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脑电波传感器进驻移动装置增添医疗感测功能

发布时间:2020-06-30 17:52:36 阅读: 来源:岩棉彩钢厂家

为准确、有效地撷取微弱的生物讯号,消噪技术一直是生物讯号传感器设计的重要核心关键。生物讯号感测系统单晶片(SoC)所搭载的高效能消噪技术,将能持续延伸脑波感测器应用领域,加速从医疗及一般性消费性电子扩大到智慧型手机、平板和行动游戏机等行动通讯消费性电子产品(图1)。

图1 高效能消噪技术将可扩大脑波感测器应用范畴。

扩大脑波应用领域 感测器抗干扰能力至为关键

由于包括电脑、灯泡、插座与手机等电气设备乃至生物本身肌肉、脉搏均会产生不同程度的噪音干扰,而这些噪音的生成更会进一步阻碍生物讯号传感器撷取微弱生理讯号如脑电波的过程,因此要从这些干扰噪音里进行准确捕捉人的脑波相当困难。

为提高脑电波讯号品质,传统的感测器通常得搭配医疗凝胶来提高导电性。由于现今大部分的家庭都没有符合医疗环境的要求,且大多数人也不想每次佩戴脑电波设备时都必须使用导电凝胶,因此提升生物讯号传感器消噪能力,已成为扩大此一应用市场的关键要素。

消噪技术的突破,系生物讯号感测晶片导入行动装置的关键,可望进一步扩大生物讯号传感器应用市场。目前具有专利的技术包括噪音过滤,以及使用不带凝胶的干式传感器,并可应用在嘈杂环境中,核心技术还包括精巧的电路设计。 要把脑电波讯号从干扰噪音中区分出来,需要一个参考电极和接地电极。接地电极让人体电压与耳机电压持平,而参考电极透过共模抑制,可过滤周围的环境噪音。

因应此一技术挑战,已有感测晶片业者研发出独特的消噪技术与讯号放大技术,可最大限度地除掉肌肉、脉搏和电气设备所发出的噪音,并透过滤波器过滤来自电网中50Hz或是60Hz的干扰杂讯,将人体脑波传递的讯息完整接收,并准确呈现在终端设备的显示萤幕上。

此外,终端设备必须要能检测到如眨眼等肌肉运动,故在测量脑电波时,须把肌肉产生的不必要杂讯一并过滤掉,或是把眨眼讯号撷取出来。因此,消噪技术须从前端积体电路设计至制造的部分,乃至后端应用做通盘考量,以求得最佳化的效能。

前端积体电路设计包含类比消噪电路及数位消噪电路。类比消噪电路是在有限的矽面积前提下,做最佳化的设计和配置,以满足生物讯号感测晶片应用,扩大至行动装置市场所产生的晶片尺寸微缩需求,并搭配数位消噪电路,透过类比数位转换器(ADC),将讯号取样数位化后,再利用数位讯号处理器,经由内部演算法加以计算,以进一步提升消噪的效能。

经过设计,数位消噪电路本身同时可透过晶圆的测试流程,抑或是由后面应用端软体程式化的方式,来满足客制化的消噪需求。

以神念科技的生物讯号感测系统单晶片为例,其整合类比与数位讯号处理器(DSP)与演算法,可在嘈杂环境做出最准确的生物讯号输出。在后端晶片制造上,则采用联电低噪制程技术,进一步在矽基材上实现前端低噪设计,并达到晶片性能的最佳化。

此外,在后端应用部分,该系统单晶片利用软体来执行数位滤波功能,可因应客户不同频带的需求做出滤波器(Filter)滤波范围的改变,并在非通带频率(Stop-Band Frequency)处做出快速衰减,以更进一步提升讯噪比(SNR)与噪音消除的能力。

再加上对称化的设计所达到的平衡使得晶片本身在直流偏移(DC Offset)与共模抑制比(CMRR)这两个参数上先天就有很好的性能表现,此一软硬体效能,也使得生物讯号感测晶片能被科研设备采纳,有效量测生物体内神经活动,其量测精确度更达科研用脑波仪的96%,而设备费用却远低于一般科研用设备。

新一代消噪技术助力 生物感测器准确度更高

目前,生物感测晶片业者已积极研发属于一种环境适应型的消噪技术,具备功耗更少、尺寸更小,且效能更高的优势。这样的设计,可让系统主动精确地侦测出感测器与人体接触时细微的压力变化,并提供接触电阻预测数据,以事先推估出可能产生的噪音数量,主动在消噪的能力或模式做出调整。

新一代消噪系统在设计上将会朝向能主动侦测出不平衡的噪音,并搭配如韧体与演算法智慧化做出消噪模式与消噪能力调整,发挥该情境下最佳的消噪效能。

尽管脑波感测晶片可以呈现许多医疗资讯,但该晶片对人体是否有危害,亦成为业界关注重点。由于脑波感测技术为单向的传递行为,意即晶片只负责接收人体的脑电波讯号,并不具有发射的功能,因此不会影响使用者大脑的思维。

此外,目前晶片业者也积极发展演算法,并利用脑波感测器撷取的数据,解读人类的心智状况。因此,未来脑波感测器应用,将进入到心电、肌电、眼电等生物讯号传感器领域。

(本文作者为神念科技积体电路产品工程经理)

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