專利名稱：利用具有軟件控制的ac響應(yīng)的單個(gè)復(fù)用放大器通道對(duì)多個(gè)信號(hào)進(jìn)行放大的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例涉及復(fù)用單個(gè)模擬放大器通道以放大多個(gè)信號(hào)同時(shí)通 過(guò)軟件控制放大器的交流AC響應(yīng)的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
很多生物醫(yī)學(xué)裝置，例如心電描記術(shù)(ECG)、腦電描記術(shù)(EEG)、肌 電描記術(shù)(EMG)等需要放大從附著于患者的很多電極感測(cè)到的大量生物信 號(hào)。通常，這種設(shè)備使用同樣的模擬放大器電路的重復(fù)的級(jí)來(lái)放大由電極 感測(cè)到的每個(gè)信號(hào)。這導(dǎo)致硬件、功耗、形狀因子和成本增加。例如，典 型的12-導(dǎo)聯(lián)(lead) ECG系統(tǒng)需要八個(gè)同樣的模擬放大器通道來(lái)放大來(lái)自 附著于患者的IO個(gè)電極的組合的信號(hào)。從八個(gè)放大后的信號(hào)以數(shù)學(xué)方法計(jì) 算出剩余的四個(gè)ECG信號(hào)。利用很多模擬元件實(shí)現(xiàn)每個(gè)ECG放大器通道。
通常，這種放大器需要從接近直流DC到幾百赫茲的帶通頻率響應(yīng)。例 如，診斷用ECG放大器需要從O. 05Hz到150Hz的頻率響應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)0. 05Hz 的高通頻率響應(yīng)，必須使用具有大時(shí)間常數(shù)的AC耦合放大器級(jí)，其具有長(zhǎng) 的穩(wěn)定吋間(幾秒種)。由于這種放大器通道的AC耦合(高通濾波器(HPF)) 級(jí)的穩(wěn)定時(shí)間相當(dāng)高，因此不可能將單個(gè)模擬放大器通道復(fù)用以放大多個(gè) 信號(hào)。
在常規(guī)ECG中，利用個(gè)體的差分放大器、高通濾波器、增益放大器和 抗混疊濾波器實(shí)現(xiàn)八個(gè)ECG通道中的每一個(gè)。如果N等于相同放大器通道 的數(shù)量(對(duì)于12導(dǎo)聯(lián)ECG來(lái)說(shuō)N=8)， C等于每個(gè)通道的電子元件數(shù)量，F(xiàn) 等于RL驅(qū)動(dòng)器電路和輸入緩沖器所需的元件，那么實(shí)現(xiàn)常規(guī)12-導(dǎo)聯(lián)放大 器系統(tǒng)所需的電子元件的總數(shù)量等于(NXC) +F。總地來(lái)說(shuō)，同樣的放大 器通道中的元件總數(shù)比RL驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器中的元件數(shù)高得多。因此， NXC》F。元件數(shù)量增加提高了印刷電路板的復(fù)雜性、成本和形狀因子并造成較高的功耗。
此外，在常規(guī)ECG中，模擬元件老化以及諸如溫度變動(dòng)等環(huán)境因素也 能夠?qū)е聹y(cè)量信號(hào)的漂移和偽像。由于每個(gè)ECG通道在物理上都是獨(dú)立的， 每個(gè)ECG通道都因?yàn)榄h(huán)境和元件的變動(dòng)而經(jīng)受不同的漂移。
圖l示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的單個(gè)復(fù)用12-導(dǎo)聯(lián)ECG放大器。 圖2示出了圖1的可編程增益放大器的輸出端的典型波形，以例示根 據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的ECG放大周期的定時(shí)。
圖3示出了在ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)的ECG導(dǎo)聯(lián)選擇、數(shù)字化、DC偏移減去和
放大期間的事件的流程。 圖4為圖3的繼續(xù)。
圖5示出了對(duì)于特定的ECG導(dǎo)聯(lián)而言的圖1的可編程增益放大器的正 輸入端的波形。
圖6示出了對(duì)于與圖5中相同的ECG導(dǎo)聯(lián)而言的圖1的可編程增益放 大器的負(fù)輸入端的經(jīng)反饋的用于減去的無(wú)偏移電壓的波形。
圖7示出了對(duì)于與圖5中相同的ECG導(dǎo)聯(lián)而言的圖1的可編程增益放 大器(PGA) 160的輸出端的減去DC偏移并放大后的ECG波形。
具體實(shí)施例方式
在以下詳細(xì)描述中，給出了 12導(dǎo)聯(lián)ECG單個(gè)復(fù)用放大器通道應(yīng)用以示 范本發(fā)明的實(shí)施例的工作方式和效用，但不應(yīng)被視為限制性意義。本文所 述的信號(hào)放大技術(shù)可用于在不同應(yīng)用中放大多種模擬信號(hào)，所述應(yīng)用例如 為脈沖血氧定量法、非侵入式血壓測(cè)量、肌電描記術(shù)(EMG)、腦電描記術(shù) (EEG)等，它們需要放大疊加在靜態(tài)以及時(shí)變DC偏移上的低電壓、低頻 信號(hào)。還可以將這種信號(hào)放大技術(shù)擴(kuò)展到需要放大來(lái)自各種傳感器的信號(hào) 的其他產(chǎn)業(yè)和控制應(yīng)用。
12導(dǎo)聯(lián)ECG系統(tǒng)需要放大由附著于患者的10個(gè)電極的組合感測(cè)到的至 少八個(gè)不同ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)。ECG信號(hào)處于lmV的量級(jí)并疊加在0到250mV之 間任意位置的DC偏移上。對(duì)于不同的電極組合而言DC偏移是不同的。此夕卜，這些DC偏移電壓也會(huì)發(fā)生漂移，這可能會(huì)導(dǎo)致ECG信號(hào)基線的漂移。
為了將lmV的ECG放大到例如IV，需要從ECG信號(hào)消除高得多的DC電 勢(shì)(該電勢(shì)是無(wú)關(guān)的)，使得增益放大器不會(huì)變得飽和。
診斷-質(zhì)量ECG所需的放大器頻率響應(yīng)為0. 05Hz到150Hz，而對(duì)于監(jiān)測(cè) -質(zhì)量ECG，所需的放大器頻率響應(yīng)為0. 5Hz到40Hz。
為了實(shí)現(xiàn)0. 05Hz或0. 5Hz的高通頻率響應(yīng)，必須使用具有大時(shí)間常數(shù) 和長(zhǎng)穩(wěn)定時(shí)間(幾秒種)的AC耦合放大器級(jí)。由于這種放大器通道的AC 耦合(高通濾波器(HPF))級(jí)的穩(wěn)定時(shí)間相當(dāng)高，因此不可能將單個(gè)模擬 放大器通道復(fù)用以放大多個(gè)信號(hào)。
這里所述的本發(fā)明的實(shí)施例能夠利用具有軟件控制的AC響應(yīng)的單個(gè)復(fù) 用放大器通道來(lái)放大多個(gè)信號(hào)，并解決與復(fù)用穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)的AC耦合放大器 相關(guān)的問(wèn)題。本發(fā)明的實(shí)施例可以減小硬件元件的數(shù)量、功耗、形狀因子、 成本，還提供了額外的優(yōu)點(diǎn)，例如可進(jìn)行軟件編程的AC響應(yīng)、特征得到增 強(qiáng)且穩(wěn)定性提高。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例， 一種用于放大多導(dǎo)聯(lián)信號(hào)的設(shè)備包括復(fù)用器， 其中導(dǎo)聯(lián)信號(hào)被輸入到該復(fù)用器；單個(gè)放大器通道，其中復(fù)用器的輸出被 輸入到單個(gè)放大器通道；以及控制復(fù)用器的微控制器，其中微控制器存儲(chǔ) 軟件，該軟件依次地從每個(gè)導(dǎo)聯(lián)信號(hào)中一次選出一個(gè)待連接到單個(gè)放大器 通道的輸入端的信號(hào)，其中單個(gè)放大器通道放大所有的導(dǎo)聯(lián)信號(hào)。
根據(jù)本實(shí)施例，該單個(gè)模擬放大器通道可以包括差分放大器、可編程 增益放大器和抗混疊濾波器。模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器可以 在微控制器之外或可以包括在微控制器之內(nèi)。可以將選定的導(dǎo)聯(lián)信號(hào)連接 到差分放大器的輸入端，并且可以將差分放大器的輸出饋送到可編程增益 放大器的輸入端以實(shí)現(xiàn)DC偏移的消除和進(jìn)一步的放大。可以用抗混疊濾波 器對(duì)可編程增益放大器的輸出進(jìn)行濾波，并且可以用微控制器的模擬到數(shù) 字轉(zhuǎn)換器對(duì)抗混疊濾波器的輸出進(jìn)行數(shù)字化。然后微控制器可以選擇下一 個(gè)待利用模擬復(fù)用器放大的導(dǎo)聯(lián)信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，微控制器可以存儲(chǔ)軟件，該軟件通過(guò)計(jì)算每個(gè) 數(shù)字化導(dǎo)聯(lián)的電壓信號(hào)的DC偏移、利用數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器將DC偏移轉(zhuǎn)換 成摸擬表示、并在下一放大周期中從同一導(dǎo)聯(lián)信號(hào)中減去DC偏移，從而模擬高通濾波器以消除DC偏移。該軟件為每個(gè)導(dǎo)聯(lián)信號(hào)模擬了一個(gè)低通濾波 器級(jí)。根據(jù)實(shí)施例，每個(gè)低通濾波器計(jì)算并跟蹤每個(gè)數(shù)字化導(dǎo)聯(lián)信號(hào)中存 在的時(shí)變DC偏移。如果特定導(dǎo)聯(lián)的低通數(shù)字濾波器的輸出飽和了，則快速 基線恢復(fù)算法會(huì)使低通數(shù)字濾波器和可編程增益放大器不再飽和?？梢酝?過(guò)改變軟件中濾波器的系數(shù)而將每個(gè)低通數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)改變成期 望值，其中可以在軟件中對(duì)AC頻率響應(yīng)進(jìn)行編程。
根據(jù)另一實(shí)施例，可編程增益放大器的最大增益受到數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換 器的分辨率與模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率之比的限制，以防止信號(hào)失真同 時(shí)消除DC偏移。根據(jù)又一實(shí)施例，通過(guò)軟件控制和改變單通道放大器的AC 響應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供了一種放大多個(gè)信號(hào)的方法。該方法
包括通過(guò)在電極的組合上執(zhí)行差分電壓測(cè)量來(lái)獲得多個(gè)導(dǎo)聯(lián)信號(hào)； 一次 一個(gè)地依次選擇每個(gè)導(dǎo)聯(lián)信號(hào)以連接到單個(gè)放大器通道的輸入端；在所有 導(dǎo)聯(lián)信號(hào)之間以循環(huán)次序?qū)蝹€(gè)放大器通道進(jìn)行時(shí)間-分割，為每個(gè)所采樣 的導(dǎo)聯(lián)信號(hào)計(jì)算DC漂移，在相應(yīng)導(dǎo)聯(lián)信號(hào)的下一樣本中從每個(gè)相應(yīng)的所采 樣的導(dǎo)聯(lián)信號(hào)中減去DC漂移。根據(jù)本實(shí)施例，該單個(gè)模擬放大器通道放大 所有的導(dǎo)聯(lián)信號(hào)。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例設(shè)計(jì)的12導(dǎo)聯(lián)ECG放大器系統(tǒng)。
十個(gè)ECG電極連接到患者的身體以測(cè)量12導(dǎo)聯(lián)ECG。根據(jù)它們連接在 患者身體上的位置，將電極指定為RA (右臂)、LA (左臂)、LL (左腿)、RL (右腿)、V1到V6 (連接到胸部各位置的電極)。利用十根導(dǎo)線將這些電極 連接到放大器電路。
ECG "導(dǎo)聯(lián)"是通過(guò)在以上電極的組合上進(jìn)行差分電壓測(cè)量導(dǎo)出的。例 如，使用在差分放大器150處測(cè)量到的BLL (來(lái)自左腿電極的緩沖信號(hào))和 BRA (來(lái)自右臂電極的緩沖信號(hào))之間的差分電壓來(lái)導(dǎo)出ECG導(dǎo)聯(lián)2 (L2) 信號(hào)。類似地，通過(guò)差分測(cè)量導(dǎo)出其他ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)。
典型的12導(dǎo)聯(lián)ECG系統(tǒng)需要對(duì)八個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)進(jìn)行模擬放大，其余 四個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)是通過(guò)數(shù)學(xué)方法從八個(gè)被放大的ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)計(jì)算得到 的。參考圖l，需要模擬放大的典型的八個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)組合如下
ECG導(dǎo)聯(lián)2 = L2 = BLL - BRAECG導(dǎo)聯(lián)3 = L3 = BLL - BLA
ECG導(dǎo)聯(lián)V1 = VI = BV1 - C，其中C= (BRA + BLA + BLL)/3，且BV1 到BV6為來(lái)自胸部電極的緩沖信號(hào)。 ECG導(dǎo)聯(lián)V2= V2 = BV2 - C ECG導(dǎo)聯(lián)V3= V3 = BV3 - C ECG導(dǎo)聯(lián)V4= V4 - BV4 - C ECG導(dǎo)聯(lián)V5= V5 = BV5 - C ECG導(dǎo)聯(lián)V6= V6 = BV6 - C
在RL驅(qū)動(dòng)器電路130處利用反相求和放大器(未示出)求出來(lái)自RA、 RL和LL電極的信號(hào)平均值并將其反饋到右腿電極參考電勢(shì)，以降低共模噪
聲o
由模擬低通濾波器和緩沖放大器120a到120i對(duì)ECG信號(hào)進(jìn)行濾波和 緩沖，以防止高頻進(jìn)入放大器級(jí)。低通濾波器和緩沖放大器120a到120i 的輸出端連接到兩個(gè)8到1模擬復(fù)用器140a和140b的輸入端，從而能夠 選擇所需的ECG導(dǎo)聯(lián)。這些模擬復(fù)用器140a和140b的控制管腳受到微控 制器220的數(shù)字輸入/輸出管腳(DIO) 210的控制。
微控制器軟件依次從八個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)組合中一次選擇一個(gè)來(lái)連接到由差 分放大器150、可編程增益放大器(PGA) 160和抗混疊濾波器170形成的 單個(gè)模擬放大器通道的正負(fù)輸入端。
如上所述，利用差分放大器級(jí)放大兩個(gè)或更多電極的組合上的差分電 壓來(lái)導(dǎo)出ECG導(dǎo)聯(lián)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，使用單個(gè)模擬放大器硬件通道 來(lái)放大所需的所有八個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)。為了放大全部八個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)， 微控制器以循環(huán)次序在所有八個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)之間切換(即時(shí)間分割)放大器 通道，對(duì)于診斷-質(zhì)量ECG來(lái)說(shuō)典型的速率是每個(gè)導(dǎo)聯(lián)每秒鐘500次。
在每個(gè)放大周期中，微控制器利用其數(shù)字輸入/輸出管腳(DIO) 210控 制模擬復(fù)用器140a和140b，從而選擇待放大的ECG導(dǎo)聯(lián)。將所選擇的ECG 導(dǎo)聯(lián)連接到差分放大器150的輸入端。將差分放大器150的輸出饋送到可 編程增益放大器(PGA) 160的輸入端，以消除DC偏移并進(jìn)一步進(jìn)行放大。 利用抗混疊濾波器170對(duì)可編程增益放大器160的輸出進(jìn)行濾波并隨后利 用模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D) 180對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化。然后微控制器利用模擬復(fù)用器140a和140b選擇下一個(gè)待放大的ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)，并以類似方式對(duì) 該導(dǎo)聯(lián)信號(hào)進(jìn)行放大和數(shù)字化。在每個(gè)放大周期中，由微控制器220以循 環(huán)的次序(一次一個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián))選擇所有八個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)組合，將其連接到 差分放大器150的輸入端，消除DC偏移之后進(jìn)行放大，并隨后進(jìn)行數(shù)字化。 數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(D/A) 200和模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器180可以在微控制器之 內(nèi)或之外。
例如，對(duì)于診斷-質(zhì)量ECG來(lái)說(shuō)，以每秒500周期的速率不斷重復(fù)放大 周期。結(jié)果，以(八個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)X500周期^每秒4000次的速率切換 單個(gè)放大器通道。
這樣選擇運(yùn)算放大器和相關(guān)的元件值，使得模擬放大器通道的典型穩(wěn) 定時(shí)間遠(yuǎn)低于200微秒，對(duì)于這種切換速率而言這是足夠的。
為了實(shí)現(xiàn)超低頻響應(yīng)(0.05Hz)，在常規(guī)ECG模擬放大器通道中需要時(shí) 間常數(shù)和穩(wěn)定時(shí)間為幾秒的AC耦合級(jí)(用于消除DC的高通濾波器)。
為了避免硬件中的穩(wěn)定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(這會(huì)使快速?gòu)?fù)用單個(gè)放大器通道效 率低下)，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例通過(guò)微控制器程序存儲(chǔ)器內(nèi)部的軟件的實(shí)施 來(lái)模擬硬件DC消除級(jí)(高通濾波器)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在微控制器220軟件中的低通數(shù)字濾波器(LPDF) 190a級(jí)(每個(gè)待放大的ECG導(dǎo)聯(lián)一個(gè)LPDF)、數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(D/A) 200 和可編程增益放大器(PGA) 160的幫助下，以數(shù)字方式模擬了復(fù)用的放大 器通道中的模擬AC耦合硬件級(jí)(也稱為高通濾波器級(jí))。
優(yōu)選地，由每個(gè)數(shù)字化ECG導(dǎo)聯(lián)的信號(hào)計(jì)算DC偏移電壓，利用數(shù)字到 模擬轉(zhuǎn)換器200將其轉(zhuǎn)換成摸擬表示并在其下一個(gè)放大周期中從同一 ECG 導(dǎo)聯(lián)的信號(hào)中減去它，從而完成連續(xù)的DC偏移的跟蹤和消除。
在硬件中將單個(gè)放大器通道設(shè)計(jì)為DC放大器，通過(guò)低通數(shù)字濾波器 (LPDF) 190a完成DC偏移的計(jì)算和跟蹤并在可編程增益放大器160處從信 號(hào)中減去DC。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，微控制器軟件具有在軟件中實(shí)現(xiàn)的 八個(gè)低通數(shù)字濾波器(LPDF) 190a的獨(dú)立的級(jí)，每一級(jí)用于待放大的每個(gè) ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)。每個(gè)待放大的ECG導(dǎo)聯(lián)需要一個(gè)軟件實(shí)現(xiàn)的低通數(shù)字濾波器。 可以通過(guò)改變軟件中的濾波器系數(shù)值來(lái)改變低通數(shù)字濾波器的截止頻率。每個(gè)相應(yīng)的低通數(shù)字濾波器(LPDF) 190a的輸出都是通過(guò)計(jì)算從ECG信號(hào) 提取出來(lái)的時(shí)變DC偏移(即DC漂移)。根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，可以用 算法的不同實(shí)施方式，例如滑動(dòng)平均濾波器、加權(quán)平均濾波器等來(lái)代替低 通數(shù)字濾波器，而同時(shí)執(zhí)行DC偏移計(jì)算的相同功能。
根據(jù)圖1所示的本發(fā)明實(shí)施例，微控制器220將個(gè)體ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)的 數(shù)字表示傳送到它們對(duì)應(yīng)的低通數(shù)字濾波器軟件例程190a以計(jì)算和跟蹤相 應(yīng)的ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)中存在的DC偏移并在其存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)每個(gè)ECG信號(hào)中存 在的DC偏移的數(shù)字值。
每個(gè)放大周期由按照次序一個(gè)接一個(gè)地對(duì)全部八個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)進(jìn)行 DC校正和放大的過(guò)程構(gòu)成。在程序開(kāi)始處配置微控制器的定時(shí)器，以在等 于每個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)所需采樣速率的倒數(shù)的周期間隔時(shí)觸發(fā)新的放大周期。例 如，對(duì)于診斷-質(zhì)量ECG來(lái)說(shuō)，需要每個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)每秒500次采樣的采樣速 率，將周期性放大周期之間的時(shí)長(zhǎng)編程為等于1/500秒=2毫秒。
參考圖l，在每個(gè)放大周期中，微控制器220首先利用其數(shù)字輸入/輸 出管腳(DIO) 210來(lái)配置模擬復(fù)用器140a和140b的控制管腳，從而選擇 待放大的(八個(gè)中的一個(gè))ECG導(dǎo)聯(lián)。然后，微控制器220將在其前一放大 周期中為選定的ECG導(dǎo)聯(lián)所計(jì)算的DC偏移數(shù)字值饋送到數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器 (D/A) 200并產(chǎn)生被稱為零點(diǎn)偏移(Null-Offset)電壓的等價(jià)模擬電壓。 在可編程增益放大器(PGA) 160處從選定的ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)中減去該零點(diǎn)偏 移電壓，以使ECG信號(hào)中的DC偏移為零(如果有的話)?？删幊淘鲆娣糯?器160的輸出是針對(duì)選定的ECG導(dǎo)聯(lián)的減去了 DC并經(jīng)過(guò)放大的ECG信號(hào)。
微控制器利用模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D) 180對(duì)經(jīng)抗混疊濾波器170濾 波的可編程增益放大器160的輸出進(jìn)行數(shù)字化，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字表示。 微控制器將選定的ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)的數(shù)字表示發(fā)送到計(jì)算機(jī)，還將其饋送到 選定的ECG導(dǎo)聯(lián)的低通數(shù)字濾波器(LPDF) 190a的輸入端以進(jìn)行DC偏移的 計(jì)算和跟蹤。低通數(shù)字濾波器190a的輸出為所計(jì)算的DC偏移給出新的數(shù) 字值。在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)這一新計(jì)算出的DC偏移數(shù)字值，用于在同一ECG導(dǎo) 聯(lián)的下一放大周期中從ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)中減去。 一旦針對(duì)一個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)完成 上述DC消除和放大過(guò)程，微控制器220就利用模擬復(fù)用器140a和140b選 擇下一個(gè)要放大的ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)并針對(duì)該ECG導(dǎo)聯(lián)重復(fù)上述過(guò)程。類似地，微控制器對(duì)所有八個(gè)待放大的ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)重復(fù)以上放大過(guò)程。 一旦在放 大周期中放大了所有八個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)，微控制器220等待其計(jì)時(shí)器觸發(fā) 下一個(gè)放大周期。
優(yōu)選使用數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(D/A) 200的輸出端處的緩沖衰減器240 將數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器的全刻度輸出電壓范圍映射到所需的DC偏移消除電壓 范圍上。結(jié)果，能夠?yàn)闇p去DC獲得數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器電壓階躍的最大分辨 率。如果未使用衰減器功能，那么緩沖衰減器240級(jí)執(zhí)行僅緩沖數(shù)字到模 擬轉(zhuǎn)換器200的輸出的功能。
每個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)的軟件低通數(shù)字濾波器(LPDF) 190a計(jì)算并密切跟蹤數(shù) 字化ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)中存在的時(shí)變DC偏移(g卩，LPDF跟蹤DC漂移)。在可編 程增益放大器(PGA) 160處將在其前一放大周期中為特定ECG導(dǎo)聯(lián)計(jì)算的 DC偏移轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的等價(jià)模擬電壓并從同一 ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)將其減去。
通過(guò)改變軟件中的濾波器的系數(shù)可以將低通數(shù)字濾波器(LPDF) 190a 的頻率響應(yīng)改變成任何期望值。例如，對(duì)于診斷-質(zhì)量ECG來(lái)說(shuō)，可以將低 通數(shù)字濾波器配置成在0. 05Hz具有頻率截止，而對(duì)于監(jiān)測(cè)-質(zhì)量ECG來(lái)說(shuō)， 可以將低通數(shù)字濾波器配置成在0.5Hz處具有頻率截止。相應(yīng)的低通數(shù)字 濾波器的輸出為所計(jì)算和提取的DC偏移，低于其經(jīng)編程的截止頻率。與 0. 05Hz的頻率截止設(shè)置的低通數(shù)字濾波器相比，頻率截止為0. 5Hz的低通 數(shù)字濾波器的輸出跟蹤DC偏移要快得多(并具有更少的穩(wěn)定時(shí)間)。在其 下一放大周期中從同一 ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)中減去每個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)的低通數(shù)字濾波 器的輸出(即提取的DC漂移)，結(jié)果，在PGA放大器160的輸出端消除了 DC漂移。
(利用低通數(shù)字濾波器)從信號(hào)提取DC時(shí)變DC偏移并從同一信號(hào)中 減去該DC時(shí)變DC偏移(即DC漂移)得到的結(jié)果類似于在差分放大器150 和可編程增益放大器(PGA) 160之間具有硬件高通濾波器(HPF)級(jí)(其具 有與低通數(shù)字濾波器相同的截止頻率)。結(jié)果，改變低通數(shù)字濾波器190a 的(較高)截止頻率導(dǎo)致放大器通道的模擬高通濾波器響應(yīng)的(較低)截 止頻率發(fā)生類似變化。例如，當(dāng)從同一 ECG導(dǎo)聯(lián)的信號(hào)中減去截止頻率被 編程為0.5Hz的特定ECG導(dǎo)聯(lián)的低通數(shù)字濾波器的輸出時(shí)，放大器通道表 現(xiàn)出類似于信號(hào)路徑中0. 5Hz高通濾波器的頻率響應(yīng)。從而，放大器通道能夠針對(duì)每個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)表現(xiàn)出獨(dú)立的AC (高通濾波 器)頻率響應(yīng)，且可以通過(guò)在軟件中對(duì)對(duì)應(yīng)的ECG導(dǎo)聯(lián)的低通數(shù)字濾波器 190a的頻率響應(yīng)進(jìn)行編程來(lái)對(duì)所述AC頻率響應(yīng)進(jìn)行編程。這種技術(shù)使得復(fù) 用的放大器通道硬件能夠在不延長(zhǎng)放大器通道的穩(wěn)定時(shí)間的情況下具有高 達(dá)DC的軟件可編程AC響應(yīng)。
為了防止信號(hào)失真并同時(shí)消除DC漂移，必須通過(guò)數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器 (D/A) 200的分辨率與模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D) 180的分辨率之比來(lái)限制 可編程增益放大器(PGA) 160的最大可能增益。例如，如果數(shù)字到模擬轉(zhuǎn) 換器200具有16比特分辨率，而所需的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器180的分辨率為 10比特分辨率，那么必須將可編程增益放大器160的最大可能增益限制到 64 (即216/210)。必須限制可編程增益放大器160的增益以確保數(shù)字到模擬 轉(zhuǎn)換器(D/A) 200保持能夠提供充分小的電壓階躍以進(jìn)行DC減去，而不會(huì) 使放大的輸出失真。可以通過(guò)增大數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器200的分辨率或通過(guò) 減小模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器180的分辨率或者通過(guò)二者來(lái)提高可編程增益放大 器160的最大容許增益極限。
如果可編程增益放大器(PGA) 160具有大于1的增益，且ECG信號(hào)中 存在的DC偏移突然變化較大的量值，低通數(shù)字濾波器(LPDF) 190a的輸出 會(huì)飽和，而低通數(shù)字濾波器190a不再能夠跟蹤信號(hào)中存在的DC分量。例 如，如果模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D) 180和數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(D/A) 200的 全刻度范圍為3伏，可編程增益放大器160的增益為10，低通數(shù)字濾波器 190a能夠跟蹤高達(dá)3伏全刻度電壓范圍的1/10 (即高達(dá)0.3伏)的突然DC
偏移變化，之后，低通數(shù)字濾波器的輸出會(huì)飽和。在這種情形下，只要特 定ECG導(dǎo)聯(lián)的低通數(shù)字濾波器(LPDF) 190a的輸出飽和，就可以使用(針 對(duì)特定ECG導(dǎo)聯(lián)的)快速基線恢復(fù)算法(QBRA) 190b來(lái)使低通數(shù)字濾波器 190a和可編程增益放大器(PGA) 160脫離飽和狀態(tài)。
低通數(shù)字濾波器190a的數(shù)字輸出被稱為L(zhǎng)PDF—DC。如果特定ECG導(dǎo)聯(lián) 的低通數(shù)字濾波器(LPDF) 190a的數(shù)字輸出達(dá)到飽和，就將ECG信號(hào)的數(shù) 字表示(等價(jià)于PGA 160經(jīng)濾波后的輸出)發(fā)送到該特定ECG導(dǎo)聯(lián)的快速 基線恢復(fù)算法(QBRA) 190b而不是將它們發(fā)送到低通數(shù)字濾波器(LPDF) 190a。然后，啟用特定ECG導(dǎo)聯(lián)的快速基線恢復(fù)算法(QBRA) 190b并禁用低通數(shù)字濾波器190a，直到QBRA 190b將ECG信號(hào)的基線恢復(fù)到所需的數(shù) 字基線值(BASE—VAL)為止。在該特定ECG導(dǎo)聯(lián)的幾個(gè)隨后的放大周期期 間，快速基線恢復(fù)算法(QBRA) 190b檢查該特定ECG導(dǎo)聯(lián)的信號(hào)的數(shù)字表 示，根據(jù)該信號(hào)是處于正飽和還是負(fù)飽和，QBRA 190b以固定的步長(zhǎng)增大或 減小發(fā)送給數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(D/A) 200的數(shù)字值，以相應(yīng)地增大或減小 該特定ECG導(dǎo)聯(lián)的零點(diǎn)偏移電壓。結(jié)果，零點(diǎn)偏移電壓迅速接近ECG信號(hào) 中存在的DC偏移。當(dāng)零點(diǎn)偏移電壓等于ECG信號(hào)中存在的DC偏移時(shí)，將 特定ECG信號(hào)的基線恢復(fù)到其所需的基線值(BASE—VAL)。在存儲(chǔ)器中保存 零點(diǎn)偏移電壓等于信號(hào)中存在的DC偏移時(shí)的數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(D/A) 200 的數(shù)字輸入值(稱為DA—VAL)(即將ECG基線恢復(fù)到其所需的基線值處的 DA—VAL)并將其命名為QBRA—DC。 一旦將特定ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)恢復(fù)到其所需的 數(shù)字基線值(BASE—VAL)，就禁用快速基線恢復(fù)算法(QBRA) 190b，將低通 數(shù)字濾波器(LPDF) 190a的輸出重新初始化到所需的基線值(BASE一VAL)， 然后針對(duì)該特定ECG導(dǎo)聯(lián)重新啟用低通數(shù)字濾波器190a。自此以后(即在 基線恢復(fù)之后)，通過(guò)其低通數(shù)字濾波器190a傳遞該特定ECG信號(hào)的數(shù)字 表示，且低通數(shù)字濾波器的輸出(命名為L(zhǎng)PDF—DC)開(kāi)始跟蹤ECG信號(hào)中存 在的DC偏移。自此以后，只要DC漂移的頻率低于低通數(shù)字濾波器的截止 頻率，低通數(shù)字濾波器190a就能夠在模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器180的整個(gè)全刻度 范圍(即，以上范例中的3伏)上跟蹤ECG信號(hào)中存在的DC偏移。當(dāng)?shù)屯?數(shù)字濾波器工作時(shí)，通過(guò)下面的方程計(jì)算待饋送給數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(D/A) 200以生成零點(diǎn)偏移的數(shù)字值(DA—VAL):
DA_VAL 二 QBRA—DC + (LPDF—DC - BASE—VAL) X K，其中K為常數(shù)。 假設(shè)緩沖衰減器240不會(huì)衰減數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器200的輸出，并假設(shè) 模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器180和數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器200具有相同的全刻度電壓范 圍，則可以利用以下方程計(jì)算K的值-
K = (D/A分辨率)/ (A/D分辨率X PGA增益)
微控制器220的輸出(DIO) 210管腳在軟件控制下提供可編程的增益。 放大器通道可以具有對(duì)于每個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)而言獨(dú)立的可編程增益，無(wú)需 過(guò)多增加硬件元件的數(shù)量。
還可以通過(guò)軟件控制配置抗混疊濾波器170，且根據(jù)應(yīng)用(考慮到每個(gè)信號(hào)的采樣速率以及待放大的信號(hào)數(shù)量)也可以由微控制器(利用DIO管 腳210)計(jì)對(duì)不同的頻率截止配置抗混疊濾波器，以匹配所需的帶寬并減少 高頻噪聲。此外，還可以通過(guò)對(duì)每個(gè)放大的模擬樣品進(jìn)行多次(通常為四 次)模擬到數(shù)字測(cè)量并對(duì)其求平均來(lái)計(jì)算平均數(shù)字表示，以實(shí)現(xiàn)抗混疊功 能，從而減少噪聲。
圖2示出了用于放大八個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)的典型放大序列，通過(guò)根據(jù)本 發(fā)明實(shí)施例的可編程增益放大器(PGA) 160的輸出端的波形示出。參考圖 2， CH1到CH8代表對(duì)應(yīng)于表示待放大的八個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)的名稱的L2、 L3 和VI到V6的放大器通道序號(hào)。每個(gè)ECG放大周期301依次包括所有八個(gè) ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)的ECG導(dǎo)聯(lián)選擇(即切換)、DC消除和放大。 一旦全部八個(gè)ECG 導(dǎo)聯(lián)信號(hào)都被放大了，則放大器保持空閑302，直到下一放大周期為止。例 如，對(duì)于診斷-質(zhì)量ECG而言，ECG導(dǎo)聯(lián)放大周期以每秒500次的速率不斷 周期性重復(fù)，對(duì)于監(jiān)測(cè)-質(zhì)量ECG而言，以每秒200次的速率不斷周期性重 復(fù)。對(duì)于以上范例，對(duì)于診斷-質(zhì)量ECG而言，放大周期每2毫秒重復(fù)一次， 對(duì)于監(jiān)測(cè)-質(zhì)量ECG而言，每5毫秒重復(fù)一次。放大周期之間的間隔303以 及放大周期的時(shí)長(zhǎng)301可由軟件編程。
圖3和圖4示出了在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)的ECG導(dǎo)聯(lián)選 擇、DC消除、放大和數(shù)字化期間的事件的流程。圖4為圖3的延續(xù)。參考 圖3，在401，以初始設(shè)置配置放大器通道，例如第一個(gè)待放大的ECG導(dǎo)聯(lián)、 可編程增益放大器(PGA) 160的增益以及用于選定的ECG導(dǎo)聯(lián)的抗混疊濾 波器170的截止頻率設(shè)置。而且，在軟件中將所有ECG導(dǎo)聯(lián)的低通數(shù)字濾 波器(LPDF) 190a的輸出初始化到所需的基線值(BASE_VAL)。微控制器對(duì)
其內(nèi)部計(jì)時(shí)器進(jìn)行編程以按照所需采樣速率觸發(fā)放大周期(例如，對(duì)于診 斷-質(zhì)量ECG、每導(dǎo)聯(lián)每秒500次采樣的采樣速率而言，每2ms觸發(fā)一次)， 并啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。然后，在402，如果所需增益不同于當(dāng)前設(shè)置的增益，則利 用數(shù)字輸入/輸出管腳(DIO) 210改變可編程增益放大器的增益。而且，如 果所需設(shè)置與當(dāng)前設(shè)置不同，可以改變抗混疊濾波器170的截止頻率，在 403，將在選定的ECG導(dǎo)聯(lián)的上一放大周期中所計(jì)算的計(jì)算DC偏移的數(shù)字 值(即，利用低通數(shù)字濾波器的輸出或快速基線恢復(fù)算法的輸出計(jì)算的 DA—VAL)饋送到數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(D/A) 200。如果當(dāng)前放大周期為第一周期，將等于零的DC偏移值饋送到D/A 200。然后，在404，啟用數(shù)字到 模擬轉(zhuǎn)換器(D/A) 200以為選定的ECG導(dǎo)聯(lián)生成被稱為"零點(diǎn)偏移"電壓 的等價(jià)模擬電壓。"零點(diǎn)偏移"電壓連接到可編程增益放大器(PGA) 160的 負(fù)輸入端。在405，可編程增益放大器(PGA) 160從選定的ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào) 中減去"零點(diǎn)偏移"電壓并對(duì)所得信號(hào)進(jìn)行放大?？删幊淘鲆娣糯笃鞯妮?出是減去DC且經(jīng)過(guò)放大的ECG信號(hào)。然后在406，通過(guò)模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (A/D) 180對(duì)經(jīng)過(guò)抗混疊濾波器170濾波的可編程增益放大器(PGA) 160 的輸出進(jìn)行數(shù)字化并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字表示。在407，將經(jīng)過(guò)DC校正且被放 大的ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)的該數(shù)字表示保存在存儲(chǔ)器中，還發(fā)送到計(jì)算機(jī)。QBRA— 運(yùn)行—標(biāo)志是一個(gè)軟件變量，只要QBRA是運(yùn)行的(即，直到基線恢復(fù)過(guò)程 運(yùn)行之前)，由快速基線恢復(fù)算法(QBRA) 190b將該變量設(shè)置為真。在408， 微控制器檢查(選定的ECG導(dǎo)聯(lián)的)低通數(shù)字濾波器(LPDF) 190a的輸出 是否飽和以及變量QBRA一運(yùn)行一標(biāo)志是否被設(shè)置為真。如果滿足上述條件中 的任一個(gè)，就在409激活快速基線恢復(fù)算法(QBRA) 190b，并將QBRA—運(yùn)行 —標(biāo)志設(shè)置為真。直到ECG信號(hào)基線被恢復(fù)到所需的數(shù)字基線值(BASE—VAL) 之前，QBRA190b都保持運(yùn)行。在409、 410、 411和412處進(jìn)行快速基線恢 復(fù)過(guò)程，這些方框包括快速基線恢復(fù)算法(QBRA) 190b。在410，微控制器 檢査選定的ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)是否被恢復(fù)到所需的數(shù)字基線值(BASE_VAL)。否 則，然后在411，微控制器通過(guò)增大或減小饋送給數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(D/A) 200的數(shù)字值(DA—VAL)，在選定的ECG導(dǎo)聯(lián)的每個(gè)放大周期中以固定步長(zhǎng) 線性增大或線性減小(根據(jù)ECG信號(hào)是正飽和還是負(fù)飽和)零點(diǎn)偏移電壓。 結(jié)果，在幾個(gè)放大周期之后，零點(diǎn)偏移電壓接近ECG信號(hào)中存在的DC偏移。 由于在選定的ECG導(dǎo)聯(lián)的每個(gè)放大周期中在可編程增益放大器(PGA) 160 處都從ECG信號(hào)減去零點(diǎn)偏移，因此在零點(diǎn)偏移等于信號(hào)中存在的DC偏移 時(shí)，ECG信號(hào)被恢復(fù)到其所需的基線值(BASE_VAL)。 一旦將ECG基線恢復(fù) 到其所需基線值(BASE—VAL)， 410處的狀態(tài)返回到"是"，然后程序在412 處停止快速基線恢復(fù)算法(QBRA) 190b并將QBRA一運(yùn)行—標(biāo)志設(shè)置為假。而 且，在412，在存儲(chǔ)器中將零點(diǎn)偏移等于信號(hào)中的DC偏移時(shí)的饋送到數(shù)字 到模擬轉(zhuǎn)換器200的數(shù)字值(DA_VAL)保存為QBRA—DC。 一旦將ECG信號(hào)基 線恢復(fù)到其所需的數(shù)字基線值(BASE—VAL)，就禁用該ECG導(dǎo)聯(lián)的快速基線恢復(fù)算法(QBRA) 190b，將低通數(shù)字濾波器(LPDF) 190a的輸出重新初始 化到所需的基線值(BASE_VAL)，然后重新啟用用于該選定的ECG導(dǎo)聯(lián)的低 通數(shù)字濾波器190a。自此以后(在基線恢復(fù)之后)，在當(dāng)前和后續(xù)放大周期 中，在圖5的501將選定的ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)的數(shù)字表示輸入到其對(duì)應(yīng)的低通 數(shù)字濾波器(LPDF) 190a，該低通數(shù)字濾波器的輸出值(LPDF_DC)開(kāi)始跟 蹤ECG信號(hào)中存在的DC偏移。而且，在501，如上所述，利用下面的方程 用低通數(shù)字濾波器的輸出LPDF一DC計(jì)算將在同一 ECG導(dǎo)聯(lián)的下一放大周期 中饋送給數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(D/A) 200 (以產(chǎn)生零點(diǎn)偏移電壓)的數(shù)字值 (DA—VAL):
DA—VAL 二 QBRA—DC + (LPDF—DC - BASE一VAL) X K 在502，在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)待饋送到數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(D/A) 200的這 一新計(jì)算的DC偏移值(DA—VAL)。在同一 ECG導(dǎo)聯(lián)的下一放大周期中將該 DA—VAL用作饋送給數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(D/A) 200的輸入，以產(chǎn)生等價(jià)的零 點(diǎn)偏移電壓，以在同一 ECG導(dǎo)聯(lián)的下一次采樣中減去該零點(diǎn)偏移電壓。在 503，微控制器檢査在當(dāng)前放大周期中是否對(duì)所有八個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)都重復(fù) 并完成了上述過(guò)程。如果在當(dāng)前放大周期中未(通過(guò)上述過(guò)程)完成對(duì)所 有八個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)的放大和數(shù)字化，那么在507，如圖1所示，微控制器220 利用模擬復(fù)用器140a和140b選擇待放大的下一個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)。當(dāng)針對(duì)所有 八個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)完成上述放大和數(shù)字化過(guò)程時(shí)，微控制器在504和505 處等待，直到系統(tǒng)定時(shí)器(在以上范例中其被配置為每2毫秒觸發(fā)一次) 產(chǎn)生下一放大周期的觸發(fā)信號(hào)為止。在圖2中將該等待時(shí)段示為"空閑時(shí) 間"302。在接收到下一放大周期的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，微控制器220在506處利 用模擬復(fù)用器140a和140b (圖1所示)選擇ECG導(dǎo)聯(lián)，從而選擇要在新的 放大周期中第一個(gè)被放大的ECG導(dǎo)聯(lián)(即導(dǎo)聯(lián)2或L2，與通道序號(hào)CHl相 同)，程序控制再次傳遞到402。在新的放大周期中，如上所述對(duì)所有八個(gè) ECG導(dǎo)聯(lián)進(jìn)行DC校正、放大和數(shù)字化，然后微控制器220再次等待下一次 計(jì)時(shí)器觸發(fā)，以開(kāi)始新的放大周期。以等于每個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)所需采樣速 率的速率(例如，對(duì)診斷-質(zhì)量ECG而言，以每秒500個(gè)放大周期的速率) 不斷重復(fù)放大周期。
圖5、圖6和圖7針對(duì)特定ECG導(dǎo)聯(lián)示出了在復(fù)用的單個(gè)放大器通道中不同位置處的時(shí)間同步的典型波形。
具體而言，圖5示出了對(duì)于特定的ECG導(dǎo)聯(lián)而言，可編程增益放大器 (PGA) 160的正輸入端處的波形。該波形示出了在較大和變化的DC偏移上 采樣的ECG信號(hào)。
圖6示出了對(duì)于與圖5相同的ECG導(dǎo)聯(lián)而言，可編程增益放大器(PGA) 160的負(fù)輸入端處的被反饋以減去的零點(diǎn)偏移電壓的波形。通過(guò)將計(jì)算DC 偏移(DA—VAL)饋送給數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(D/A) 200而產(chǎn)生零點(diǎn)偏移電壓。 開(kāi)始，由時(shí)段701表示，利用快速基線恢復(fù)算法(QBRA) 190b的輸出對(duì)計(jì) 算DC偏移DA一VAL進(jìn)行計(jì)算。在時(shí)段701中，QBRA 190b使零點(diǎn)偏移迅速而 線性地接近ECG信號(hào)中存在的DC偏移。在存儲(chǔ)器中將零點(diǎn)偏移等于信號(hào)中 存在的DC偏移時(shí)數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(D/A) 200的輸入端的數(shù)字值存儲(chǔ)為 QBRA一DC，并示為703。當(dāng)時(shí)段701末尾的零點(diǎn)偏移電壓等于信號(hào)中存在的 DC偏移電壓時(shí)，ECG信號(hào)的基線被恢復(fù)到其所需基線值(BASE一VAL)，停止 用于選定的ECG導(dǎo)聯(lián)的快速基線恢復(fù)算法(QBRA) 190b并激活選定的ECG 通道的低通數(shù)字濾波器(LPDF) 190a。在702表示的時(shí)段期間低通數(shù)字濾 波器(LPDF) 190a是運(yùn)行的。在時(shí)段701之后(即在702中)，低通數(shù)字濾 波器(LPDF) 190a的輸出跟蹤ECG信號(hào)中存在的DC偏移，將LPDF 190a的 輸出用于計(jì)算DC偏移(DA—VAL)，該DC偏移用于輸入到數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器 (D/A) 200，以產(chǎn)生零點(diǎn)偏移電壓。
圖7示出了用于與圖5相同的ECG導(dǎo)聯(lián)的可編程增益放大器(PGA) 160 的輸出端處的減去了DC漂移的ECG波形。在可編程增益放大器160從(圖 5中的)輸入的ECG波形減去(圖6中的)計(jì)算零點(diǎn)偏移電壓波形時(shí)，在可 編程增益放大器160的輸出端得到該波形。在時(shí)段801中，在零點(diǎn)偏移電 壓迅速接近輸入ECG信號(hào)中存在的DC偏移并在PGA 160處被從輸入的ECG 信號(hào)減去的同時(shí)，由快速基線恢復(fù)算法(QBRA) 190b迅速使可編程增益放 大器(PGA) 160的輸出脫離飽和。在時(shí)段801的末尾，當(dāng)零點(diǎn)偏移電壓等 于信號(hào)中的DC偏移時(shí)，ECG信號(hào)被恢復(fù)到由803表示的所需數(shù)字基線值 BASE—VAL。在時(shí)段802中，激活低通數(shù)字濾波器(LPDF) 190a并用來(lái)跟蹤 輸入的ECG信號(hào)并從其中消除DC漂移。如在802中所示，從ECG信號(hào)消除 被低通數(shù)字濾波器(LPDF) 190a跟蹤的DC偏移。如上所述，可以將實(shí)現(xiàn)常規(guī)的12導(dǎo)聯(lián)ECG系統(tǒng)所需的電子元件總數(shù)表 示為NXC+F。然而，根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例，可以將實(shí)現(xiàn)12導(dǎo)聯(lián)ECG復(fù)用 放大器所需的電子元件數(shù)量表示為C+F而不是(NXC) +F。這樣減小了形 狀因子、印刷電路板復(fù)雜性、功耗和成本。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，可以通過(guò)軟件控制和改變放大器的AC響應(yīng)。 例如，可以通過(guò)僅改變軟件中的低通數(shù)字濾波器190a的系數(shù)，將用于診斷 -質(zhì)量12導(dǎo)聯(lián)ECG的放大器的AC頻率響應(yīng)設(shè)置為0. 05Hz，或者將用于監(jiān)測(cè) -質(zhì)量ECG的放大器的AC頻率響應(yīng)設(shè)置為0. 5Hz。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以為不同的ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)設(shè)置單獨(dú)的增益而 無(wú)需增大硬件復(fù)雜性。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，可以通過(guò)軟件控制設(shè)置待放大的ECG信號(hào) 的數(shù)量。例如，可以配置復(fù)用的放大器通道，從而為診斷ECG放大八個(gè)ECG 導(dǎo)聯(lián)信號(hào)，或者為監(jiān)測(cè)ECG放大兩個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)信號(hào)，并保持放大器在其余 時(shí)間為空閑狀態(tài)，以節(jié)省功耗。
根據(jù)本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施例，可以通過(guò)軟件控制而針對(duì)不同的應(yīng)用對(duì) 抗混疊濾波器170的頻率響應(yīng)進(jìn)行不同的配置而無(wú)需增大硬件復(fù)雜性。這 樣允許將該方法用在各種裝置中而不是僅用在ECG放大器中。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，由于所有信號(hào)都通過(guò)相同的放大器通道，因此 所有的ECG信號(hào)都得到均勻的放大。消除了因元件容差或環(huán)境波動(dòng)而導(dǎo)致 的通道間增益差。所有ECG信號(hào)都受到同樣的波動(dòng)和同樣的增益因子影響。
本申請(qǐng)公開(kāi)了若干數(shù)值范圍限制，即使在說(shuō)明書(shū)中未一字不差地給出 精確范圍限制，其也支持所公開(kāi)數(shù)值范圍之內(nèi)的任意范圍，因?yàn)榭梢栽谡?個(gè)所公開(kāi)數(shù)值范圍內(nèi)實(shí)踐本發(fā)明的實(shí)施例。最后，通過(guò)引用將在本申請(qǐng)中 引用的專利和公開(kāi)文件(如果有的話)的全部公開(kāi)內(nèi)容整體并入本文。
權(quán)利要求
1、一種設(shè)備，包括一個(gè)或多個(gè)復(fù)用器，其中將導(dǎo)聯(lián)信號(hào)輸入到所述一個(gè)或多個(gè)復(fù)用器；單個(gè)放大器通道，其中所述一個(gè)或多個(gè)復(fù)用器的輸出被輸入到所述單個(gè)放大器通道；以及微控制器，其控制所述一個(gè)或多個(gè)復(fù)用器，其中所述微控制器存儲(chǔ)軟件，所述軟件能夠一次一個(gè)地依次選擇待連接到所述單個(gè)放大器通道的輸入端的所述導(dǎo)聯(lián)信號(hào)中的至少一個(gè)，其中所述單個(gè)放大器通道放大所述導(dǎo)聯(lián)信號(hào)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述單個(gè)放大器通道包括差分放 大器、可編程增益放大器和抗混疊濾波器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述微控制器包括模擬到數(shù)字轉(zhuǎn) 換器和數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中 選定的導(dǎo)聯(lián)信號(hào)被連接到所述差分放大器的輸入端； 所述差分放大器的輸出被饋送到所述可編程增益放大器的輸入端，以進(jìn)行DC偏移消除和進(jìn)一步放大；所述可編程增益放大器的輸出適于被所述抗混疊濾波器濾波； 所述抗混疊濾波器的輸出適于被所述微控制器利用所述模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化；并且所述微控制器能夠利用所述復(fù)用器選擇下一個(gè)待放大的導(dǎo)聯(lián)信號(hào)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述微控制器包括硬件或軟件， 所述硬件或軟件適于模擬髙通濾波器，所述高通濾波器從所述抗混疊濾波 器的數(shù)字化輸出計(jì)算來(lái)自電壓信號(hào)的DC偏移，通過(guò)所述數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器 將所述DC偏移轉(zhuǎn)換成摸擬表示并在下一個(gè)放大周期從同一導(dǎo)聯(lián)信號(hào)中減去所述DC偏移，從而消除DC偏移。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述軟件包括模擬用于所述導(dǎo)聯(lián) 信號(hào)的低通濾波器級(jí)的代碼。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中所述低通濾波器適于計(jì)算和跟蹤 所述抗混疊濾波器的數(shù)字化輸出中存在的時(shí)變DC偏移。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，還包括基線恢復(fù)算法，該基線恢復(fù)算 法適于使所述低通數(shù)字濾波器和所述可編程增益放大器脫離飽和狀態(tài)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中能夠通過(guò)改變所述軟件中的所述 濾波器的系數(shù)而將所述低通數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)調(diào)節(jié)成期望值，其中能 夠在所述軟件中對(duì)所述放大器通道的AC頻率響應(yīng)進(jìn)行編程。
10、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中能夠由所述數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器 的分辨率與所述模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率之比來(lái)限制所述可編程增益放 大器的最大增益，以防止信號(hào)失真同時(shí)消除所述DC偏移。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中能夠通過(guò)軟件控制和改變所述 單通道放大器的AC響應(yīng)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中由所述微控制器配置所述抗混 疊濾波器以實(shí)現(xiàn)不同的頻率截止，從而匹配所需的帶寬并減小高頻噪聲。
13、 一種放大多個(gè)信號(hào)的方法，包括通過(guò)在傳感器的組合上進(jìn)行差分電壓測(cè)量來(lái)導(dǎo)出多個(gè)導(dǎo)聯(lián)信號(hào)； 依次選擇待連接到單個(gè)放大器通道的輸入端的所述導(dǎo)聯(lián)信號(hào)；以循環(huán)次序在所述導(dǎo)聯(lián)信號(hào)之間對(duì)所述單個(gè)放大器通道進(jìn)行時(shí)間分割；針對(duì)所采樣的導(dǎo)聯(lián)信號(hào)計(jì)算DC漂移；在相應(yīng)的導(dǎo)聯(lián)信號(hào)的下一次采樣中從相應(yīng)的所采樣的導(dǎo)聯(lián)信號(hào)中減去所述DC漂移，其中所述單個(gè)放大器通道放大所述導(dǎo)聯(lián)信號(hào)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中在每個(gè)周期中依次選擇并切換 所有的導(dǎo)聯(lián)信號(hào)，然后進(jìn)行DC偏移-校正、放大和數(shù)字化。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中為了執(zhí)行診斷-質(zhì)量ECG，以每 秒500周期的速率不斷重復(fù)所述周期。
16、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中通過(guò)軟件或硬件控制和改變所 述單通道放大器的AC響應(yīng)。
17、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中通過(guò)軟件或硬件實(shí)現(xiàn)為每個(gè)所 采樣的導(dǎo)聯(lián)信號(hào)計(jì)算所述DC漂移。
18、 一種設(shè)備，包括一個(gè)或多個(gè)復(fù)用器，其中導(dǎo)聯(lián)信號(hào)適于被輸入到所述一個(gè)或多個(gè)復(fù)用器；至少一個(gè)放大器通道，其中所述一個(gè)或多個(gè)復(fù)用器的輸出能夠被輸入 到所述至少一個(gè)放大器通道，且其中放大器通道的數(shù)量小于導(dǎo)聯(lián)信號(hào)的數(shù) 量；以及微控制器，其適于控制所述一個(gè)或多個(gè)復(fù)用器，所述微控制器包括硬 件或軟件，所述硬件或軟件能夠模擬高通濾波器，所述高通濾波器通過(guò)計(jì) 算所述DC偏移并在下一個(gè)放大周期中從同一導(dǎo)聯(lián)信號(hào)中減去所述DC偏移 來(lái)消除所述DC偏移，其中所述至少一個(gè)放大器通道能夠放大所述導(dǎo)聯(lián)信號(hào)。
19、 一種設(shè)備，包括多個(gè)傳感器，其中從多個(gè)電極得到多個(gè)導(dǎo)聯(lián)信號(hào)； 能夠?qū)λ龆鄠€(gè)導(dǎo)聯(lián)信號(hào)進(jìn)行濾波和緩沖的多個(gè)低通濾波器和緩沖放大器；一個(gè)或多個(gè)復(fù)用器，其中來(lái)自所述多個(gè)低通濾波器和緩沖放大器的輸 出能夠被輸入到所述一個(gè)或多個(gè)復(fù)用器之一；單個(gè)放大器通道，其中所述一個(gè)或多個(gè)復(fù)用器的所述輸出能夠被輸入 到所述單個(gè)放大器通道；以及微控制器，其適于控制所述一個(gè)或多個(gè)復(fù)用器，其中，所述微控制器 適于存儲(chǔ)軟件，所述軟件能夠從所述導(dǎo)聯(lián)信號(hào)中一次一個(gè)地依次選出待連 接到所述單個(gè)放大器通道的輸入端的導(dǎo)聯(lián)信號(hào)，其中所述單個(gè)放大器通道 適于放大所述導(dǎo)聯(lián)信號(hào)。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中所述微控制器適于以循環(huán)次序 在所述導(dǎo)聯(lián)信號(hào)之間對(duì)所述單個(gè)放大器通道進(jìn)行時(shí)間分割，從而為所述導(dǎo) 聯(lián)信號(hào)計(jì)算DC漂移。
21、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中所述微控制器適于在所述導(dǎo)聯(lián) 信號(hào)的下一次采樣中從相應(yīng)的所采樣的導(dǎo)聯(lián)信號(hào)中減去所述DC漂移。
22、 根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中為了執(zhí)行診斷-質(zhì)量ECG，能夠 以每秒500周期的速率不斷重復(fù)所述周期。
23、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中能夠通過(guò)所述微控制器中存儲(chǔ) 的軟件程序控制所述設(shè)備的AC響應(yīng)。
全文摘要
一種用于放大多個(gè)信號(hào)的裝置，包括多個(gè)傳感器，其中從多個(gè)傳感器導(dǎo)出多個(gè)導(dǎo)聯(lián)信號(hào)；對(duì)所述多個(gè)導(dǎo)聯(lián)信號(hào)進(jìn)行濾波和緩沖的多個(gè)低通濾波器和緩沖放大器；一個(gè)或多個(gè)復(fù)用器，其中來(lái)自所述多個(gè)低通濾波器和緩沖放大器的輸出被輸入到所述一個(gè)或多個(gè)復(fù)用器之一；單個(gè)放大器通道，其中所述一個(gè)或多個(gè)復(fù)用器的輸出被輸入到所述單個(gè)放大器通道；以及控制所述一個(gè)或多個(gè)復(fù)用器的微控制器，其中所述微控制器存儲(chǔ)軟件，所述軟件從每個(gè)導(dǎo)聯(lián)信號(hào)中一次一個(gè)地依次選擇待連接到所述單個(gè)放大器通道的輸入端的導(dǎo)聯(lián)信號(hào)，其中所述單個(gè)放大器通道放大所有導(dǎo)聯(lián)信號(hào)。所述單個(gè)放大器通道具有軟件可編程的AC響應(yīng)。
文檔編號(hào)A61B5/0452GK101453945SQ200780019814
公開(kāi)日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2007年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者A·S·巴克斯, R·佩拉瑪查納哈里 申請(qǐng)人:英特爾公司