人體的神經(jīng)信號(hào)直接表征著人體自我的意思,，研究神經(jīng)信號(hào)為了解、識(shí)別人體提供了一條途徑,。多年來(lái),。目前，研究?jī)?nèi)容主要包括神經(jīng)電極和神經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路兩部分,。神經(jīng)電極可以將神經(jīng)電信號(hào)從人體中提取出來(lái),，而神經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路則對(duì)神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行去噪、放大,、識(shí)別等處理,。

　　神經(jīng)信號(hào)和人體的其它生物信號(hào)有相同的一些特點(diǎn)，也有其獨(dú)具的一些特征,。根據(jù)神經(jīng)生物學(xué)的研究,，神經(jīng)信號(hào)一種形似脈沖的電信號(hào)，頻率一般為1kHz左右,，高的可達(dá)10kHz,。例如一束控制肌肉的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)，當(dāng)有沖動(dòng)電位信號(hào)到來(lái)時(shí),，肌肉纖維便發(fā)生收縮反應(yīng),，收縮的力度根據(jù)神經(jīng)沖動(dòng)頻率的不同而有強(qiáng)弱的區(qū)別,。因此，只要將脈沖電位進(jìn)行識(shí)別,，處理成數(shù)字控制信號(hào),，即可進(jìn)行假肢控制等一類具體的應(yīng)用。

　　當(dāng)然,，神經(jīng)信號(hào)的檢測(cè)也有其困難的一面,。人體的神經(jīng)信號(hào)是屬于強(qiáng)噪聲干擾下的低頻微弱信號(hào)，由于其非常微弱,，只有微伏級(jí),，同時(shí)干擾又異常強(qiáng)大，因此有效信號(hào)往往會(huì)被淹沒(méi),。干擾信號(hào)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(hào)的形式存在,，通常幅值可達(dá)幾伏至幾十伏,。而極化電壓是由于測(cè)量的電極和生物組織之間構(gòu)成了化學(xué)半電池而產(chǎn)生的直流電壓，一般為幾十毫伏,，最大可達(dá)300mV,。另外，由于生物體的復(fù)雜性和特殊性,，其等效的信號(hào)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(jù)上文對(duì)神經(jīng)信號(hào)特點(diǎn)的描述,，設(shè)計(jì)了一款針對(duì)性強(qiáng)、性能優(yōu)越,、穩(wěn)定可靠的神經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路,。

　　1 電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

　　根據(jù)神經(jīng)信號(hào)的特性以及通用電極的特性，調(diào)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(cè)量參數(shù)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(hào)中共模信號(hào)的影響將減弱100萬(wàn)倍，1V的共模信號(hào)等效力1μV的差模信號(hào),。同時(shí)電路的輸入阻抗也是一個(gè)很重要的參數(shù)。高輸入阻抗可以有效地減小信號(hào)源高內(nèi)阻的影響,。上文中提到生物體的等效信號(hào)源的輸出阻抗一般可有幾十千歐,，這就要求設(shè)計(jì)的電路的輸入阻抗大于百兆歐,。另外，由于各個(gè)電極接觸的人體組織不同,，因而表現(xiàn)出不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源性質(zhì),，這會(huì)引起電極輸入阻抗的不平衡，使共模干擾向差模干擾轉(zhuǎn)化,。提高放大器的輸入阻抗有利于減小這一轉(zhuǎn)化的影響,。同時(shí)，相對(duì)于幅值為微伏的神經(jīng)信號(hào)而言,，調(diào)理電路的低噪聲,、低漂移等指標(biāo)也是極為重要的。本文提出的神經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示,。電路系統(tǒng)共分為三部分：前置輸入放大電路,、中間級(jí)信號(hào)處理電路和后續(xù)信號(hào)識(shí)別傳輸電路。

　　2 電路設(shè)計(jì)

　　早期的生物信號(hào)電路多采用分立元件設(shè)計(jì),，隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,，出現(xiàn)了許多高性能的集成化儀器放大器，由于這類器件性能優(yōu)異,，避免了安裝調(diào)試等工作,，在生物醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)中受到了普遍的歡迎。本文的設(shè)計(jì)中充分應(yīng)用了這類器件,。

　　2.1 前置輸入放大電路

　　前置級(jí)主要考慮噪聲,、輸入阻抗和共模抑制比三項(xiàng)的影響。這里設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　輸入緩沖器由于采用了直接的電壓負(fù)反饋設(shè)計(jì),，理論上輸入阻抗為無(wú)窮大,，有效地將人體與電路系統(tǒng)隔離，去除了信號(hào)源內(nèi)阻高且不穩(wěn)定的影響,。

　　由R1a,、R1b、C1b,、C2組成的低通濾波器網(wǎng)絡(luò)可有效地去除高頻電磁噪聲的影響,。電路的差模信號(hào)截止頻率BWDDFF和共模信號(hào)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(lái)講,，儀用放大器對(duì)于高于20kHz的信號(hào)已經(jīng)沒(méi)有了共模抑制能力,，該網(wǎng)絡(luò)的使用可以使儀用放大器更有效地工作。

　　儀用放大器因?yàn)槠浣?jīng)典的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)而具有較高的輸入阻抗和共模抑制比,，并且只需外接一個(gè)電阻即可設(shè)定增益,，在生物信號(hào)處理領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用。這里選用的AD公司的AD8221是最新的一款型號(hào),，比通用的AD620在各方面的性能都要高一個(gè)數(shù)量級(jí),。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(shù)十倍之內(nèi),，不能過(guò)大。

　　2.2 中間級(jí)處理電路

　　中間級(jí)處理電路分為帶通選頻網(wǎng)絡(luò),、二級(jí)放大電路,、50Hz陷波器和增益調(diào)節(jié)電路等。

　　帶通選頻網(wǎng)絡(luò)由RC無(wú)源網(wǎng)絡(luò)組成,，簡(jiǎn)單可靠,，通帶的最大范圍設(shè)定為0.05Hz～10kHz。根據(jù)個(gè)體的差異,，網(wǎng)絡(luò)可由數(shù)字控制電路進(jìn)行不同頻帶的組合來(lái)選擇,，以符合最佳的信號(hào)狀態(tài)。

　　二級(jí)放大電路在結(jié)構(gòu)上和增益調(diào)節(jié)電路類似,，都是由運(yùn)放接成電壓負(fù)反饋的形式,。前者進(jìn)行信號(hào)的放大，而后者控制整體電路的增益,，最大可達(dá)120dB,。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。這里,，運(yùn)算放大器選用OP27,，而且運(yùn)用電壓串聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，具有如下不可替代的優(yōu)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(yùn)放的輸入阻抗，ro為輸出阻抗,。不僅完成了信號(hào)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(jí)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(gè)模塊具有了低通的功能，不僅可以去除信號(hào)中的高頻干擾,，還由于其超前補(bǔ)償作用,，對(duì)有效信號(hào)中的高頻部分進(jìn)行了相位補(bǔ)償。通過(guò)合理的設(shè)計(jì),，電路頻率段的相位將變化平緩,。上位提及的神經(jīng)信號(hào)是一種類脈沖形狀的信號(hào)，信號(hào)形狀不發(fā)生明顯的畸變,，在對(duì)其進(jìn)行時(shí)域處理時(shí)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(wǎng)絡(luò)的方案，取Q=2.5,，可有效去除信號(hào)中的工頻干擾,。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

　　2.3 信號(hào)識(shí)別及光電耦合電路

　　神經(jīng)信號(hào)是一種類脈沖的模擬電信號(hào),，將此信號(hào)傳輸?shù)胶罄m(xù)的數(shù)字電路前,，需先將其規(guī)整成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)。這由信號(hào)識(shí)別電路來(lái)完成,，該電路由一個(gè)滯回比較器構(gòu)成,。為了保證安全以及防止模擬和數(shù)字電路之間的干擾，光電隔離電路也是一個(gè)必不可少的模塊,。信號(hào)識(shí)別及光電耦合電路如圖5所示,。

　　滯回比較電路是一種由運(yùn)放構(gòu)成信號(hào)正反饋的結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強(qiáng),，閥值可由UR根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整,，電路的閥值由式(3)、(4)給出,。另外,，由于信號(hào)的有效頻率可達(dá)10kHz，所以光電耦合器的速度是一項(xiàng)重要的指標(biāo),，這里選用6N137光電耦合器,。

　　3 結(jié)果及討論

　　電路調(diào)試完成后，利用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào),，對(duì)電路進(jìn)行一系列的性能測(cè)試,。由上文討論可知，神經(jīng)信號(hào)是一種類脈沖的微弱模擬電信號(hào)，故電路的放大性能和相移特性是測(cè)試的著重點(diǎn),。圖6中(a),、(b)分別為信號(hào)放大性能和相位偏移測(cè)試的結(jié)果。函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生500mV/1kHz的正弦標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),，經(jīng)過(guò)兩次40dB衰減得到50μV/1kHz的測(cè)試輸入信號(hào),，以此來(lái)測(cè)試放大性能。由圖可知,，電路將信號(hào)有效地放大了100dB,。相位偏移測(cè)試由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的1kHz方波模擬神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行。如果系統(tǒng)對(duì)信號(hào)各頻段的相移顯著不同,，則非常容易引起信號(hào)形態(tài)的畸變,，如要對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域處理，這是非常不利的,。從結(jié)果可得,，除了信號(hào)中的高頻分量不屬于有效的頻率段而被濾除外，信號(hào)整體的相移平穩(wěn),，保持了原有的形態(tài),，經(jīng)過(guò)識(shí)別規(guī)整后可在時(shí)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(jīng)信號(hào)調(diào)理的問(wèn)題,，電路系統(tǒng)地解決了神經(jīng)信號(hào)調(diào)理的問(wèn)題，電路系統(tǒng)實(shí)用可靠,。目前已經(jīng)完成了可提取神經(jīng)信號(hào)的植入式電極的研究,，利用文中的電路，將繼續(xù)開(kāi)展臨床實(shí)驗(yàn)等研究工作,。