应用于神经感测的超高阻抗传感器制造技术

提供了一种在电位感测网络中的可与电容传感器一起使用的传感器电路。该传感器电路提供偏置电流，同时通过借助于有限阻抗的经滤波的测量的正反馈来保持针对所关注频带中的信号的高的输入阻抗。传感器电路适于但不限于诸如脑电图(EEG)、肌电图(EMG)和心电图(ECG)之类的技术。还描述了利用电容传导传感器的神经反馈系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求于2013年11月27日提交的美国申请第61/910033号的优先权。出于美国的目的，根据35U.S.C.§119，本申请要求于2013年11月27日提交的题目为“ULTRAHIGHIMPEDANCESENSORWITHAPPLICATIONSINNEUROSENSING”的美国申请第61/910033号的权益，出于所有目的，该申请因此通过引用合并到本文中。
本专利技术涉及用于信号检测的设备以及相关的方法。该设备具体应用于检测低振幅生物电信号。例如，该设备可以用于获得脑电图(“EEG”)信号、心电图(ECG)信号或肌电图(EMG)信号。
技术介绍
包括人类的哺乳动物的生物活动会产生电场。这些场遍及身体而变化并且取决于身体状态、情绪状态和精神状态而改变。例如，大脑的工作产生可以通过监测头皮上的点的电位来检测的电场。所监测的电位是脑电图(EEG)信号的示例。EEG信号的特征如频谱提供大脑工作的指示。神经反馈系统可以处理EEG信号并产生声音或其它反馈信号。使用者可以使用神经反馈系统来学习行使对其大脑的工作的控制。使用听觉刺激以提供反馈的示例性神经反馈系统是从加拿大维多利亚的ZengarInstituteInc.(www.zengar.com)可获得的系统。NeurOptimal监测用户的脑波，并且当脑波不平稳地工作时通过调节用户正在听的音乐而向中枢神经系统发出警报。在大脑活动示出混乱的迹象情况下，由神经反馈软件提供的音乐立即被中断。这个细微的线索向用户大脑发出警报：其正在无效运转。通过重复的训练期，大脑自身“重置”并且更平稳地工作。跳动的心脏也创建了可以在皮肤处被检测的时间变化的电场。所监测的信号是心电图(ECG)信号的示例。可以分析ECG信号以确定心脏跳动正常或不正常。类似地，可以布置传感器以使用肌电图(EMG)来测量肌肉功能。描述各种EEG系统的专利文件包括：US专利5230346、US专利4503860、US专利4411273、US专利7729740、US公开第20110282231号、US公开第20110046503号以及US公开第20130079659号。包括EEG信号的生物电信号的振幅通常较小。这样的信号通常需要放大。因为信号微弱，所以噪声是问题。用于监测小的电位的系统(例如EEG系统、EMG系统、ECG系统)的整个性能可以高度依赖于用于检测电位的传感器的性质。对提供放大的传感器进行描述的专利文件包括US20130066183、US20120250197、EP1451595B1和US8264247。各种类型的电极可以用于检测EEG信号。一些EEG系统使用湿接触电极。湿接触电极与导电凝胶或膏一起使用，以向用户提供低阻抗的连接。湿接触电极可能使用不方便并且耗时。此外，导电凝胶和膏不干净，并且可能经常在相邻的传感器之间流出并造成信号污染。干电极不使用膏和凝胶，而是直接接触用户。使用干电极来制造的连接的电阻抗通常比使用湿接触电极来制造的连接的电阻抗大得多。使用干传感器来制造的连接的这种阻抗可能由于诸如皮肤状态、在干电极与皮肤之间存在头发等之类的因素而显著变化。非接触传感器依赖电容耦合，并且不需要电连接至受试者而进行工作。存在与非接触传感器相关联的诸多问题。对场的耦合非常微弱，从而使得传感器易于获得外来噪声。此外，典型的放大器设计需要有限的—虽然通常微小的—输入电流以正确地工作。例如，在下述文献中描述了非接触传感器：Sullivan等人的ALow-Noise,Non-ContactEEG/ECGSensorIEEE2007；Cauwenberghs等人的WirelessNon-contactCardiacandNeuralMonitoring.WirelessHealth，2010年10月7日，美国圣地亚哥；Ross的RecentPatentsonNon-ContactElectrodesforMeasuringEEGandEKG和RecentPatentsonElectrical&ElectronicEngineering，2013年，第6卷，2至6；Chi等人的Non-contactLowPowerEEG/ECGElectrodeforHighDensityWearableBiopotentialSensorNetworks，第六届可穿戴式和可植入式人体传感器网络国际研讨会，2009年6月3日至6月5日。在US8193821、CA2706956、US20120265080和US8780512中还描述了非接触传感器。US20130039509和US827107描述了配备有用于检测生物电信号的电极的头戴装置。EP2709519A1描述了所感测到的生物信号的各种应用。US7088175描述了测量自由空间电场。仍然需要改善现有传感器的一些缺点的适于检测小电位的传感器。在神经感测和神经反馈的领域中，仍然需要可以在有噪声的情况下工作并适于诸如脑电图(EEG)、肌电图(EMG)和心电图(ECG)之类的技术的可靠的非接触传感器。
技术实现思路
本专利技术具有许多方面。一个方面提供了可用作用于在一个或更多个传感器处检测电位的前端的传感器电路。在一些实施方式中，传感器包括电容传感器。在一些实施方式中，电位包括生物电信号。另一方面提供了合并这样的传感器电路的EEG系统。另一方面提供了合并这样的电路的生物反馈系统。另一方面提供了对传感器电路进行操作以提供用于输入放大器的偏置电流以及/或者消除由静电放电造成的噪声信号的方法。一个示例性方面提供了用于测量所关注频带中的电位的设备。该设备包括：放大器，其具有输入端和输出端；滤波器，其具有输出端以及被连接成从放大器输出端接收信号的输入端；以及阻抗器，其具有耦合在过滤器输出端与放大器输入端之间的电阻分量。滤波器具有排除直流信号的通带，并且结合的放大器和滤波器具有针对在滤波器的通带内的频带中的信号的单位增益。另一示例性方面提供了一种用于检测电位的方法。该方法包括：在具有耦合至电位的输入端的放大器的输出端，检测包括关注的信号的放大器输出信号；从放大器输出信号中提取关注的信号；以及将所提取的关注的信号施加至阻抗器的一端，所述阻抗器的第二端连接至放大器输入端。关注的信号可以是在特定频带内的信号，并且提取关注的信号可以包括对放大器输出信号进行滤波。另一示例性方面提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量关注的频带中的电位的设备，所述设备包括：放大器，其具有输入端和输出端；滤波器，其具有输出端以及被连接成从所述放大器的输出端接收信号的输入端；阻抗器，其具有耦合在所述滤波器的输出端与所述放大器的输入端之间的电阻分量；其中，所述滤波器具有排除直流信号的通带，并且组合的所述放大器和所述滤波器针对在所述滤波器的通带内的频带中的信号具有单位增益。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.27 US 61/910,0331.一种用于测量关注的频带中的电位的设备，所述设备包括：
放大器，其具有输入端和输出端；
滤波器，其具有输出端以及被连接成从所述放大器的输出端接收信号
的输入端；
阻抗器，其具有耦合在所述滤波器的输出端与所述放大器的输入端之
间的电阻分量；
其中，所述滤波器具有排除直流信号的通带，并且组合的所述放大器
和所述滤波器针对在所述滤波器的通带内的频带中的信号具有单位增益。
2.根据权利要求1所述的设备，包括将所述放大器的输入端耦接至
信号源的电容器。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述阻抗器包括电阻器。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述阻抗器包括与所述电阻
器并联连接的电容器。
5.根据权利要求3所述的设备，其中，所述阻抗器包括与所述电阻
器并联连接的静电放电保护装置。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述滤波器在所述频带内具
有平坦的频率响应。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述滤波器为高通滤波器。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述滤波器为带通滤波器。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述滤波器通过所述阻抗器
的方式将偏置电流提供至所述放大器。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述频带包括在1Hz至100
Hz范围内的频率。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述频带包括在100mHz
至300Hz范围内的频率。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述放大器是运算放大器。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述滤波器包括数字滤波器。
14.根据权利要求13所述的设备，包括：模数转换器，其被连接成

\t使来自所述放大器的输出端的信号数字化；数字信号处理器，其被配置成
对数字化的信号进行数字化滤波，以产生数字化滤波信号；以及数模转换
器，其被配置成将所述数字化滤波信号转换成模拟滤波信号，所述数模转
换器具有被耦接成通过所述阻抗器的方式将所述模拟滤波信号施加至所
述放大器的输入端的输出端。
15.根据权利要求1所述的设备，包括低阻抗屏蔽，所述低阻抗屏蔽
连接至所述滤波器的输出端并且被布置成屏蔽所述阻抗器和所述放大器
的输入端中的至少一个。
16.根据权利要求1所述的设备，包括神经反馈系统，所述神经反馈
系统被连接成接收并处理来自所述滤波器或所述放大器的输出端的信号。
17.根据权利要求1所述的设备，包括耦接至所述放大器的输入端的
信号传感器。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述信号传感器包括电极。
19.根据权利要求17所述的设备，其中，所述信号传感器的阻抗在
所关注的频带内为至少1MΩ。
20.根据权利要求17所述的设备，其中，所述信号传感器包括电容
传感器。
21.根据权利要求1所述的设备，包括连接在所述放大器的输出端与
所述滤波器的输入端之间的组合电路，所述组合电路将以下信号提供至所
述滤波器的输入端，所述信号组合了来自所述放大器的放大器输出信号与
来自一个或更多个另外的信号传感器的输出信号。
22.根据权利要求21所述设备，其中，所述组合电路包括差分电路，
所述差分电路被配置成从所述放大器输出信号减去来自所述另外的信号
传感器的输出信号的函数。
23.根据权利要求22所述的设备，其中，来自所述另外的信号传感
器的输出信号的函数包括平均值。
24.根据权利要求1所述的设备，其中，所述放大器安装在印刷电路
板上，并且所述印刷电路板包括电耦接至所述放大器的输入端的电极。
25.根据权利要求24所述的设备，其中，所述印刷电路板是多层印
刷电路板，并且所述印刷电路板提供连接至所述滤波器的输出端的导电屏
蔽，所述导电屏蔽与所述电极电绝缘并与所述电极物理交叠。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：肯尼斯·麦卡勒姆，
申请(专利权)人：曾加尔研究所公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA