專利名稱：用于eeg監(jiān)控系統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)換器、信號轉(zhuǎn)換方法和監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及EEG監(jiān)控系統(tǒng)，特別涉及可以由正在被監(jiān)控的人持續(xù)攜帶類型的監(jiān)控系統(tǒng)。更具體地，涉及用于來自測量EEG信號的電極或傳感器的信號的模擬數(shù)字輸入信號轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明進一步涉及在EEG監(jiān)控系統(tǒng)中將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的方法。
背景技術(shù)：
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(在下文中用A/D轉(zhuǎn)換器表示)將變化的電流或電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)形式。存在一些不同的A/D轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)，每種A/D轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換速度、準確度、 量化噪聲、電流消耗、字長、線性度和電路復(fù)雜度方面都具有優(yōu)勢和折衷。在當前的數(shù)字助聽器設(shè)計中，由于與現(xiàn)存A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計相比的許多重要的因素，Δ-Σ (Delta-Sigma) A/D 轉(zhuǎn)換器類型是優(yōu)選的轉(zhuǎn)換器類型，這些因素例如，容易的混疊濾波器實現(xiàn)、通過設(shè)計可控的變換噪聲、相對低的功率消耗以及由于較少的部件數(shù)量而相對容易的實現(xiàn)。通過定義，信號處理裝置中的固有噪聲是信號處理裝置本身引入的不期望信號。 固有噪聲可能源于不充分的運行情況、不良的設(shè)計或部件值的變化。在設(shè)計信號處理裝置時需要考慮這些情況。在A/D轉(zhuǎn)換器中，可以注意到一些不同類型的噪聲。在這些不同類型的噪聲中有轉(zhuǎn)換噪聲、量化噪聲、熱噪聲、閃爍噪聲、復(fù)合噪聲和由于增益產(chǎn)生元件中的各種物理限制引起的噪聲。為了提供這些不同噪聲類型的源之間的區(qū)分，將在下面簡要地討論最重要的噪聲類型。量化噪聲源于將連續(xù)輸入電壓范圍量化為有限組的電壓電平的過程，有限組的電壓電平可以根據(jù)下面表達式由離散的二進制電平表示LN = 2n其中Ln是可能的離散電平數(shù)，η是用于表示數(shù)字域中的單個樣本的比特數(shù)。量化噪聲可以被認為是單個樣本的實際輸入電壓和用于表示實際輸入電壓的離散電壓之差。于是例如通過任意地增加表示信號的比特數(shù)，可以最小化這種類型的噪聲，因此這里將不再進一步討論。熱噪聲源于電阻性介質(zhì)中的電子的隨機布朗運動。給定電阻、帶寬和溫度，通過下式給出均方根熱噪聲Vnt:
_7] Vitf= ΤΔ/R其中kb是玻爾茲曼常數(shù)1，38065*10_23J/K，T是以K為單位的絕對溫度，Δ f是以 Hz為單位的感興趣的帶寬，R是以Ω為單位的考慮的電路元件的電阻。對于MOS半導體， 通過下式給出熱噪聲
EHT“ — JW
3ψ.Κ:/々其中Id是漏電流，W是物理帶寬，L是半導體元件的實際長度。于是較低的漏電流
3會導致更大的輸入噪聲，但是這可以通過更高的信號電平補償。閃爍噪聲或ι/f噪聲是低頻噪聲頻譜中的主要噪聲。從真空管時代開始閃爍噪聲就已經(jīng)出現(xiàn)在電子器件中，并且也出現(xiàn)在當前的半導體器件中。由于EEG信號通常是在頻率范圍0. 1-lOOHz，盡可能地限制Ι/f噪聲是重要的。為了提供由正在被監(jiān)控的人持續(xù)地攜帶的能夠不中斷工作數(shù)天而無需更換電池的EEG監(jiān)控系統(tǒng)，對EEG監(jiān)控系統(tǒng)的一個設(shè)計目標是盡可能地減少由電路從電池獲得的電流，優(yōu)選地減少至低于ImA的值。為了處理其工作極限內(nèi)的大的增益，提供其輸入端信號的一百倍至可能一千倍量級的放大的半導體元件使用該電流相當大的電流百分比作為其偏壓電流。在EEG監(jiān)控系統(tǒng)包含兩個部件的情況中，如包含電極的可埋植部件與包含信號處理裝置和電池的外部部件，A/D轉(zhuǎn)換器通常與電極被布置在可埋植部件中。為了這個原因， A/D轉(zhuǎn)換器的功率消耗必須盡可能地低。通常內(nèi)部植入的部件用于接收來自外部部件的必要功率。這可以通過應(yīng)用感應(yīng)裝置來實現(xiàn)。適用于由人持續(xù)攜帶的EEG監(jiān)控器應(yīng)當是小且不突出的，并且其功率消耗已經(jīng)足夠適度從而允許使用輕量電池，該電池在需要更換之前應(yīng)當能持續(xù)至少數(shù)天。

發(fā)明內(nèi)容
Δ-Σ A/D轉(zhuǎn)換器在本領(lǐng)域中是眾所周知的。其目的是將變化的模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換為二進制比特流，用于進一步在數(shù)字域中進行處理。Δ- Σ A/D轉(zhuǎn)換器具有優(yōu)于其他A/D 轉(zhuǎn)換器設(shè)計的重要的優(yōu)勢。為了降低量化階段(例如圖1中所示的比較器幻產(chǎn)生的量化噪聲，使用過采樣和噪聲整形技術(shù)。過采樣和Δ-Σ調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)用作噪聲整形濾波器，因而將來自感興趣頻帶的量化噪聲擴大至更高的頻率。因此為感興趣的信號生成具有低噪聲系數(shù)的頻帶。缺點是轉(zhuǎn)換器時鐘速率需要高于傳統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以最高的感興趣頻率(用尼奎斯特極限表示)兩倍的采樣率工作。在Δ - Σ轉(zhuǎn)換器中，通?？梢园l(fā)現(xiàn)64倍到1 倍的過采樣率。然而，與考慮到轉(zhuǎn)換器中的部件值的較大容限獲得的優(yōu)勢相比較，這只是較小的缺點。實質(zhì)上，Δ-Σ A/D轉(zhuǎn)換器包含Δ- Σ調(diào)節(jié)器和低通濾波器。這可以用積分器、比較器和D觸發(fā)器來制成。觸發(fā)器的輸出信號通過包含1位數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)路被反饋，并在積分器上游從輸入信號中減去。減去的反饋信號提供Σ調(diào)節(jié)器的輸入的誤
差信號。來自A/D轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)路的誤差信號用于確保轉(zhuǎn)換器的平均輸出信號電平總是等于輸入信號電平。如果在轉(zhuǎn)換器輸入沒有信號，那么由A/D轉(zhuǎn)換器生成對稱的二進制 “1”和“0”的輸出比特流。當輸入信號電壓變?yōu)楦蟮恼妷簳r，更多的二進制“1”將出現(xiàn)在輸出比特流中，且當輸入信號電壓變?yōu)楦嗟呢撾妷簳r，更多的二進制“0”將出現(xiàn)在輸出比特流中。因此Δ-Σ A/D轉(zhuǎn)換器將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為輸出比特流中“1”和“0”之間的平衡。本發(fā)明在第一個方面提供了如權(quán)利要求1中所述的輸入轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明在第二個方面提供了如權(quán)利要求9中所述的方法。本發(fā)明在第三個方面提供了如權(quán)利要求12中所述的EEG監(jiān)控系統(tǒng)。
為了克服以上缺點，根據(jù)本發(fā)明的輸入轉(zhuǎn)換器包含設(shè)置在輸入轉(zhuǎn)換器中輸入級上游的變壓器，變壓器具有變壓系數(shù)從而使得其提供比輸入電壓更大的輸出電壓。當輸入信號電壓在被放大器級放大之前變大時，需要較小的放大，從而使輸入信號升至可接受的電平，且放大信號的相對放大器噪聲貢獻較低。根據(jù)本發(fā)明，輸入變換器被實現(xiàn)為變壓器。變壓器容易實現(xiàn)在同步(時鐘控制的)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)中，并且可以被設(shè)計以便將其阻抗最優(yōu)化為放大器和A/D轉(zhuǎn)化器的隨后級的阻抗。根據(jù)從屬權(quán)利要求進一步特征和優(yōu)勢是明顯的。


關(guān)于附圖將進一步詳細地描述本發(fā)明，在附圖中，圖1是現(xiàn)有技術(shù)Α-ΣΑ/D轉(zhuǎn)換器的示意圖，圖2是圖1中現(xiàn)有技術(shù)Δ- Σ轉(zhuǎn)換器的更詳細的示意圖，圖3是示出圖2中Δ- Σ轉(zhuǎn)化器的放大器的噪聲電平電壓VnW等價示意圖，圖4是示出了圖3中放大器的輸入信號的等價變換原理的示意圖，圖5是示出現(xiàn)有技術(shù)采樣電容積分器的第一相位的示意圖，圖6是示出現(xiàn)有技術(shù)采樣電容積分器的第二相位的示意圖，圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的采樣電容積分器的第一相位的示意圖，圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的采樣電容積分器的第二相位的示意圖，圖9是根據(jù)本發(fā)明的第一相位的輸入變換器的實現(xiàn)方式的示意圖，圖10是根據(jù)本發(fā)明的第二相位的輸入變換器的實現(xiàn)方式的示意圖，圖11是根據(jù)本發(fā)明的Δ- Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實施例的示意圖，圖12是根據(jù)本發(fā)明的具有開關(guān)電容輸入變換器的三階Δ - Σ A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)選實施例的示意圖，圖13是示出圖12中所示Δ - Σ A/D轉(zhuǎn)換器中某些最重要的信號的時序圖，圖14是示出圖12中所示輸入變換器T的更詳細視圖的示意圖，圖15是示出圖12中所示種類的倒相放大器I的等價示意圖，圖16是示出具有可埋植部件和外部部件的EEG監(jiān)控系統(tǒng)的方框圖，圖17是EEG監(jiān)控系統(tǒng)的可埋植部件的俯視圖，以及圖18是圖16中所示EEG監(jiān)控系統(tǒng)的可埋植部件的側(cè)視圖。
具體實施例方式圖1示出包含輸入端IN、減法點1、積分器2、比較器3、D觸發(fā)器4、1位數(shù)模(D/A) 轉(zhuǎn)換器5、時鐘發(fā)生器6和輸出端OUT的現(xiàn)有技術(shù)Δ-Σ A/D轉(zhuǎn)換器的方框圖。提供給輸入端IN的模擬信號被供應(yīng)給減法點1，在該處來自1位D/A轉(zhuǎn)化器5的輸出信號從輸入信號中被減去，生成誤差信號。來自減法點1的誤差信號被供應(yīng)給積分器2的輸入，用于生成來自減法點1的誤差信號的積分。來自積分器2的輸出信號被提供給比較器3的輸入，用于每當積分信號超過比較器3設(shè)定的預(yù)定閾值極限時生成邏輯“1”電平并且每當來自積分器 2的輸出信號降到預(yù)定閾值以下時生成邏輯“0”電平。然后該邏輯信號提供觸發(fā)器4的數(shù)據(jù)輸入。時鐘發(fā)生器6以如下方式控制觸發(fā)器4，即來自比較器3的輸出信號被以時間量化，并被同步到時鐘信號，觸發(fā)器4充當鎖存器，因此生成表示輸入信號的比特流。來自觸發(fā)器4的輸出的比特流在輸出端OUT和1位D/A轉(zhuǎn)換器5的輸入之間被分開到減法點1并從輸入信號中被減去。該1位D/A轉(zhuǎn)換器5將比特流中的邏輯“1”和“0”轉(zhuǎn)換為關(guān)于輸入信號的正電壓或負電壓，以從減法點1的輸入信號中減去。本質(zhì)上，該布置產(chǎn)生反饋環(huán)路，使得比特流表示輸入信號隨時間的變化，即當輸入信號電平是零時，相等數(shù)目的數(shù)字“1”和“0”將出現(xiàn)在比特流中，每當輸入信號變?yōu)檎禃r，更多的“1”而不是“0”將出現(xiàn)在與輸入信號電平成比例的比特流中，和每當輸入信號變?yōu)樨撝禃r，更多“0”而不是“1”將出現(xiàn)在與輸入信號電平成比例的比特流中。然后比特流可以被轉(zhuǎn)換為合適的數(shù)字形式，用于在數(shù)字域中進一步處理。設(shè)計用于EEG監(jiān)控系統(tǒng)的Δ- Σ A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)當具有小的噪聲系數(shù)和低的電流消耗。然而，如果A/D轉(zhuǎn)換器的輸入放大器的電流消耗降低，而不對設(shè)計做出任何改變，那么放大器的噪聲系數(shù)將相應(yīng)地增加。該問題和可能的解決方案將在下面進一步詳細地描述。圖2示出現(xiàn)有技術(shù)Δ- Σ A/D轉(zhuǎn)換器的更詳細的示意圖。該轉(zhuǎn)換器包含輸入IN、 第一電阻器R1、第二電阻器R2、放大器A、電容器C、剩余環(huán)路濾波器RLF、D觸發(fā)器DFF和生成時鐘信號的時鐘發(fā)生器CLK。放大器A和電容器C構(gòu)成圖1中所示的轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)的積分器2，剩余環(huán)路濾波器RLF包含出現(xiàn)在二階或更高階Σ轉(zhuǎn)換器中的隨后低通濾波器級。轉(zhuǎn)換器在輸入端IN接收電壓U形式的模擬輸入信號，并在輸出端OUT提供表示數(shù)字輸出信號Y的比特流。應(yīng)當注意，轉(zhuǎn)換器中的信號直到由觸發(fā)器DFF的輸出Q生成比特流之前一直是時間連續(xù)的。放大器A和剩余環(huán)路濾波器RLF包含轉(zhuǎn)換器的環(huán)路濾波器，環(huán)路濾波器的頻率傳遞函數(shù)(即A和RLF兩者的頻率傳遞函數(shù))決定轉(zhuǎn)換器抑制頻率依賴的量化噪聲的能力。 放大器A的增益也抑制來自RLF的噪聲，因為濾波器RLF位于變換器的反饋環(huán)路中。在討論中，在放大器環(huán)路濾波器之間分別進行區(qū)分的原因是將來自放大器A的噪聲貢獻與反饋環(huán)路中其他噪聲源隔離。所有其他的因素都是同樣的，因此放大器A的噪聲水平構(gòu)成除了量化噪聲之外變換器的主要噪聲分量。這就是來自特定噪聲源的貢獻應(yīng)當被最小化的原因， 即前述所提及的問題。如果放大器A具有無限增益，那么放大器的輸入端上的信號電平將是零。相反，可以假定，A和RLF組合的總增益在轉(zhuǎn)換器的整個期望頻帶內(nèi)足夠大以至于轉(zhuǎn)換器量化噪聲可以被忽略。給定輸入電壓U和結(jié)果輸出電壓Y，在理想的情形中圖2中的完整轉(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù)H可以被估算為
權(quán)利要求
1.一種EEG監(jiān)控系統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)換器，所述輸入轉(zhuǎn)換器包含變壓器、具有輸入級和輸出級的Σ類型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、從所述輸入級的輸出至所述輸出級的輸入的連接以及所述輸入級的所述輸入和所述輸出級的所述輸出之間的反饋環(huán)路，所述輸入級包含放大器和積分器，其中所述變壓器具有的變壓系數(shù)使得其提供的輸出電壓大于輸入電壓，并且所述變壓器在所述輸入轉(zhuǎn)換器中被設(shè)置在所述輸入級的上游。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，特征在于，所述變壓器是開關(guān)電容變壓器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，特征在于，所述變壓器包含至少兩個電容器，所述至少兩個電容器被布置為通過輸入電壓以并聯(lián)結(jié)構(gòu)充電并且以串聯(lián)結(jié)構(gòu)放電從而遞送輸出電壓，并且所述變壓器包含用于控制各結(jié)構(gòu)中的電容器的充電和放電的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，特征在于，所述變壓器由采樣時鐘發(fā)生器控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，特征在于，所述變壓器由系統(tǒng)時鐘發(fā)生器控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，特征在于，所述放大器包含單級放大半導體元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，特征在于，所述放大器包含作為放大元件的緩沖倒相器。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，特征在于，所述變壓器的輸出電壓大于相應(yīng)的輸入電壓。
9.一種將EEG監(jiān)控系統(tǒng)中的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的方法，所述EEG監(jiān)控系統(tǒng)包含數(shù)字信號處理器、采樣時鐘發(fā)生器和系統(tǒng)時鐘發(fā)生器，所述方法包含以下步驟將輸入信號電壓變換為更高電壓、對經(jīng)變換的輸入信號電壓進行放大、對經(jīng)變換和放大的電壓求積分、 將經(jīng)放大和積分的電壓數(shù)字化、從經(jīng)變換的輸入電壓中減去數(shù)字化的電壓，以及利用數(shù)字化的積分電壓生成數(shù)字輸出比特流，該數(shù)字輸出比特流表示助聽器中的所述數(shù)字信號處理器的隨后級的輸入信號電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中將所述輸入信號電壓變換為更高的電壓的步驟包括以下步驟在來自所述采樣時鐘發(fā)生器的信號的第一相位將并聯(lián)結(jié)構(gòu)的至少兩個電容器充電到輸入電壓的瞬時值，和在來自所述采樣時鐘發(fā)生器的信號的第二相位使串聯(lián)結(jié)構(gòu)的所述至少兩個電容器放電，從而使所述電容器的組合放電電壓以電容器數(shù)量成倍增加。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中將經(jīng)放大和積分的電壓數(shù)字化的步驟包括以下步驟比較經(jīng)放大和積分的電壓與預(yù)定電壓，并且依賴于所述經(jīng)放大和積分的電壓的值和來自所述系統(tǒng)時鐘發(fā)生器的信號生成離散的邏輯信號。
12.一種由正在被監(jiān)控的人持續(xù)攜帶的EEG監(jiān)控系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含適用于測量來自正在攜帶所述系統(tǒng)的人的一個或多于一個EEG信號的至少一個電極，所述系統(tǒng)包含用于分析所述EEG信號的信號處理裝置，所述信號處理裝置適用于基于所述EEG信號識別或預(yù)測所述人的具體的生物發(fā)病率，所述系統(tǒng)特征在于，所述系統(tǒng)包含根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的輸入轉(zhuǎn)換器，所述輸入轉(zhuǎn)換器適用于將來自所述電極的模擬EEG信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的EEG監(jiān)控系統(tǒng)，其中所述電極和所述輸入轉(zhuǎn)換器被布置在可埋植部件中，所述可埋植部件適用于通過正在被監(jiān)控的人的皮膚無線接收電力供應(yīng)并且進一步適用于通過所述皮膚無線傳輸數(shù)字化的EEG信號至外部部件。
全文摘要
為了最小化可以由正在被監(jiān)控的人持續(xù)攜帶的EEG監(jiān)控系統(tǒng)(40)中的噪聲和電流消耗，設(shè)計了EEG監(jiān)控系統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)換器(44)。所述輸入轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有輸入級、輸出級和反饋環(huán)路，并且所述輸入級包含放大器(QA)和積分器(RLF)。變壓器(IT)在輸入轉(zhuǎn)換器中被設(shè)置輸入級上游。所述變壓器(IT)具有的變壓系數(shù)使得其提供的輸出電壓大于所述輸入電壓，因此使得所述輸入級的信號電壓以固定因數(shù)成倍增加。所述變壓器(IT)是具有至少兩個電容器(Cx，Cy，Cz)的開關(guān)電容變壓器。本發(fā)明進一步提供了轉(zhuǎn)換模擬信號的方法和包含所述輸入轉(zhuǎn)換器(44)的EEG監(jiān)控系統(tǒng)。
文檔編號H03M3/02GK102440006SQ200980159016
公開日2012年5月2日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者N·O·努森, S·基爾斯戈德 申請人:唯聽助聽器公司