CN102657524B - 一种非接触式心电传感器及其应用 - Google Patents

Abstract

一种非接触式心电传感器，采用圆形双面PCB板电极，一个面上设有三个区，三个区之间电绝缘，中心圆区为感应片，依次向外设有环形屏蔽区及环形地线区，另一个面上也设有三个区，中心圆为敷铜区，敷铜区中心设有包括前置运算放大器、前端滤波器的贴片焊接区，敷铜区外围为环形地线区，感应片和相邻环形屏蔽区共同所占的区域与另一个面上的敷铜区相对称，两个面上的环形地线区相对称，前置运算放大器的输出端分别与环形屏蔽区及敷铜区连接，前置运算放大器的地端分别与两个面上的环形地线区连接，前置运算放大器的输入连接感应片的输出。双面PCB板电极定位在圆形金属屏蔽盒的敞口端，设有感应片的一面朝向敞口，设有敷铜区的一面朝向屏蔽盒内腔。

Description

一种非接触式心电传感器及其应用

技术领域

本发明涉及心电信号的监测，尤其是一种非接触式心电传感器及其应用，属于生物医学信号测量领域。

背景技术

生物电是反映人体各种生理状态的重要信息，对人体各种生物电的检测、记录已成为掌握人体器官功能、临床诊断和治疗、日常健康监护的可靠依据。心脏疾病是威胁人类健康的主要疾病之一，心电图是检测心脏疾病的重要手段。

传统心电测量系统中，通常采用粘有导电胶的Ag/AgCl一次性电极片或吸杯式、夹戴式电极，此类电极均与人体的表面皮肤直接接触。然而，随着心脏疾病的发病率不断提高，且临床片段式的心电检测无法准确地诊断一些特殊的心脏病症(如心率失常，心肌缺血)，这类病症具有随机性、突发性、间歇性，使得长期、便携式、日常心电监护引起了人们的广泛关注。

目前，心电Holter仪的发展适应了上述需求，但由于它依然采用传统接触式电极进行体表电位测量，电极与皮肤长时间的接触会给局部皮肤带来很大刺激，甚至造成皮肤的过敏和溃烂，这势必会给患者带来很多不适。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非接触式心电传感器及其应用，利用该非接触式心电传感器可以使患者在穿着自己的内衣或T恤的情况下，进行长期、便携式、日常心电监测，非接触式心电传感器与皮肤容性耦合，提高了心电监护的舒适性、连续性。

本发明的技术方案是：一种非接触式心电传感器，其特征是：采用圆形双面PCB板电极，PCB板的一个面上设有三个区，三个区之间电绝缘，中心圆区为裸露的感应片，依次向外设有环形屏蔽区及环形地线区，PCB板的另一个面上也设有三个区，中心圆为敷铜区，敷铜区中心设有包括前置运算放大器、前端滤波器(二阶巴特沃斯有源高通滤波器级连一阶无源低通滤波器)的贴片焊接区，敷铜区外围为环形地线区，一个面上的感应片和相邻环形屏蔽区共同所占的区域与另一个面上的敷铜区相对称，两个面上的环形地线区相对称，前置运算放大器的输出端分别与环形屏蔽区及敷铜区连接，前置运算放大器的模拟信号地端分别与两个面上的环形地线区连接，前置运算放大器的输入端连接感应片的信号输出；双面PCB板电极定位在一个敞口的圆形金属屏蔽盒的敞口端，设有感应片的一面朝向敞口，设有敷铜区的一面朝向屏蔽盒内腔。

应用上述非接触式心电传感器制成的心电监测床垫，其特征是：监测床垫上设有非接触式心电传感器阵列、参考电极以及心电采集主板，其中：

非接触式心电传感器电极阵列为一排间隔布置的非接触式心电传感器，与人体的上半身位置对应，设有感应片的一面与人体直接对应；

参考电极为一块导电织物，设置在监测床垫的上表面，与人体的下半身位置对应；

心电采集主板为双面PCB板，其中一面集成了前端模拟信号调理电路，包括多路信号选二电路、仪表放大电路、高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器、二级放大电路、末级放大电路、电源及稳压电路以及右腿驱动电路；双面PCB板的另一面集成了以MSP430单片机为主控器的模数转换、定时采样以及蓝牙无线通讯模块；传感器阵列中各传感器电极的输出信号均连接多路信号选二电路，多路信号选二电路的输出连接仪表放大电路，仪表放大电路的输出分别连接高通滤波器及右腿驱动电路，高通滤波器的输出连接低通滤波器，低通滤波器的输出连接带阻滤波器，带阻滤波器的输出连接二级放大电路，二级放大电路的输出连接末级放大电路，末级放大电路的输出连接MSP430单片机，MSP430单片机的输出分别连接多路信号选二电路及蓝牙无线通讯模块，右腿驱动电路输出连接参考电极。

应用上述非接触式心电传感器制成的心电监测胸带，其特征是：胸带为弹性体，胸带的两端分别设有尼龙粘贴扣，胸带内侧的中心缝制一块导电织物作为参考电极，参考电极的左右两侧分别设有一个固定在胸带上的非接触式传感器，设有感应片的一面与人体胸部对应；

设置一心电采集主板，为双面PCB板，其中一面集成了前端模拟信号调理电路，包括仪表放大电路、高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器、二级放大电路、末级放大电路、电源及稳压电路以及右腿驱动电路；双面PCB板的另一面集成了以MSP430单片机为主控器的模数转换、定时采样以及蓝牙无线通讯模块，2个传感器电极的输出信号均连接仪表放大电路，仪表放大电路的输出分别连接高通滤波器及右腿驱动电路，高通滤波器的输出连接低通滤波器，低通滤波器的输出连接带阻滤波器，带阻滤波器的输出连接二级放大电路，二级放大电路的输出连接末级放大电路，末级放大电路的输出连接MSP430单片机，MSP430单片机的输出分别连接多路信号选二电路及蓝牙无线通讯模块，右腿驱动电路输出连接参考电极，心电采集主板放置在胸带外侧设置的口袋内。

本发明的优点及显着效果：

1，采用非接触式心电传感器，通过容性耦合原理，隔着一层衣服进行体表的心电测量，给长期、便携式、日常心电监护带来更大的灵活性和舒适性，易于被患者接受；

2，将前端信号采集主板集成在测量装置内，将用来存储和显示的监护终端放在外部。在模拟信号调理、放大、模数转换后，利用蓝牙模块进行无线数据传输，在病房或家庭中，使得患者摆脱了有线的困扰，同时减轻了将完整的监护设备背在身上所带来的负担；

3，利用“右腿驱动”的原理有效降低了共模噪声的干扰；

4，整个心电测量不与人体皮肤直接接触，轻巧、灵活，造价低廉，使用简单，最大限度地降低对患者正常生活与行动的影响，可广泛应用于医院便携式监护设备或家庭式健康监护仪中，也可用于其它需要进行人体健康监护的特殊环境中。

附图说明

图1是本发明非接触式心电测量方法的原理示意图；

图2是本发明非接触式心电传感器的电路原理图；

图3是本发明非接触式心电传感器的频率响应图；

图4是本发明非接触式心电传感器及其屏蔽结构图；

图5是本发明容性右腿驱动的电路原理图；

图6是本发明应用的原理框图；

图7是本发明实际心电测量的结果图(数字示波器显示)；

图8是本发明实际心电测量的频谱图(数字示波器显示)；

图9是本发明非接触式电极上的前置运算放大电路无屏蔽和有屏蔽时的电路原理图；

图10是应用本发明非接触式心电传感器制成的心电监测胸带；

图11是应用本发明非接触式心电传感器制成的心电监测床垫。

具体实施方式

如图4所示，非接触式心电传感器包括一块直径为3.9cm的圆形双面PCB板13和一块半封闭的钢铝合金屏蔽盒4(A图)。B图与C图分别为非接触式心电传感器PCB板电极13的两个面，B图的电极面朝向人体，C图的电极板面朝向屏蔽盒4内腔。B图面中央采用直径为2.5cm的圆形裸露的感应片9，表面镀了一层锡。感应片9周围绕有两个宽度为0.35cm的环形屏蔽圈，内侧为屏蔽圈8，其表面盖有一层绝缘丝印薄膜。外侧为地线屏蔽圈7，表面也镀了一层锡。屏蔽圈8、地线屏蔽圈7、感应片9三者之间彼此绝缘，且在同一平面上。C图面中心圆区12为直径3.2cm敷铜区，其中心为包括前置运算放大电路和前端滤波电路(二阶巴特沃斯有源高通滤波器级连一阶无源低通滤波器)的表贴元件10，敷铜区外围设置地线屏蔽圈14。感应片9通过过孔与另一面上的前置运算放大电路的输入端电气相连，前置运算放大电路的输出分别与屏蔽圈8、敷铜区12连接，前置运算放大电路的模拟信号地GND分别与地线屏蔽圈7、14连接。11为miniUSB接口母座。

设计感应片9和环形屏蔽圈8共同所占的区域与圆形敷铜12相对称，电气信号一致，两个面上的地线屏蔽圈7、14也对称，电气信号也一致，共同构成了“有源屏蔽”结构，包裹着感应片9，有效屏蔽了感应片9周围的噪声，同时对于心电信号本身的影响很小。两个面上对称的环形地线屏蔽圈7、14；尤其是环形地线屏蔽圈7，表面电气裸露(镀了一层锡)，它与人的衣服直接接触，给淤积的摩擦电位和静电位提供了排泄通路。半封闭的钢铝合金屏蔽盒4(A图)的封闭端面的突出外沿上设有多个定位孔6用于与心电监测应用载体固定。钢铝合金屏蔽盒4的敞口端台阶定位圆形双面PCB板13。钢铝合金屏蔽盒4的侧面设置缺口5，可供miniUSB接口11插拔。

上述“有源屏蔽”的原理如图9所示。其中R_C与C_C代表传感器上的圆形感应片与人体皮肤间的耦合电阻和电容；V_S为体表心电信号源；V_n为外界的噪声源，R_n是噪声的源阻抗；R_b代表为运放的偏置电流而设计的等效电阻；R_in和C_in分别是前置放大器的输入电阻和电容；C_s2是该“有源屏蔽”与前置放大电路的输入端之间的等效分布电容。在理论条件下，利用基尔霍夫定律可知图9-a和9-b运算放大器的输入输出关系分别为：

$V_{\mathrm{out}0}=\frac{V_s{Y}_C\left(\mathrm{j\ω}\right)+V_n{g}_n}{Y_C\left(\mathrm{j\ω}\right)+g_n+g_b+Y_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{j\ω}\right)}---\left(1\right)$

$V_{\mathrm{out}2}=\frac{V_s{Y}_C\left(\mathrm{j\ω}\right)}{Y_C\left(\mathrm{j\ω}\right)+g_b+Y_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{j\ω}\right)}---\left(2\right)$

其中： $Y_C\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{1}{R_C}+\mathrm{j\ω}{C}_C;$ $Y_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{1}{R_{\mathrm{in}}}+\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{in}};$

g_n，g_b分别为R_n和R_b的导纳；

比较式(1)和(2)，利用该“有源屏蔽”结构，可以有效抑制感应片周围的噪声，同时对心电信号本身无明显衰减。

参看图1，被测者可穿着一件内衣或T恤，非接触式心电传感器直接与衣服3接触，透过衣服3与人体2进行容性耦合。由于非接触式心电传感器与人体间的接触阻抗很高(即信号源阻抗很高)，使得前置放大电路必须具有高输入阻抗。然而，高输入阻抗势必会提高输入噪声灵敏度，因此非接触式心电传感器周围必须做好屏蔽措施。非接触式心电传感器与人体的相对位置必须固定，可以利用屏蔽盒上的定位孔6将非接触式心电传感器固定在载体上，将整个测量装置设计成可穿戴式的或将非接触式心电传感器固定在椅背、床垫上，使病人在坐卧时进行心电监护。银与涤纶混纺的参考电极1与容性右腿驱动电路的输出端相连，同样隔着衣服与人体容性耦合，反馈面可以为人的背部、腰部或下身，这一措施能有效降低共模干扰。

参看图2，利用前置运算放大器的输出端作为信号输入端的“有源屏蔽”，有效屏蔽了感应片周围的噪声，同时对于心电信号本身的影响很小。紧随前置放大器之后设计了二阶高通滤波器，可以很好的滤除低频干扰，抑制基线漂移，使得后续的仪表放大器在高增益的情况下不易饱和。0.5Hz的高通截止频率，满足心电监护的要求。高通滤波器级联了一阶无源低通，截止频率大于200Hz，可以减少高频噪声的干扰。

图3给出了不同衣服隔离下，非接触式心电传感器的频率响应。除了丝绸外，其它材料的衣服所测得的传感器频率特性均满足监护要求。

图5a所示右腿驱动电路的反馈技术简单且被广泛应用。本发明对传统右腿驱动电路进行了改进。通过在仪表放大器外部设计等值串联的增益电阻，利用同相放大电路将两增益电阻中间的共模信号提取出来，先同相放大后，再反向放大，最后通过银织物混纺的参考电极输出，参考电极与人的衣服相接触(即参考电极与人体皮肤表面容性耦合)，将共模干扰负反馈回人体。

容性右腿驱动的等效电路如图5b所示，反馈后的共模干扰信号如下式所示：

$V_{\mathrm{cm}}=\frac{I_d*(Z_o+Z_c)}{1+Z_f/Z_a}+V_{\mathrm{Ref}}$

从理论分析可得，在运放输出不饱和的前提下，提高Zf与Za的比率，可降低共模干扰Vcm的幅度。

应用图4非接触式心电传感器制成的心电监测胸带(或背心)如图10。胸带22为弹性体，胸带的两端分别设有尼龙粘贴扣24，胸带内侧的中心缝制一块导电织物21作为参考电极，参考电极的左右两侧分别设有一个固定在胸带上的非接触式传感器23，设有感应片的一面与人体胸部对应.。心电采集主板为双面PCB板(可放置在胸带外侧设置的口袋内)，其中一面集成了前端模拟信号调理电路，包括仪表放大电路、高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器、二级放大电路、末级放大电路、电源及稳压电路以及右腿驱动电路；双面PCB板的另一面集成了以MSP430单片机为主控器的模数转换、定时采样以及蓝牙无线通讯模块。如图6所示，2个传感器电极23的输出信号均连接仪表放大电路，仪表放大电路的输出分别连接高通滤波器及右腿驱动电路，高通滤波器的输出连接低通滤波器，低通滤波器的输出连接带阻滤波器，带阻滤波器的输出连接二级放大电路，二级放大电路的输出连接末级放大电路，末级放大电路的输出连接MSP430单片机，MSP430单片机的输出分别连接多路信号选二电路及蓝牙无线通讯模块，右腿驱动电路输出连接参考电极。电源及稳压电路采用一块3.7V的锂电池供电，经过低压差的LDO电路稳压，获得稳定的3.3V单电源。利用前端非接触式心电传感器容性耦合来的微弱心电信号，经过模拟电路的调理后，利用MSP430单片机进行模数转换、控制蓝牙模块进行无线数据传输。外部的计算机或终端设备(如手机、监护仪)无线接收到数据后，可作进一步的分析、处理、显示和存储。监测效果如图7和8所示，在被测者穿着普通纯棉T恤的情况下，利用数字示波器记录的一段心电波形(图7)及其对应的频谱图(图8)。测试频带0.5～40Hz，满足监护级的心电测量要求。

应用图4非接触式心电传感器制成的心电监测床垫如图11。监测床垫33上设有非接触式心电传感器阵列31、参考电极32以及心电采集主板，其中：

非接触式心电传感器电极阵列31为一排间隔布置的非接触式心电传感器，与人体的上半身位置对应，设有感应片的一面与人体直接对应；

参考电极32为一块导电织物，设置在监测床垫的上表面，与人体的下半身位置对应；

心电采集主板为双面PCB板(设置在心电采集盒66内，活动固定在床垫33内)其结构与电路原理图与图6相同，只需在仪表放大电路与非接触式心电传感器阵列之间，增加多路信号选二电路即可。其中一面集成了前端模拟信号调理电路，包括多路信号选二电路、仪表放大电路、高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器、二级放大电路、末级放大电路、电源及稳压电路以及右腿驱动电路；双面PCB板的另一面集成了以MSP430单片机为主控器的模数转换、定时采样以及蓝牙通讯模块；传感器阵列中各传感器电极的输出信号均连接多路信号选二电路，多路信号选二电路的输出连接仪表放大电路，仪表放大电路的输出分别连接高通滤波器及右腿驱动电路，高通滤波器的输出连接低通滤波器，低通滤波器的输出连接带阻滤波器，带阻滤波器的输出连接二级放大电路，二级放大电路的输出连接末级放大电路，末级放大电路的输出连接MSP430单片机，MSP430单片机的输出分别连接多路信号选二电路及蓝牙无线通讯模块，右腿驱动电路输出连接参考电极。电源及稳压电路采用一块3.7V的锂电池供电，经过低压差的LDO电路稳压，获得稳定的3.3V单电源。利用前端非接触式心电传感器容性耦合来的微弱心电信号，经过模拟电路的调理后，利用MSP430单片机进行模数转换、控制蓝牙模块进行无线数据传输。外部的计算机或终端设备(如手机、监护仪)无线接收到数据后，可作进一步的分析处理、显示和存储。

综上所述，本发明利用非接触式心电传感器获取体表的心电电位避免了传统测量传感器均与皮肤直接接触，以直接连接的方式传导体表的心电电位，其中，一些特点总结如下：

A)选用FET或CMOS输入的高输入阻抗运算放大器实现非接触式心电传感器前端的阻抗匹配(如LMP7701)；由下式近似计算，可得输入电阻Rin至少3.2*10¹¹欧姆(取Cc为10pF)；

$F_c=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;RC}}=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}*R_{\mathrm{in}}*10*{10}^{-12}}<0.05\mathrm{Hz}$

B)设计输入偏置网络降低输入偏置电流，或选用超低输入偏置电流的集成运放，常常为1pA以下。在本发明中选用LMP7701，该运放的输入偏置电流典型值为200fA；且在输入端共模电压的变化范围内，该运放的输入偏置电流IBias接近于零点。

C)前置放大器后，设计了一级二阶巴特沃斯有源高通滤波器，实现了抑制低频干扰与基线漂移的目的，可防止后续的仪表放大器出现信号截止。高通滤波器的截止频率设计为0.5Hz，满足心电监护的要求；有源高通的输出级联一阶无源低通滤波器(截止频率约200Hz)，对高频噪声进行衰减；

(D)设计了容性耦合的右腿驱动电路降低了共模干扰。

由于共模信号的反馈不仅有助于将体表电位遏制在缓冲放大器的输入范围内，保证体表电位的正常获取，还可以降低工频以及其他频段的共模噪声，减少信号处理部分的负担，因此

(E)设计了主信号调理电路，实现心电信号的放大与滤波，获得稳定可靠的心电信号，是后续进行AD转换、波形分析的基础，因此本发明针对非接触式心电传感器，精心设计了主信号调理电路。它主要包括：仪表放大电路、高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波以及次级放大电路。

(F)利用仪表放大电路实现心电电位的差分放大，同时有效抑制了共模噪声。选用SOP8封装的AD623集成仪表放大器，它具有高增益、低噪声、低功耗、轨至轨、高共模抑制比等优异特性，能够很好地完成20至50倍的差分放大任务，并能在3.3V单电源供电的条件下稳定工作；

(G)随后的滤波电路依次设计为：二阶巴特沃斯有源高通、二阶巴特沃斯有源低通、多重反馈型带阻滤波。该组滤波器使得心电频谱外的噪声大幅衰减，保证次级放大后不出现截止，提高信噪比；

(H)设计次级放大电路，它由两级反相放大电路(分别为二级反相运算放大电路和末级反相运算放大电路)级联而成，获得100至200的放大倍数，使放大后的信号幅度适合AD转换；

(I)自仪表放大电路后，运算放大器都使用TI公司的超低噪声、低偏置、零漂移、可单电源供电的双运放OPA2335，以保证主信号调理电路的性能。

(J)本发明所述的容性右腿驱动电路和主信号调理电路均集成在一块双面PCB主板上。非接触式心电传感器与主板之间可通过四芯屏蔽的USB线相连接；织物参考电极与主板上的右腿驱动电路的输出端之间，通过普通的单导线相连接。

利用本发明的非接触式心电传感器及其测量应用，可以使患者在接受实时心电监测的过程中感到更加舒适、自然，这为长期、便携式、日常健康监护带来了更多新颖的应用。

Claims (3)

1.一种非接触式心电传感器，其特征是：采用圆形双面PCB板电极，PCB板的一个面上设有三个区，三个区之间电绝缘，中心圆区为裸露的感应片，依次向外设有环形屏蔽区及环形地线区，PCB板的另一个面上也设有三个区，中心圆为敷铜区，敷铜区中心设有包括前置运算放大器、二阶巴特沃斯有源高通滤波器及一阶无源低通滤波器的贴片焊接区，敷铜区外围为环形地线区，一个面上的感应片和相邻环形屏蔽区共同所占的区域与另一个面上的敷铜区相对称，两个面上的环形地线区相对称，前置运算放大器的输出端分别与环形屏蔽区及敷铜区连接，前置运算放大器的模拟信号地端分别与两个面上的环形地线区连接，前置运算放大器的输入端连接感应片的信号输出；双面PCB板电极定位在一个敞口的圆形金属屏蔽盒的敞口端，设有感应片的一面朝向敞口，设有敷铜区的一面朝向屏蔽盒内腔。

2.应用权利要求1所述的非接触式心电传感器制成的心电监测床垫，其特征是：监测床垫上设有非接触式心电传感器阵列、参考电极以及心电采集主板，其中：

非接触式心电传感器电极阵列为一排间隔布置的非接触式心电传感器，与人体的上半身位置对应，设有感应片的一面与人体直接对应；

参考电极为一块导电织物，设置在监测床垫的上表面，与人体的下半身位置对应；

心电采集主板为双面PCB板，其中一面集成了前端模拟信号调理电路，包括多路信号选二电路、仪表放大电路、高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器、二级放大电路、末级放大电路、电源及稳压电路以及右腿驱动电路；双面PCB板的另一面集成了以MSP430单片机为主控器的模数转换、定时采样以及蓝牙无线通讯模块；传感器阵列中各传感器电极的输出信号均连接多路信号选二电路，多路信号选二电路的输出连接仪表放大电路，仪表放大电路的输出分别连接高通滤波器及右腿驱动电路，高通滤波器的输出连接低通滤波器，低通滤波器的输出连接带阻滤波器，带阻滤波器的输出连接二级放大电路，二级放大电路的输出连接末级放大电路，末级放大电路的输出连接MSP430单片机，MSP430单片机的输出分别连接多路信号选二电路及蓝牙无线通讯模块，右腿驱动电路输出连接参考电极。

3.应用权利要求1所述的非接触式心电传感器制成的心电监测胸带，其特征是：胸带为弹性体，胸带的两端分别设有尼龙粘贴扣，胸带内侧的中心缝制一块导电织物作为参考电极，参考电极的左右两侧分别设有一个固定在胸带上的非接触式传感器，设有感应片的一面与人体胸部对应；

设置一心电采集主板，为双面PCB板，其中一面集成了前端模拟信号调理电路，包括仪表放大电路、高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器、二级放大电路、末级放大电路、电源及稳压电路以及右腿驱动电路；双面PCB板的另一面集成了以MSP430单片机为主控器的模数转换、定时采样以及蓝牙无线通讯模块，2个传感器电极的输出信号均连接仪表放大电路，仪表放大电路的输出分别连接高通滤波器及右腿驱动电路，高通滤波器的输出连接低通滤波器，低通滤波器的输出连接带阻滤波器，带阻滤波器的输出连接二级放大电路，二级放大电路的输出连接末级放大电路，末级放大电路的输出连接MSP430单片机，MSP430单片机的输出连接蓝牙无线通讯模块，右腿驱动电路输出连接参考电极，心电采集主板放置在胸带外侧设置的口袋内。

Images