CN102973261B - 一种用于动态心电监测的电容耦合式电场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于动态心电监测的电容耦合式电场传感器，涉及传感器技术，主要由敏感电极、有源屏蔽驱动电极、电介质层、缓冲层、前置运算放大器及后续信号处理系统等组成。前置运算放大器集成有保护结构、自举电路和输入电容抵消电路；在电介质层上增加一层采用聚合物材料制备的具有超强吸水性并可缓慢释放水分的缓冲层。本发明传感器由于采用电容耦合的方式进行心电监测，电极不需要与皮肤直接接触，因而具有不需要导电膏、佩戴舒适、便于长时间动态监测等优点，此外，通过控制缓冲层释放水分的方法，改变敏感电极与皮肤和衣物之间局部湿度环境，可以大大降低由于摩擦引起的静电噪声干扰。

Description

一种用于动态心电监测的电容耦合式电场传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是一种用于动态心电监测的电容耦合式电场传感器。

背景技术

随着社会的进步和科学技术的不断发展，人们对生活质量的要求也越来越高，健康状况已成为社会大众关注的焦点。心脏疾病是造成人类死亡的三大疾病(心脏病、脑血管病和癌症)之一，每年由于心脏病引起的死亡人数居高不下。长期以来，对心脏病的诊断与研究一直是医学界的一个主要课题。

心脏在除极和复极的电化学活动中产生了心电场，心电场在人体上产生了电位差，这些电位差在体表的测量就是心电图(Electrocardiogram，简称ECG)。体表心电信号是心脏电生理状态的反映，到目前为止，ECG已经成为临床诊断心脏病的主要工具、其中最常用的有12导联心电图和动态心电监护系统Holter机。一百多年来，心电图这种无创检查技术，由于诊断可靠、方法简便、对病人无损害等优点，在心脏病的诊断中发挥了重要作用。

心脏病的发病有很大的偶然性和突发性，一些异常的心电信息只有在某些特殊情况下才出现。因此，有必要对被监测者的心电进行长时间的记录与分析。动态心电监护系统作为一种对心血管疾病进行长期监护的装置，在临床与健康护理中得到广泛的应用。对较严重的心血管病人，实时监测其心电信号，在他们病发时，无疑能及时获得发病的信息并报警，从而尽早获得救治，增加生存的机会。对一般病人和亚健康人群来说，长期监测心电、心率的变化，也能从其变化趋势中获得有用的信息，指导疾病的治疗和预防。

在动态心电信号监测系统中，传统方法采用的电极是一次性Ag/AgCl粘贴电极(中心部分的泡沫材料吸有电解液)，粘贴在人体特征部位。这种电极属一次性使用的产品，不能重复使用，难于实现对身处社区和家庭条件下的病人和老人的监护。而且这些心电监测系统都需要电极直接接触人体，且由于需要施加导电膏，容易对人体施加一定的刺激，长期监测会引起被监护者皮肤的不适甚至溃烂，此外，由于导电膏的干燥，还会影响检测结果的准确性。

鉴于现有的Ag/AgCl湿电极的不足，本发明提出了一种新型的面向心电动态监测的具有集成有源敏感干电极的电容耦合式电场传感器。由于采用电容耦合，而不是传统的电阻耦合，传感器的电极既可以与皮肤接触，也可以不与皮肤接触(比如隔着衣服进行监测)，由于不需要导电膏，这种电容耦合的心电监测方式具有准备时间短，可以长时间、连续监测，对被监护者引起的不适小等优点。此外，在电介质层上增加一层采用聚合物制备的具有超强吸水性并可以缓慢释放水分的缓冲层，通过控制敏感电极附近周围局部湿度环境的方法，可以大大降低由于摩擦引起的静电干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于动态心电监测的电容耦合式电场传感器，传感器的敏感电极不需要与皮肤直接接触，而且不需要导电膏、佩戴舒适、可以长期可靠地进行心电动态监测。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种用于动态心电监测的电容耦合式电场传感器，其敏感电极与皮肤之间采用电容耦合，不直接接触；

监测电极包括敏感电极、有源屏蔽驱动电极、电介质层、缓冲层，其中，敏感电极外侧面覆有电介质层，电介质层外侧面覆有缓冲层，敏感电极内侧面相对设置有源屏蔽驱动电极，有源屏蔽驱动电极与敏感电极之间相互绝缘；

敏感电极以导线穿过有源屏蔽驱动电极上的通孔连接前置运算放大器的正相输入端，前置运算放大器的反相输入端与输出端相连，构成增益为1的跟随电路；前置运算放大器的输出与有源屏蔽驱动电极相连，构成保护结构；前置运算放大器的正相输入端与输出端之间，跨接有自举电路、输入电容抵消电路，总输出接后续信号处理系统；

在进行动态心电监测时，缓冲层与皮肤或衣物接触，由于有缓冲层、电介质层、衣物介于敏感电极与皮肤之间，使敏感电极与皮肤不直接接触，微弱心电信号通过电容耦合到敏感电极进行测量。

所述的电容耦合式电场传感器，其所述缓冲层，是以具有超强吸水性，并缓慢释放水分的聚合物材料制作(缓冲层材料既可以是类似于尿不湿的聚合物材料，也可以是其它的吸水性强的聚合物材料)，通过控制缓冲层释放水分的方法，改变敏感电极与皮肤和衣物之间的局部湿度，来抑制由于摩擦起电引起的静电噪声干扰。

所述的电容耦合式电场传感器，其所述保护结构是一种具有单倍增益的缓冲电路，使有源屏蔽驱动电极上的电压与敏感电极上的电压相等，以避免外部干扰信号通过杂散电容对心电信号的干扰，降低敏感电极与地之间的等效电容，避免等效电容对微弱心电信号的分流作用。

所述的电容耦合式电场传感器，其所述自举电路，跨接于前置运算放大器的正相输入端与输出端之间，包括第一偏置电阻R1、第二偏置电阻R2、第一耦合电容C1，其中，前置运算放大器的正相输入端通过偏置电阻R1、R2与地相连，第一偏置电阻R1与第二偏置电阻R2的连接点通过第一耦合电容C1分别与前置运算放大器的输出端、反相输入端相连。

所述的电容耦合式电场传感器，其所述自举电路，为放大器提供合适的直流工作点，又通过使偏置电阻R1两端电压近似相等的方法，采用阻值为几十KΩ的偏置电阻R1、R2，即可实现阻值大于GΩ的等效偏置电阻。

所述的电容耦合式电场传感器，其所述输入电容抵消电路，跨接于前置运算放大器的正相输入端与输出端之间，包括运算放大器、反馈电阻R3、接地电阻R4、可变电阻R5、第二耦合电容C2，其中，前置运算放大器的输出接运算放大器的正相输入端，运算放大器的输出端通过反馈电阻R3、接地电阻R4与地相连，反馈电阻R3与接地电阻R4的连接点与运算放大器反相输入端相连；可变电阻R5一端接运算放大器的输出端，另一端接地，可变电阻R5的调节端通过第二耦合电容C2与前置运算放大器的正相输入端相连。

所述的电容耦合式电场传感器，其所述输入电容抵消电路，采用调节可变电阻R5大小，改变通过第二耦合电容C2的电流大小，补偿了前置运算放大器的固有输入电容，以降低前置运算放大器固有输入电容，提高前置运算放大器输入阻抗。

所述的电容耦合式电场传感器，其所述敏感电极的形状，是圆形、椭圆形或方形其中之一，或它们的组合。

本发明的优点在于：

由于被监护者皮肤与敏感电极之间的耦合电容很小，在pF到nF量级，也就是说微弱心电信号的源阻抗非常大，为了保证对微弱心电信号的高精度可靠探测，本发明采用自举电路提高了前置运算放大器的输入电阻，采用输入电容抵消电路降低了前置运算放大器的固有输入电容，实现了具有很高输入阻抗的前置运算放大器，大大降低了前置运算放大器输入阻抗对微弱心电信号的衰减作用；采用有源屏蔽驱动电极和保护结构一方面降低了外部环境干扰信号通过空间杂散电容对微弱心电信号探测敏感电极的影响，另一方面降低了敏感电极与地之间漏电阻对前置运算放大器输入电阻的影响，和敏感电极与地之间电容对微弱心电信号的分流作用。通过在电介质层的外表面增加一层具有超强吸水性，并可以缓慢释放水分的缓冲层，通过控制敏感电极与皮肤和衣物之间局部湿度环境的方法，大大降低了由于摩擦作用引起的静电噪声干扰。

附图说明

图1是本发明一种用于动态心电监测的电容耦合式电场传感器结构示意图；

图2是本发明一种用于动态心电监测的电容耦合式电场传感器中自举电路结构示意图；

图3是本发明一种用于动态心电监测的电容耦合式电场传感器中输入电容抵消电路结构示意图。

具体实施方式

见图1、图2和图3，本发明的用于动态心电监测的电容耦合式电场传感器的基本结构主要包括敏感电极1、有源屏蔽驱动电极2、电介质层3、缓冲层4、前置运算放大器5，保护结构6，自举电路7，前置运算放大器固有输入电容抵消电路8和后续信号处理系统9等组成。自举电路包括前置运算放大器5，第一偏置电阻R1 7.1、第二偏置电阻R2 7.2第一耦合电容C1 7.3等。前置运算放大器固有输入电容抵消电路包括前置运算放大器5，运算放大器8.1、反馈电阻R3 8.2、接地电阻R4 8.3、可变电阻R5 8.4和第二耦合电容C2 8.5等。

敏感电极1连接前置运算放大器5的正相输入端，前置运算放大器5的反相输入端与输出端相连，构成增益为1的跟随电路。前置运算放大器5的输出与有源屏蔽驱动电极2相连，构成保护结构6，有源屏蔽驱动电极与敏感电极之间相互绝缘，由于前置运算放大器5的增益为1，所以有源屏蔽驱动电极2上的电压与敏感电极1上的电压相等，一方面可以避免外部干扰信号通过杂散电容对敏感电极1的影响，另一方面，可以大大降低敏感电极1与地之间的漏电阻对前置运算放大器5输入阻抗的影响，和敏感电极1与地之间电容对微弱心电信号的分流作用。电介质层3位于敏感电极1表面，缓冲层4位于电介质层1表面，在进行动态心电监测时，缓冲层4与皮肤或衣物接触，由于有缓冲层4、电介质层3和衣物等的存在，敏感电极1与皮肤不直接接触，微弱心电信号通过电容耦合到敏感电极1进行测量。前置运算放大器5的输出经自举电路7和输入电容抵消电路8处理后，接后续信号处理系统9。

自举电路7的关键结构如图2所示，前置运算放大器5的负相输入端与输出相连，构成增益为1的跟随电路，前置运算放大器的正相输入端通过第一偏置电阻R1 7.1、第二偏置电阻R2 7.2与地相连，第一偏置电阻R1与第二偏置电阻R2的连接点通过第一耦合电容C1 7.3与前置运算放大器5的输出端相连。

输入电容抵消电路8的关键结构如图3所示，前置运算放大器5的负相输入端与输出相连，构成增益为1的跟随电路，前置运算放大器5的输出接运算放大器8.1的正相输入端，运算放大器8.1的输出端通过反馈电阻R3 8.2和接地电阻R4 8.3与地相连，反馈电阻R3与接地电阻R4的连接点与运算放大器8.1的反相输入端相连。可变电阻R5 8.4一端接运算放大器8.1的输出端，一端接地，可变电阻R5的调节端通过第二耦合电容C2 8.5与前置运算放大器5的正相输入端相连。

Claims (7)

1.一种用于动态心电监测的电容耦合式电场传感器，其特征在于，监测电极中的敏感电极与皮肤之间采用电容耦合，不直接接触；

监测电极包括敏感电极、有源屏蔽驱动电极、电介质层和缓冲层，其中，敏感电极外侧面覆有电介质层，电介质层外侧面覆有缓冲层，敏感电极内侧面相对设置有源屏蔽驱动电极，有源屏蔽驱动电极与敏感电极之间相互绝缘；

敏感电极以导线穿过有源屏蔽驱动电极上的通孔连接前置运算放大器的正相输入端，前置运算放大器的反相输入端与输出端相连，构成增益为1的跟随电路；前置运算放大器的输出与有源屏蔽驱动电极相连，构成保护结构；前置运算放大器的正相输入端与输出端之间，跨接有自举电路、输入电容抵消电路，总输出接后续信号处理系统；

在进行动态心电监测时，缓冲层与皮肤或衣物接触，由于有缓冲层、电介质层及衣物介于敏感电极与皮肤之间，使敏感电极与皮肤不直接接触，微弱心电信号通过电容耦合到敏感电极进行测量。

2.如权利要求1所述的电容耦合式电场传感器，其特征在于，所述缓冲层，是以具有超强吸水性，并缓慢释放水分的聚合物材料制作，通过控制缓冲层释放水分的方法，改变敏感电极与皮肤和衣物之间的局部湿度，来抑制由于摩擦起电引起的静电噪声干扰。

3.如权利要求1所述的电容耦合式电场传感器，其特征在于，所述保护结构是一种具有单倍增益的缓冲电路，使有源屏蔽驱动电极上的电压与敏感电极上的电压相等，以避免外部干扰信号通过杂散电容对心电信号的干扰，降低敏感电极与地之间的等效电容，避免等效电容对微弱心电信号的分流作用。

4.如权利要求1所述的电容耦合式电场传感器，其特征在于，所述自举电路，跨接于前置运算放大器的正相输入端与输出端之间，包括第一偏置电阻R1、第二偏置电阻R2、第一耦合电容C1，其中，前置运算放大器的正相输入端通过第一偏置电阻R1、第二偏置电阻R2与地相连，第一偏置电阻R1与第二偏置电阻R2的连接点通过第一耦合电容C1分别与前置运算放大器的输出端、反相输入端相连。

5.如权利要求1所述的电容耦合式电场传感器，其特征在于，所述输入电容抵消电路，跨接于前置运算放大器的正相输入端与输出端之间，包括运算放大器、反馈电阻R3、接地电阻R4、可变电阻R5、第二耦合电容C2，其中，前置运算放大器的输出接运算放大器的正相输入端，运算放大器的输出端通过反馈电阻R3、接地电阻R4与地相连，反馈电阻R3与接地电阻R4的连接点与运算放大器反相输入端相连；可变电阻R5一端接运算放大器的输出端，另一端接地，可变电阻R5的调节端通过第二耦合电容C2与前置运算放大器的正相输入端相连。

6.如权利要求5所述的电容耦合式电场传感器，其特征在于，所述输入电容抵消电路，采用调节可变电阻R5大小，改变通过第二耦合电容C2的电流大小，补偿了前置运算放大器的固有输入电容，以降低前置运算放大器固有输入电容，提高前置运算放大器输入阻抗。

7.如权利要求1所述的电容耦合式电场传感器，其特征在于，所述敏感电极的形状，是圆形、椭圆形或方形其中之一，或它们的组合。

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