、***和方法有助于在预期用途中使用替代电极材料作为用于干燥皮肤接触的电极。

发明内容

在本发明的一个方面，提供了一种用于获取生物电信号的装置，包括：

至少两个电极；

电流电源，所述电流电源包括直流电源、交流电源、以及开关，所述开关可致动以选择地在所述直流电源和所述交流电源之间切换；

电容耦合，所述电容耦合将每个电极耦合到所述电流电源；直接耦合，所述直接耦合将每个电极耦合到所述电流电源；以及开关，所述开关可致动以选择地在所述直接耦合和所述电容耦合之间切换；

数据获取模块。

所述电极在使用时被应用到，以及适于在使用时被应用到，活体动物的身体的皮肤表面上的间隔位置，特别是在人类受试者的身体的皮肤表面上的间隔位置。因此，所述电极能够在隔开的位置处向皮肤施加电位差，以检测电极和皮肤之间的接触，并且将所得到的介导的生物电位信号从皮肤表面传输到生物数据获取模块，从而可以获取与一个或多个生理过程相关联的生物电数据，并且可以由此监测一个或多个这样的生理过程。

在这种程度上，本发明的第一方面的装置是常规的皮肤接触装置，其可以例如被配置为可穿戴的，通过所述装置来自远程间隔的皮肤接触点的生物电信号可以从受试者获取和/或在受试者中监测。

提供可选择地切换的直流电流电源或交流电流电源，并且可在可切换的直接连接和电容耦合之间切换，其中，所述电容耦合将每个电极电耦合到电流电源和数据获取模块。因此，所述装置配置为具有两种操作模式。

在第一操作模式中，直流电流电源和直流连接被选择，向每个电极供应直流电流，并且以通常的方式在所述电极和所述数据获取模块之间进行直接电连接。在第二操作模式中，交流电流电源和电容耦合被选择，并且向每个电极供应交流电流。所述交流电流电源的频率设计为远高于被测量的信号的内容，从而可以在生物电信号数据获取的同时进行引线接通/断开检测。

所述装置被方便地配置为能够在所述第一操作模式和所述第二操作模式之间切换。在所述第一操作模式中，直流电流电源和直流连接被选择，向每个电极供应直流电流，并且在所述电极和所述数据获取模块之间进行直接电连接；在所述第二操作模式中，交流电流电源和电容耦合被选择，并且向每个电极供应交流电流。

在预期用途中，其中所述装置旨在用于基于皮肤接触的间歇/偶然周期的数据获取的间歇/偶然周期，其间具有空闲周期，所述第一操作模式可用作空闲模式，例如，用于当所述电极不与受试者的皮肤接触并且由所述电极构成的电路开路时的操作，并且所述第二操作模式可用作活动模式，例如，用于当是所述电极与受试者的皮肤接触并且由此由所述电极构成的电路闭合并且打算主动获取数据时的操作。

这提供了在使用活动模式阶段的期间交流耦合数据获取的优点，特别是克服在皮肤/电极结合处的电位偏移，以便利用更宽范围的导电材料，同时减少在使用空闲阶段中等待进行皮肤到电极接触的功率消耗，以减少总功率消耗，特别是电池功率消耗，其在可穿戴和/或便携式装置和/或家用装置中可能具有特别价值。

在一些实施例中，该装置还包括电池电源，其作为用于交流电流电源和直流电流电源的电功率源。附加地或可替换地，可以提供其它集成或远程电功率源。

所述电极可适于用作干燥电极，即在使用中与皮肤直接接触，而不需要任何电解质凝胶等。然而，所述电极可以由在皮肤/电极结合处产生潜在的大的和/或不稳定的电位偏移的材料而制成，但是其需要合乎于消费者产品中的美学要求，例如对彩色或纹理表面的需要，因为交流获取模式减轻了这种材料的限制。

例如，所述电极可以由包括表面层的材料而制成，所述表面层诸如钝化层，所述表面层在使用中可能倾向于在皮肤/电极结合处产生电容偏移，包括但不限于：

-镀铬金属或塑料；

-有色/有色氮化物或有色/有色氮化物涂层，特别是氮化钛，例如通过物理气相沉积(PVD)法施加；

-不锈钢，特别是具有钝化涂层的不锈钢。

在方便的实施例中，当在所述电极和皮肤之间形成接触时，所述装置可适于在第一或空闲操作模式与第二或活动操作模式之间自动切换。这种接触闭合了所述电极之间的电路。所述装置可以包括闭合电路检测模块和切换模块，其中，所述闭合电路检测模块用于当所述电极和皮肤之间接触时检测所述电极之间的电路的闭合，所述切换模块用于当接触时在所述第一操作模式和所述第二操作模式之间进行切换。

附加地或可替换地，所述装置可以适于在用户的主使下在第一或空闲操作模式与第二或活动操作模式之间切换。可以提供用户可致动模式开关。

在一些实施例中，每个电极可以设置有电容耦合以将每个电极耦合到电流电源，以及与设置有可选择地闭合开关的电容耦合并联的直接耦合。当与直接耦合相关的开关闭合时，所述电容耦合短路，并且直接电连接以通常的方式连接到所述电极。当开关断开时，不再进行所述直接电连接，而是所述电极通过电容耦合连接。所述开关因此用于在所述直接耦合和所述电容耦合之间选择地切换所述电极。

在一些实施例中，所述电容耦合可以包括交流耦合电容器。

在一些实施例中，所述装置设置离散的直流源、离散的交流源、以及用于在所述直流源和所述交流源之间选择地切换的开关。

在一些实施例中，所述开关还包括中轨偏置点，由此，所述直流源和所述交流源能够经由所述中轨偏置点被选择地切换进入所述电路以及从所述电路切换出。

所述装置还包括一个或多个：数据存储模块，所述数据存储模块用于存储所获取的数据和/或库数据，所获取的数据与所述库数据进行比较以识别受试者；数据比较模块，所述数据比较模块用于比较所获取的数据与所存储的所述库数据；其中，所述库数据例如包括较旧的模板信号迹线；例如出于标识识别/认证的目的，或者用于长期生物信号监测，可将所获取的数据与所述库数据进行比较。

所述装置还包括数据传输模块，所述数据传输模块用于将数据传输到远程接收方，以能够进一步处理所述数据。例如，所述装置可适于经由WLAN协议的无线通信的适当模式。

在本发明的另一个方面中，提供了一种用于获取生物电信号的***，包括：根据本发明的第一方面的装置、附加接收装置、可操作以实现所述装置和附加接收装置之间的数据通信的无线通信***、以及包括所述装置和/或所述附加接收装置的一部分的数据存储模块。

可选地，数据存储模块包括存储的库数据，例如包括例如用于识别/认证目的的较旧的模板信号迹线。可选地，所述***还包括数据比较器模块，所述数据比较模块用于比较所获取的数据与所存储的库数据，例如所述库数据包括较旧的模板信号迹线，例如用于标识识别/认证目的，或者用于长期生物信号监测，可以将所获取的数据与所述较旧的模板信号迹线进行比较。

在本发明的另一方面，提供了一种用于获取生物电信号的方法，包括：

提供一种装置，所述装置具有：

至少两个电极；

电流电源，所述电流电源包括直流电源和交流电源；

电容耦合，所述电容耦合将每个电极耦合到所述电流电源；以及直接耦合，所述直接耦合将每个电极耦合到所述电流电源；

由此，所述装置可选择地在以下之间切换：

第一操作模式，其中直流电流电源和直流连接被选择，向每个电极供应直流电流，并且向每个电极供应直流电流；以及

第二操作模式，其中交流电流电源和电容耦合被选择，并且向每个电极供应交流电流；

当所述电极不与受试者接触时，以所述第一操作模式操作所述装置；

当所述电极与受试者的身体的皮肤表面接触时，以所述第二操作模式操作所述装置。

因此，可以将所述第一操作模式用作空闲模式，并且可以将所述第二操作模式用作活动模式，在所述活动模式期间主动获取数据。这提供了在所述活动模式期间的交流数据获取的优点，但是如上所述降低了在空闲模式中的功耗。

在一些实施例中，所述方法还包括经由中轨或接地所述装置在所述第一操作模式和所述第二操作模式之间切换。

在一些实施例中，所述方法还包括将所获取的数据与其它数据进行比较，所述其它数据例如包括较旧的模板信号迹线的库数据，其可用于识别/认证、或用于长期生物监测。

在一些实施例中，所述方法还包括在获取这些数据之后，经由无线通信将所获取的数据发送到远程接收方以用于进一步处理。

在该方面中的本发明例如是使用第一方面的装置或第二方面的***的方法，并且所述方法的进一步优选特征将通过与这些方面的讨论类比来理解。

附图说明

图1(a)示出了方向盘的双电极ECG获取应用，其中电极定位成与右手和左手接触。

图1(b)示出了智能手表的双电极ECG获取应用，其中电极定位在手表的前侧和后侧。

图2示出了直流引线接通/断开检测模式的简单电路图，其中电极检测到受试者在两个电极上形成接触，即电极上的直流电压是高的。

图3示出了交流引线接通/断开检测模式的简单电路图，其中电极检测到受试者在两个电极上形成接触，即电极上的交流电压是高的

图4示出了放大器级间交流耦合的简单电路图，其中电容器耦合到不同的放大器级别。

图5示出了用于放大级处的基线恢复的反馈路径中的积分器的简单电路图。

图6示出了电极与放大器输入的交流耦合的简单电路图。

图7是ECG放大器电路的电路图，其中交流耦合电容器可以被切换入和切换出电路。

图8是1mHz的前端高通滤波器和0.5Hz的基线恢复高通滤波器的幅度和相位响应的曲线图。

图9是示出了前端部件上的模式切换的电路图。

图10(a)-(c)是示出了模式切换顺序的电路图；其中(a)是空闲模式，等待用户连接；(b)是中间模式，放电电极和交流耦合电容器；以及(c)获取模式，显示信号并通过交流检测寻找引线断开。

具体实施方式

图1提供了作为优选实施例的贯穿本文描述的双电极ECG检测和获取装置的示例应用。图1示出了所述装置可以在消费产品中实现，例如但不限于：(a)方向盘100和(b)智能手表150。图1(a)中的电极101定位在方向盘的两侧，即分隔开的位置，以实现两点皮肤接触，即使用者的左手侧和右手侧。所述电极101也被构造和成形为覆盖方向盘的左侧和右侧的大部分，从而提供增加的接触面积。类似地，图1(b)中的电极151定位在隔开的位置，以便能够实现两点皮肤接触，其中所述两点皮肤接触是所述智能手表150的前侧152和后侧153。这使得手腕与一个电极腕接触，并且相对的手指与另一个电极接触。同样，所述电极151被构造和成形为配合在所述智能手表的两侧上，同时提供可接近的接触区域。电极可以构造成各种形状和尺寸以适合消费者产品，如果需要，每个电极具有其自身的形状和尺寸，例如由图1(b)中所示的不同尺寸的前、后电极。

实施例通过参考获得与个体的心跳，特别是ECG迹线相关联的生物电信号的示例的方式而被讨论。这种迹线当然在其本身作为心血管生理学的指示物是有价值的，但也可以是个体的特别特征。当然，相同的原理可应用于能够表征个体和/或提供生理状况或过程的指示物的任何生物信号。

当用户已经与两个电极接触时，可以执行ECG获取，通过用户测量跨电极的信号。对于方向盘100，当双手与盘两侧的所述电极101接触时可以进行测量；对于智能手表150，当手腕与所述后电极接触并且手指与所述前电极接触时可以进行获取。根据电极在接收产品中的放置，其它配置可以是明显的。

图2描绘了用于接触检测200的典型电路，用于检测受试者或用户何时与装置接触，这通常被称为接通检测，以及当皮肤和电极之间的接触断开时对断开检测。图2示出了处于空闲或“睡眠”模式的电路的开路端处的电极201，等待来自受试者或用户202的接触。公共生物接触检测电路将直流(DC)电流馈入一个电极，通常是正203，而将直流电流馈出另一个电极，通常是负204，并且测量两个电极之间的电压差。该电压差将与建立的阈值(即开路电压，例如V_emf)相比较。通常对于人类受试者而言，如果对应的电阻小于大约5兆欧的典型电阻阈值，则认为受试者连接到电极。一旦建立了连接并且检测到接触，就可以开始ECG获取。典型地，这是使用低功率电压比较器205来实现的。可以通过用于确定断开的信号获取，即当受试者从电极断开接触时，来继续引线检测。然而，由于皮肤/电极界面处的极化效应，在直流电路内所使用的干电极的材料在选择方面存在限制。具有薄泄漏介电层的一些材料产生大的极化效应，产生大的电压偏移电位。这可能使得难以检测和获取超过电路电子装置的阈值的ECG信号。这些材料的外加电压偏移是在受试者体内的离子和电极本身之间的边界处产生的电化学半电池电位的补充。根据皮肤部位、压力、面积或如果对每个电极使用两种不同材料，直流偏移还可在两个电极之间变化。在一些情况下，电极之间的电压差可以大于0.5V。由于不同皮肤阻抗的影响，所述偏移也在不同的人之间变化。因此，改变电极材料和电子器件的组合可能不会产生对大部分人群有效的ECG信号，这限制了电极材料和成品的选择。

可替换地，如图3所示，用于接触检测的电路可以具有交流(AC)馈电，而不是直流馈电。所述电极201和受试者202可以与直流电流中的相同，但相反，调制的交流电流303/304通过电极。为了进行检测和获取，必须以高于所需ECG带宽的值操作调制的交流电流。这克服了直流电路产生的问题，但需要更多的功率。同样，与直流电路一样，交流电路具有相应的电压比较器305，以测量用于获取受试者的ECG信号的交流电压差，并且还可以继续进行引线接通/断开检测。然而，由于交流驱动电路比直流小型可穿戴装置需要更多的功率，因此具有大大减少的可用电池寿命。

当使用具有用于干电极的薄泄漏介电层的高导电材料时，可以在直流电路中引入高通滤波器，以通过使信号进入装置的适当显示范围来对抗极化的影响。高通滤波器还可以解释由不同材料和不同用户引起的差异化直流偏移。当使用干电极时，对于消费装置，感应偏移的值可以高达0.5V或更大。用于消费装置的高通滤波器通常具有0.5Hz的-3dB滚降值。由于使用粘性凝胶电极，临床使用ECG装置的典型值通常在0.05Hz左右。所述高通滤波器能够使具有比特定截止频率高的频率的信号(例如感应偏移的值)通过，并且衰减具有比截止频率低的频率的任何信号。这可以使用不同的电路设计来实现。例如，所述高通滤波器可以使用电容器401来实现，如图4所示；或者通过反馈路径501中的积分器来实现，如图5所示。也可以采用其它高通滤波器设计。在图4的电路400中引入的所述电容器401通过级间交流耦合403而耦合到放大器402的不同级，以去除直流偏移，并在输出端提供调整后的放大信号404。图5示出了电路500的反馈路径502中的积分器501，所述积分器501用于基线恢复，以解释偏移。图5中的示例还包括通过检测任何超出范围的信号的可选的快速基线恢复503。其检测了所述放大器输出已经饱和的地方，并减小积分器时间常数，直到平均信号电平在可行的获取范围内，从而在输出端提供更快的放大信号504。这在US4319197中公开。

然而，这些类型的直流电路修改也可能存在问题。包括了高通滤波器(例如所提出的电容器400和积分器500)的设计，可能由于一个或多个放大器级别的饱和而遭受有限的偏移电位能力。这在电池操作的小型可穿戴装置的情况下尤其成问题。这是特别限制的，因为用于这些类型的装置的典型的电池操作的电子装置以低供电轨电压工作，该低供电轨电压通常是1.8V。

在引线检测之后改进ECG获取的另一示例是交流耦合两个电极输入，如图6所示。该电路设计600提供用于ECG获取的改进的生物电位信号处理，因为交流耦合601在电路的前端执行，而不是放大器402的级间，如图4中的电容器401所示。前端的交流耦合电容器601和输入偏置电阻602/603用作平衡高通滤波器，从而去除感应的偏移电势。然而，这个例子是昂贵的，以实现所需的平衡高通滤波器。需要昂贵的近容限分量以保持50Hz或60Hz的良好共模抑制比(CMRR)，这是消除电源干扰的影响和避免获取的波形ECG信号中的低频相位失真所必需的。此外，由于在前端存在交流耦合601，因此不能使用直流接触检测。因此，交流电流需要在非活动空闲模式期间通过电容器，以检测引线接通(其中受试者接触两个活动电极)，如上所述，其使用更多的电池功率，因为其在该模式期间需要增加的电流消耗。

在图7的优选实施例中，生物感测装置包括电子集成电路700，所述电子集成电路700被实现为获取生物电信号，所获取的生物信号是心电图(ECG)、电皮层活动(EDA)、脑电图(EEG)或肌电图(EMG)信号中的至少一种。将认识到，所述装置可适于测量其它生物信号。对于该实施例，被检测和获取的信号是ECG。ECG感测装置的电路700包括两个干电极201，以使所述装置与受试者或用户202接触。电极201将体内的离子流转换为电流。所述电极201可以包括一种或多种导电或半导体材料，包括那些具有薄泄漏介电层的材料，其可以是易感于极化效应。这允许用于干电极的材料和材料组合的更大的选择，其可以具有其它期望的特性，例如不同的颜色选择或不同的纹理选择等，从而在结合到消费产品中时提供增强的美学。这些包括但不限于镀铬金属或塑料、通过PVD方法施加的彩色氮化物涂层、包括具有钝化涂层的不锈钢的不锈钢等。

在优选实施例中，所述电路700包括交流耦合输入701，将所述电极201耦合到放大器702电子器件。所述放大器702可以是差分仪表放大器，但其它放大器可以是显而易见的。所述输入交流耦合701防止了流过电极/皮肤界面201的任何平均直流电流，从而克服了在高度极化材料的这种界面处产生的电位偏移。这包括偏置放大器702输入以保持放大器电子装置在线性模式运作所必需的电流。所述交流耦合还防止了在电路中感应的直流电流由诸如电势电流(emf current)的运动引起的ECG基线信号的可能的运动伪影或干扰。由于在智能手表或其它便携式可穿戴装置中实现该装置的选择是非常重要的，因此需要抑制或消除这些来自输出信号的电流。

在优选实施例中，所述电路700包括开关机构，所述开关机构使得所述交流耦合电容器701能够被切换入和切换出电路。这由桥接所述电容器701的开关所指示。这种配置使得所述装置能够在两种操作模式之间改变，即直流电流空闲模式和交流电流活动模式。在直流模式中，所述交流耦合电容器从电路中切换出来，以允许直流电流流向电极。该操作模式将所述装置设置为低功率状态，并使得能够发生直流引线接通检测，由此所述装置检测何时皮肤/电极接触到两个电极。当所述交流耦合电容器被切换进入电路时，第二操作模式被启用，并且可以发生ECG信号获取。这种操作的活动模式允许在去除电极电位偏移的同时借助于高通滤波器获取信号。在该实施例中，所述输入交流耦合电容器和所述放大器输入偏置电阻在电路700的前端形成高通滤波器705。该高通滤波器的-3dB断点或截止频率需要低于潜在偏移频率的较低带宽，例如用于消费产品的大约0.5Hz(临床使用的约0.05Hz)。所述-3dB点通过使用标准公式而获得，fc＝1/2πRC，如图6中的图605所示。为了确保能搞维持这种状态，所述高通滤波器502被并入所述电路700的放大器级402中。由于耦合电容器与放大器仪表702的所述输入偏置电阻组合的影响，所述高通滤波器可以帮助去除长RC时间常数。通过这种实现，时间常数小于交流耦合电路的10％。所述高通滤波器是定位在用于基线恢复的电路的反馈路径502中的积分器。结合两个高通滤波器，例如所公开的高通滤波器，导致在高于0.1Hz的频率下的最小相位差，如分别由图8(a)中的振幅801和图8(b)中的相位响应802所示。这种情况下的所述高通滤波器是用于前端输入705的1mHz的CR高通滤波器和用于电路后端402处的0.5Hz的积分器基线恢复高通滤波器502。此外，超范围检测***503用于快速基线恢复，将信号平均值保持在仪器的线性范围内。

在优选实施例中，为了使开关机构工作，将偏置开关源703引入所述电路700。可通过使用固定电阻器或可编程恒流源来激活所述开关。在另一配置中，引入了中轨偏置点，其中模式切换发生在交流耦合电容器901/902上和交流电流电源903/904处，如图900中的电路900所示。当在操作模式之间切换时，一对电容器开关901和902一起操作，并且一对电压偏置开关903和904一起操作。所述检测、所述切换和所述获取的顺序是重要的。

从检测到ECG获取的优选切换方法由图10(a)-(c)所示的切换顺序所示出。启动引线接通检测模式1000，其中没有皮肤与所述电极201接触，则所述电路处于空闲模式，伴随直流电流流动(见图10(a))。所述开关901和902能够在交流耦合电容器上产生短路，从而绕过电容器周围的电流。所述偏置开关903/904(以及电压比较器1001/1002)被设置为直流电压，从而允许所需的直流电流流动以用于接通检测模式。所述电路将继续处于这种状态，直到用户或受试者202已经接触到所述电极201。当皮肤/电极已接触到两个所述电极201时，触发所述比较器1001/1002。一旦所述比较器1001/1002已经被验证足够长的时间，则通过将所述偏置开关903/904从活动的比较器状态切换到用于单电源(或接地)的中轨1101/1102来执行两个所述电极201的偏置终止，从而从所述电路1100移除偏置电流电源(参见图10(b))。在这一阶段，耦合电容器保持在已知状态，不带电荷。由差动电荷施加在皮肤/电极界面电容上的一些电荷放电。这种差动电荷是由于在皮肤/电极界面处产生的极化效应而产生的。当两个所述电极201被偏置到公共电压1101/1102时发生放电。在足够的时间(通常大约0.5s)之后，所述电路1200通过将903/904切换到交流电流电源1201/1202而切换到获取模式，从而允许交流电流注入(参见图10(c))。所述交流耦合电容器901/902被释放并且基线恢复电路1203被激活，从而允许生物ECG电信号被正确地获取和解释。这种方法和装置电路提供整体改进的放大信号1204，其具有用于电极拾取和信号显示的最佳条件，在50Hz或60Hz处具有良好的共模抑制比(CMRR)，同时保持低的功率消耗和电池耗损。在该模式期间，远高于仪器带宽的调制频率处的零平均交流电流可用于确定何时终止电极/皮肤接触，即受试者已经从电极中的一个去除了他们的皮肤接触，从而产生开路。

Claims (20)

1.一种用于获取生物电信号的装置，包括：

至少两个电极；

电流电源，所述电流电源包括直流电源、交流电源、以及开关，所述开关可致动以选择地在所述直流电源和所述交流电源之间切换；

电容耦合，所述电容耦合将每个电极耦合到所述电流电源；直接耦合，所述直接耦合将每个电极耦合到所述电流电源；以及开关，所述开关可致动以选择地在所述直接耦合和所述电容耦合之间切换；

数据获取模块。

2.根据权利要求1所述的装置，所述装置被配置为可在以下之间切换：

第一操作模式，其中直流电流电源和直流连接被选择，向每个电极供应直流电流，并且在所述电极和所述数据获取模块之间进行直接电连接；以及

第二操作模式，其中交流电流电源和电容耦合被选择，并且向每个电极供应交流电流。

3.根据权利要求2所述的装置，所述装置适于在使用中当受试者的皮肤和所述电极之间接触时，自动地在所述第一操作模式和所述第二操作模式之间切换。

4.根据权利要求2或3所述的装置，所述装置适于在用户的主使下在所述第一操作模式和所述第二操作模式之间切换。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置还包括电池电源。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述电极适于用作干电极。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述电极包括或具有表面涂层，所述表面涂层包括：

-镀铬金属或塑料；

-有色/有色氮化物；

-不锈钢。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，每个电极设置有：

电容耦合，所述电容耦合将所述电极耦合到所述电流电源；以及

直接耦合，所述直接耦合与所述电容耦合并联，所述电容耦合进一步设置有可选择地闭合的开关。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述电容耦合包括交流耦合电容器。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置设置离散的直流源、离散的交流源、以及用于在所述直流源和所述交流源之间选择地切换的开关。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述开关还包括中轨偏置点，由此，所述直流源和所述交流源能够经由所述中轨偏置点被选择地切换进入所述电路以及从所述电路切换出。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置还包括一个或多个：

数据存储模块，所述数据存储模块用于存储所获取的数据和/或库数据，所获取的数据与所述库数据进行比较以识别受试者；

数据比较模块，所述数据比较模块用于比较所获取的数据与所存储的所述库数据；其中，所述库数据例如包括较旧的模板信号迹线；例如出于标识识别/认证的目的，可将所获取的数据与所述库数据进行比较。

13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置还包括数据传输模块，所述数据传输模块用于将数据传输到远程接收方，以能够进一步处理所述数据。

14.一种用于获取生物电信号的***，包括：根据前述权利要求中任一项所述的装置、附加接收装置、可操作以实现所述装置与所述附加接收装置之间的数据通信的无线通信***、以及包括所述装置和/或所述附加接收装置的一部分的数据存储模块。

15.根据权利要求14所述的***，其中，所述数据存储模块包括存储的库数据。

16.根据权利要求14或15所述的***，所述***还包括数据比较模块，所述数据比较模块用于比较所获取的数据与所存储的库数据，以用于标识识别/认证目的、或长期生物监测。

17.一种用于获取生物电信号的方法，包括：

提供一种装置，所述装置具有：

至少两个电极；

电流电源，所述电流电源包括直流电源和交流电源；

电容耦合，所述电容耦合将每个电极耦合到所述电流电源；以及直接耦合，所述直接耦合将每个电极耦合到所述电流电源；

由此，所述装置可选择地在以下之间切换：

第一操作模式，其中直流电流电源和直流连接被选择，向每个电极供应直流电流，并且向每个电极供应直流电流；以及

第二操作模式，其中交流电流电源和电容耦合被选择，并且向每个电极供应交流电流；

当所述电极不与受试者接触时，以所述第一操作模式操作所述装置；

当所述电极与受试者的身体的皮肤表面接触时，以所述第二操作模式操作所述装置。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，经由中轨或接地所述装置在所述第一操作模式和所述第二操作模式之间切换。

19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，将所获取的生物电信号数据与较旧的模板信号迹线进行比较。

20.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，其中，在获取生物电信号数据之后，经由无线通信将所获取的生物电信号数据传输到远程接收方，从而允许进一步处理所述数据。

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