TWI481196B - 生物電信號感測儀器與其基線漂移移除裝置 - Google Patents

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Description

生物電信號感測儀器與其基線漂移移除裝置
本發明為一種可移除生物電信號中的基線漂移的方法。
在量測人體的生物電(bioelectricity)信號時，通常是利用兩個量測器貼片，量測人體的生物電信號。以心電圖機來說，心電圖機是從胸部或雙手貼片上擷取心電信號，不管是在靜態或動態的使用狀況下，只要同時影響兩個電極的電性或阻抗如呼吸、動作牽引電極片、電線或接觸的皮膚和流汗...等等，就會在偵測的心電信號上引起所謂的基線漂移(baseline drift或baseline wander)，當此漂移過大時便會引起輸出飽和現象，造成心電信號擷取失誤。
習知用以解決基線漂移的方法主要可分為兩大類。一種為直接濾除法，如美國專利號5318036號專利即是在前置濾波輸出之後，於後端的微處理器內以數位高階高通濾波方式來進行基線漂移的濾除。另一種為合成移除法，也就是在前置濾波輸出之後，利用微處理器以演算法找出近似的基線漂移信號，爾後再進行信號的相減以將基線漂移信號移除，其中，取得基線漂移信號的方法如美國專利號6280391號專利與美國專利公開號20070078354專利是以低通濾波器獲得基線漂移信號；或是以曲線擬合(curve fitting)方式模擬出基線漂移信號，如美國專利號6881191號專利。然而上述的方式需要複雜的電路或需耗費較多的軟硬體資源，且這些方法都會造成較長的時間延遲(兩秒以上)，且其基線漂移容忍度(基線漂移的電壓範圍/信號的振幅範圍)受到限制。
為了解決上述問題，本發明提出一種基線漂移的移除方法，即是在於前置濾波的過程中就先將基線漂移進行移除，因此可以增加基線漂移容忍度的範圍。
本發明的一實施例為一種基線漂移的移除方法，用以移除一生物電(bioelectricity)信號中的一基線漂移，包括：透過一類比時間延遲電路延遲該生物電信號，以產生一第一生物電信號；根據該生物電信號產生一基線漂移信號；根據該第一生物電信號與該基線漂移信號，得到一第二生物電信號。
本發明的另一實施例為一種基線漂移的移除裝置，用以移除一生物電(bioelectricity)信號中的一基線漂移，包括一第一級放大器、一基線漂移處理單元與一數位放大器。該基線漂移處理單元包括一低通濾波器、一類比時間延遲電路以及一加法器。該第一級放大器，接收並放大一感測信號以產生一生物電信號，並輸出至該基線漂移處理單元。該低通濾波器對該生物電信號進行低通濾波，以模擬產生該基線漂移信號。該類比時間延遲電路，延遲該生物電信號一預定時間，以產生一第一生物電信號。該加法器，接收該基線漂移信號與該第一生物電信號，以產生一第二生物電信號。數位放大器接收並放大該加法器輸出的該第二生物電信號，以產生一數位生物電信號。
本發明的另一實施例為一種生物電信號感測儀器，包括一第一感測器、一第二感測器、一第一放大器與一基線漂移處理單元。第一感測器，感測並輸出一第一感測信號。第二感測器，感測並輸出一第二感測信號。第一放大器，接收並放大該第一感測信號與該第二感測信號，以產生一生物電信號。該基線漂移處理單元包括一低通濾波器、一類比時間延遲電路以及一加法器。該低通濾波器，接收該生物電信號以產生一基線漂移信號。該類比時間延遲電路，延遲該生物電信號，以產生一第一生物電信號。該加法器，接收該基線漂移信號與該第一生物電信號以產生一第二生物電信號。
第1圖為根據本發明之生物電(bioelectricity)信號的基線漂移移除裝置的一實施例的示意圖。基線漂移移除裝置10包括第一級放大器11、基線漂移處理單元與數位放大器17。其中基線漂移處理單元包括低通濾波器(low pass filter，LPF)13、加法器14與類比時間延遲電路15。數位放大器17更包括第二級放大器16以及類比數位轉換器(analog to digital converter，ADC)18。第一級放大器11接收並放大來自外部的一感測信號以產生一生物電信號，並輸出至該基線漂移處理單元，亦即輸出的該生物電信號分別被傳送到低通濾波器13與類比時間延遲電路15。低通濾波器13對接收到的該生物電信號進行低通濾波，用以模擬產生一基線漂移(base line drift，BLD)信號。
類比時間延遲電路15用以將接收到的生物電信號延遲一預定時間，以產生一第一生物電信號。其中該預定時間會隨著低通濾波器13的處理時間而變化。換句話說，類比時間延遲電路15的輸出是與低通濾波器13的輸出是同步。加法器14具有一正相輸入端(＋)與一反相輸入端(-)，分別用以接收類比時間延遲電路15輸出的第一生物電信號與低通濾波器13輸出的基線漂移信號，用以將第一生物電信號減去基線漂移信號，以產生一第二生物電信號。數位放大器17接收並放大加法器14輸出的第二生物電信號，以產生一數位生物電信號。其中第二級放大器16用以放大第二生物電信號，該類比數位轉換器18用以將該第二生物電訊號轉換為該數位生物電信號。
在本實施例中，輸入的生物電信號是以心電圖(Electrocardiography，ECG)信號為例說明，但並不限制本發明於此。生物電信號可能為腦波信號(Electroencephalogram，EEG)、肌電信號(Electromyogram，EMG)或是眼電圖信號(Electric Ocular Graph，EOG)。
第2圖為根據本發明之具有生物電信號的基線漂移移除裝置的生物電信號生物電感測儀器的一實施例的示意圖。在本實施例中，是以心電圖信號ECG為例說明。第一放大器21接收並放大來自生物電感測器E+與E-的兩感測信號，用以產生一心電圖信號。生物電感測器E+與E-是接觸在病人身體上，因為病人與地電位會存在一電位差，因此會透過一反相放大器29來消除病人與地電位之間的電位差。換句話說，反相放大器29用以降低共模電壓。在另一實施例中，反相放大器29更會耦接一濾波器。
第一濾波器22用以濾波來自第一放大器21輸出的心電圖信號。接著透過第一基線漂移處理單元23、第二基線漂移處理單元24a與第N級基線漂移處理單元24b對心電圖信號進行基線漂移消除運作。在本實施例中，基線漂移處理單元的數目不以本實施例說明為限，習知技藝者當可視心電圖信號中基線漂移的情況耦接多級的基線漂移處理單元，以得到平滑的心電圖信號。第二放大器25接收並放大已移除基線漂移信號後之心電圖信號。第二濾波器26用以濾波來自第二放大器25輸出的心電圖信號。在本實施例中，第一濾波器22為一高通濾波器，特別是一種高共模斥拒比(common mode rejection ratio，CMRR)的高通濾波器，第二濾波器26為一低通濾波器。在本實施例中，第一放大器21的增益約5~10，第二放大器25的增益約100。
陷波(Notch)濾波器27接收並消除市電對第二濾波器26的輸出信號的影響。在本實施例中，陷波濾波器27為用以消除60Hz或50Hz的交流電頻率影響。透過陷波濾波器27輸出的基線平滑的ECG信號可再透過R波偵測器28用以產生一心跳脈衝信號SR 。本實施例中是以單一級的陷波濾波器27為例說明，但可串聯兩級以上的陷波濾波器來消除60Hz或50Hz的交流電頻率影響，且陷波濾波器消除的頻率範圍不以50Hz與60Hz為限。在本實施例中，可在陷波濾波器27後耦接一增益補償電路，用以對第二濾波器26的輸出信號做增益補償。
第3圖為根據本發明之基線漂移處理單元的一實施例的示意圖。心電圖信號ECG分別被傳送到低通濾波器32與類比時間延遲電路31。低通濾波器32對接收到的ECG信號進行低通濾波，用以模擬產生一基線漂移(base line drift，BLD)信號。
類比時間延遲電路31用以將接收到的ECG信號延遲一預定時間，其中該預定時間會隨著低通濾波器32的處理時間而變化。換句話說，類比時間延遲電路31的輸出是與低通濾波器32的輸出是同步。加法器33具有一正相輸入端(+)與一反相輸入端(-)，分別用以接收類比時間延遲電路31的輸出信號與低通濾波器32的輸出信號，用以將類比時間延遲電路31輸出的生物電信號減去基線漂移信號以產生生物電信號ECG’。在另一實施例中，加法器33可由一減法器代替。
第4圖為根據本發明之類比時間延遲電路的一實施例的示意圖。本實施例利用一運算放大器41、電阻R、Rg 、Rf 以及電容C所完成。電阻Rg 與Rf 調整增益值。電阻R與電容C則用以調整延遲時間。延遲時間的數學關係式可以表示為：
當τS遠小於1時，此延遲時間的數學關係式可近似於：
因此可以評估反相濾波器所衍生的時間延遲或落後相位差值以及低通濾波器產生的時間延遲，再利用上述之等效進似的數學式子估算所對應的R、C值，最後再將R、C參數值代入上圖的電路中即可得到對應的類比時間延遲電路。
第5圖為根據本發明之生物電信號的基線漂移處理單元的一實施例的電路圖。低通濾波器51、類比時間延遲電路52以及類比加法器53的一實施例的詳細電路如圖所示。在本實施例中，低通濾波器51的f3db 頻率為1Hz。在另一實施例中，可透過調整電容C3與電阻R35 的值，使低通濾波器51的f3db 頻率落在0.5Hz至1Hz之間。對應低通濾波器51的f3db 頻率的時間常數範圍為2~1秒，對應的低通濾波器51與類比加法器53之補償增益範圍為1.25~1.05，且對應的類比時間延遲電路52的時間常數範圍為90~50毫秒。
第6圖為串聯二個本發明之生物電信號的基線漂移處理單元的另一實施例的電路圖。在本實施例中，利用兩級的基線漂移處理單元61a與61b來消除心電圖信號ECG中的基線漂移。在本實施例中，基線漂移處理單元61a與61b中的低通濾波器的f3db 頻率皆為0.67Hz。
綜上所述，本發明提出之基線漂移的移除方法，在於前置濾波的過程中就先將基線漂移進行移除，因此可以增加基線漂移容忍度的範圍。更詳細的來說，一般習知技術於前置濾波中，乃是使用一第一級放大器與一數位放大器來將生物電信號進行放大，並於後端才進行基線漂移的移除，往往造成基線漂移信號於前置濾波中被放大而遠超過信號可輸出範圍，造成嚴重的誤差，反觀本發明提出之基線漂移的移除方法，生物電信號在經過第一放大器之後就先進行基線漂移的移除，因此可有效的提升基線漂移的容忍度，以下列舉基線漂移容忍度的比較例。
請參考第1圖，例如第一級放大器11之增益為5，第二級放大器16增益為100，假設最後輸出生物電信號ECG之電路為單電源操作(+5V)，其有效操作電壓範圍為0.25～4.75V，生物電信號ECG的輸出大小為0.5V，也就是說在前置濾波後，基線漂移信號的最大波動範圍幅度可為4V，以此條件反推回第二級放大器16前端，其生物電信號的輸出大小為5V/100=5mV，則此端的基線漂移信號最大波動範圍幅度可為4.5V；也就是說，在第一級放大器11前端的原始生物電信號輸出大小為5mV/5=1mV，基線漂移信號最大波動範圍幅度可為4.5V/5=0.9V，因此使用本發明實施例之基線漂移移除方法，其基線漂移容忍度可為0.9V/1mV=900，相較於習知技術的基線漂移容忍度4V/0.5V=8，可提升一百倍以上。
11．．．第一級放大器
13．．．低通濾波器
15．．．類比時間延遲電路
16．．．第二級放大器
17．．．數位放大器
18．．．類比數位轉換器
21．．．第一放大器
22．．．第一濾波器
23．．．第一基線漂移處理單元
24a．．．第二基線漂移處理單元
24b．．．第N級基線漂移處理單元
25．．．第二放大器
26．．．第二濾波器
27．．．陷波濾波器
28．．．R波偵測器
29．．．反相放大器
31．．．類比時間延遲電路
32．．．低通濾波器
51．．．低通濾波器
52．．．類比時間延遲電路
53．．．類比加法器
61a、61b．．．基線漂移單元
第1圖為根據本發明之生物電信號的基線漂移移除裝置的一實施例的示意圖。
第2圖為根據本發明之具有生物電信號的基線漂移移除裝置的生物電信號生物電感測儀器的一實施例的示意圖。
第3圖為根據本發明之基線漂移處理單元的一實施例的示意圖。
第4圖為根據本發明之類比時間延遲電路的一實施例的示意圖。
第5圖為根據本發明之生物電信號的基線漂移處理單元的一實施例的電路圖。
第6圖為串聯兩個本發明之生物電信號的基線漂移處理單元的另一實施例的電路圖。
21．．．第一放大器
22．．．第一濾波器
23．．．第一基線漂移處理單元
24a．．．第二基線漂移處理單元
24b．．．第N級基線漂移處理單元
25．．．第二放大器
26．．．第二濾波器
27．．．陷波濾波器
28．．．R波偵測器
29．．．反相放大器

Claims (19)

  1. 一種類比式的基線漂移的移除裝置，用以移除一生物電(bioelectricity)信號中的一基線漂移，包括：一第一級放大器，係接收並放大一感測信號以產生該生物電信號；一基線漂移處理單元，包括：一低通濾波器，接收該生物電信號以產生一基線漂移信號；一類比時間延遲電路，延遲該生物電信號，以產生一第一生物電信號；以及一加法器，接收該基線漂移信號與該第一生物電信號以產生一第二生物電信號；一反相放大器，用以降低共模電壓；以及一數位放大器，用接收並放大該第二生物電信號，以產生一數位生物電信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之類比式的基線漂移的移除裝置，其中該低通濾波器的3dB頻率位於0.5Hz至1Hz之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之類比式的基線漂移的移除裝置，其中對應該低通濾波器的3dB頻率的時間常數範圍為2~1秒。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之類比式的基線漂移的移除裝置，其中對應該低通濾波器的3dB頻率的該類比時間延遲電路的時間常數範圍為90~50毫秒。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之類比式的基線漂移的 移除裝置，其中對應該低通濾波器的3dB頻率的該低通濾波器與該加法器之補償增益範圍為1.25~1.05。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之類比式的基線漂移的移除裝置，其中該數位放大器更包括：一第二級放大器，用以放大該第二生物電信號；一類比數位轉換器，用以將該第二生物電訊號轉換為該數位生物電信號。
  7. 一種類比式的生物電信號感測儀器，包括：一第一感測器，輸出一第一感測信號；一第二感測器，輸出一第二感測信號；一第一放大器，接收該第一感測信號與該第二感測信號，以產生一生物電信號；一反相放大器，用以降低共模電壓；至少一基線漂移處理單元，包括：一低通濾波器，接收該生物電信號以產生一基線漂移信號；一類比時間延遲電路，延遲該生物電信號，以產生一第一生物電信號；以及一加法器，接收該基線漂移信號與該第一生物電信號以產生一第二生物電信號；以及一數位放大器，用接收並放大該第二生物電信號，以產生一數位生物電信號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之類比式的生物電信號感測儀器，更包括一陷波濾波器，用以濾波該第二生物電信號，以消除該第二生物電信號中的交流電頻率干擾。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之類比式的生物電信號感測儀器，其中該數位放大器更包括：一第二級放大器，用以放大該第二生物電信號；一類比數位轉換器，用以將該第二生物電訊號轉換為該數位生物電信號。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之類比式的生物電信號感測儀器，更包括一第一濾波器，用以濾波來自該第一放大器輸出的該第一生物電信號。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之類比式的生物電信號感測儀器，其中該第一濾波器為一高共模斥拒比的高通濾波器。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之類比式的生物電信號感測儀器，更包括一第二放大器與一第二濾波器，其中該第二放大器接收並放大該第二生物電信號，該第二濾波器再將放大後的該第二生物電信號濾波。
  13. 如申請專利範圍第7項所述之類比式的生物電信號感測儀器，更包括一R波偵測器，接收該第二生物電信號以產生一心跳脈衝信號。
  14. 如申請專利範圍第7項所述之類比式的生物電信號感測儀器，其中該生物電信號為心電圖信號、腦波信號、肌電信號或是眼電圖信號。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之類比式的生物電信號感測儀器，更該第二濾波器係為一低通濾波器。
  16. 如申請專利範圍第7項所述之類比式的生物電信號感測儀器，其中該低通濾波器的3dB頻率位於0.5Hz至 1Hz之間。
  17. 如申請專利範圍第7項所述之類比式的生物電信號感測儀器，其中對應該低通濾波器的3dB頻率的時間常數範圍為2~1秒。
  18. 如申請專利範圍第7項所述之類比式的生物電信號感測儀器，其中對應該低通濾波器的3dB頻率的該類比時間延遲電路的時間常數範圍為90~50毫秒。
  19. 如申請專利範圍第7項所述之類比式的生物電信號感測儀器，其中對應該低通濾波器的3dB頻率的該低通濾波器與該加法器之補償增益範圍為1.25~1.05。
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