CN103815899B - 一种非接触式心电电极模块及心电图检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物心电信号测量领域，公开了非接触式心电电极模块及心电图检测装置，心电电极模块由电路层、地层、屏蔽层和电极层构成；电极层包括心电信号检测区和共模信号反馈区；电路层包括缓冲电路、地端接口、参考电压接口、信号输出接口、电源接口和右腿驱动接口、第一过孔、第二过孔、第三过孔和第四过孔；缓冲电路的地端与地端接口连接后通过第三过孔与地层连接；第一过孔将信号输入端与心电信号检测区域相连接，第四过孔将右腿驱动接口与共模信号反馈区域相连接，第二过孔将屏蔽端与屏蔽层相连接。本发明将心电采集电极与右腿驱动电极集成在一块PCB板上，只需两个电极就能测量心电信号，降低了系统的复杂度，易于使用，可在家庭、户外等环境中使用。

Description

一种非接触式心电电极模块及心电图检测装置

技术领域

本发明属于生物心电信号测量领域，更具体地，涉及一种非接触式心电电极模块及心电图检测装置。

背景技术

心脏病是威胁人类生命和健康的主要疾病之一，心脏病的诊断和预防是当今医学界面临的首要问题，心电图是诊断心脏疾病的主要工具。很多人需要长期进行心电监测，这种持续性的监测都在医院进行。目前在医院所用的心电图测量设备使用的都是带导电胶的Ag/AgCl湿电极，这种湿电极使用前需要用酒精清洁皮肤，将电极紧贴在人体皮肤上。这种湿电极有刺激性，不适用于皮肤过敏的人，而且不能重复使用，进行长期监测的成本高，实施复杂，不适用于日常心电监测。

目前，非接触导联电极只有心电信号采集功能，要用单独的右腿驱动电极反馈共模信号，使用时，需要在左右胸放置两个导联电极，在右腹部放置单独的右腿驱动电极，使用起来很不方便。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种非接触式心电电极模块及心电图检测装置，其目的在于将心电信号检测电极与共模信号反馈电极集成起来，，由此解决湿电极成本高、有刺激性以及现有非接触电极使用不方便的技术问题。

本发明提供了一种非接触式心电电极模块，所述非接触式心电电极模块由依次为电路层、地层、屏蔽层和电极层的四层PCB板构成；所述电极层包括用于心电信号检测的心电信号检测区，以及用于共模信号反馈的共模信号反馈区；所述电路层包括缓冲电路、地端接口、参考电压接口、信号输出接口、电源接口和右腿驱动接口、第一过孔、第二过孔、第三过孔和第四过孔；所述缓冲电路设有信号输入端、参考端、屏蔽端、电源端、地端、信号输出端；所述地端与所述地端接口连接后通过所述第三过孔与所述地层连接；所述参考端与所述参考电压接口连接，所述信号输出端与所述信号输出接口连接，所述电源端与所述电源接口连接，所述第一过孔用于将所述信号输入端与所述心电信号检测区域相连接，所述第四过孔用于将所述右腿驱动接口与所述共模信号反馈区域相连接，所述第二过孔用于将所述屏蔽端与所述屏蔽层相连接。

其中，所述四层PCB板均为圆形。

其中，所述电极层中的所述心电信号检测区为圆形敷铜区，所述电极层中的所述共模信号反馈区为环形敷铜区；所述心电信号检测的圆形敷铜区在电极层中间，所述共模信号反馈的环形敷铜区在电极层的最外层；所述圆形敷铜区上设置有第五过孔、第六过孔和第七过孔，所述第五过孔用于将所述心电信号检测区域与所述信号输入端相连接，所述第六过孔用于将所述屏蔽层与所述屏蔽端相连，所述第七过孔用于将所述地层与所述地端接口相连；所述环形敷铜区上设置有第八过孔，所述第八过孔用于将所述共模信号反馈区域与所述右腿驱动接口相连。

其中，所述电极层还包括用于将所述将两电极区域进行隔离的环形区；所述环形敷铜区在所述用于心电信号检测的圆形敷铜区与所述用于共模信号反馈的环形敷铜区之间。

其中，所述缓冲电路包括：第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2；所述第一电容C1的一端作为所述信号输入端，所述第一电容C1的另一端连接至所述第一运算放大器的正相输入端；所述第一电阻R1的一端作为所述屏蔽端，所述第一电阻R1的另一端连接至所述第一运算放大器的反相输入端；所述第一运算放大器的反相输入端还连接至所述第一运算放大器的输出端；所述第二电阻R2的一端作为所述参考端，所述第二电阻R2的另一端连接至所述第二运算放大器的正相输入端；所述第二运算放大器的正相输入端还通过所述第二电容C2连接至所述第一运算放大器的输出端；所述第二运算放大器的反相输入端连接至所述第二运算放大器的输出端，所述第二运算放大器的输出端还作为所述信号输出端；所述第一运算放大器的电源端和所述第二运算放大器的电源端作为所述缓冲电路的电源端；所述第一运算放大器的地端和所述第二运算放大器的地端作为所述缓冲电路的地端。

本发明还提供了一种心电图检测装置，其特征在于，包括两个结构相同的心电电极模块，一个心电电极模块通过第一导联线和第二导联线与心电信号处理模块连接；另一个心电电极模块通过第三导联线和第四导联线与所述心电信号处理模块连接；所述第一导联线和所述第三导联线用于将采集的心电信号传输至心电信号处理模块；所述第二导联线和所述第四导联线用于将共模信号反馈至测试对象；其中心电电极模块为上述的非接触式心电电极模块。

本发明的有益效果是：(1)将心电采集电极与右腿驱动电极集成在一块PCB板上，只需两个电极就能测量心电信号，降低了系统的复杂度，易于使用，可在家庭、户外等环境中使用。(2)基于电容耦合原理设计非接触电极，可在电极不接触皮肤的情况下测量心电信号，无刺激性，适用于所有用户，提高了病人的舒适性。(3)电极可重复利用，大大降低了进行长时间心电监测的成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的非接触式心电电极模块的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的非接触式心电电极模块中电路层的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的非接触式心电电极模块中电极层的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的非接触式心电电极模块中电路层的缓冲电路原理图。

图5是本发明实施例提供的心电图检测装置的使用方式示意图。

图6是采用本发明实施例提供的心电图检测装置测量得到的心电图实例。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明涉及一种集成有右腿驱动电极功能的非接触式心电测量电极，电极由四层PCB板制成，从上至下依次为电路层、地层、屏蔽层、电极层。电路层有两级缓冲电路，边沿有地端接口、参考电压接口、信号输出接口、电源接口和右腿驱动接口。电极层中间圆形敷铜区是心电信号检测电极区域，敷铜区上有一过孔连接电极与电路层信号输入端。最外层的环形敷铜区是共模信号反馈电极区域，敷铜区上有过孔连接电极与电路层的右腿驱动接口，在心电信号检测电极区域和共模信号反馈电极区域之间可加入一环形区域将两个电极区域隔离开。本发明的电极可重复使用、成本低，使用简单方便，可进行长时间的心电监测。

为了克服传统湿电极成本高、刺激性以及非接触电极不方便使用的缺点，本发明提供一种将右腿驱动电极功能集成至导联电极的非接触心电测量电极，可在隔着衣服的情况下测量人体心电信号。这种电极结构简单，易于使用且可重复利用，可使用户进行长期的心电监测。

本发明采用带右腿驱动电极功能的非接触心电电极，如图1所示，包括四层PCB板做电极，从上之下依次为电路层101、地层102、屏蔽层103和电极层104。电路层101敷铜，敷铜区上有信号缓冲电路的焊接区，在PCB板边沿有信号接口107、供电电源接口109、参考电压接口106、地端接口105、右腿驱动接口108共五个接口；缓冲电路设有运算放大器、调节电阻、调节电容、信号输入端、参考端、屏蔽端、电源端、地端、信号输出端。信号输出端与PCB边沿信号输出接口连接，电源端与PCB边沿电源接口连接，参考端与PCB边沿参考电压接口连接。电极层有三个区，中间是直径d1的圆形敷铜区，实现心电信号检测功能，敷铜区上有一个过孔，过孔与电路层缓冲电路的信号输入端连接。最外层是宽w1、直径d2的环形敷铜区，实现右腿驱动电极功能，环上有一个过孔，过孔与电路层右腿驱动接口相连。在心电信号检测电极区域和右腿驱动电极区域之间有一个宽w2、直径d3的环，此环将两电极区域隔离。电路层PCB边沿有两个过孔，一个过孔连接电路层的地端和地层，另一个过孔连接电路层的屏蔽端和屏蔽层。

在本发明实施例中，该四层PCB板可以为圆形、方形或其它形状；当PCB板采用圆形时，由于其形状规则，不仅便于加工，而且不会对待测人体的接触面造成伤害；现以圆形为例详述如下：

电极由圆形四层PCB板构成，由上至下依次为：电路层、地层、屏蔽层、电极层，这四层为金属，相邻两层之间采用绝缘介质隔开，电路层和电极层上面附有绝缘漆；电极层的电极区域，包括心电信号检测区域和共模信号反馈两个子电极区域；屏蔽层在电极层上，屏蔽层设有过孔，与电路层屏蔽端相连；地层在屏蔽层上，地层设有过孔，与电路层地端相连；

如图2所示，所述电路层由运算放大器电路构成，包括两级放大缓冲电路。所述缓冲电路由调节电阻R1、R2，调节电容C1、C2，信号输入端、屏蔽端、参考端、地端、电源端、信号输出端构成，对由第一过孔201传输至信号输入端的心电信号进行缓冲放大等作用；PCB边沿有地端接口205、参考电压接口206、信号输出接口207、电源接口209、右腿驱动接口208。所述地端与所述地端接口205连接后通过所述第三过孔203与所述地层连接，所述屏蔽端通过第二过孔202所述屏蔽层连接，所述参考端与所述参考电压接口206连接，所述信号输出端与所述信号输出接口207连接，所述电源端与所述电源接口209连接。

如图3所示，所述电极层的电极区域采用同心圆结构，所述心电信号检测区域305为一定直径的圆形，所述共模信号反馈电极区域307为与心电信号检测区域电极同心的圆环结构，二者之间间隔为d；所述心电信号检测区域电极及所述共模信号反馈电极区域上分别设有过孔，与所述电路层相连。所述心电信号检测区域电极305与皮肤形成耦合电容来检测心电信号，所述第五过孔301将检测到的心电信号传输至所述电路层心电信号输入端，所述第八过孔304将共模信号传输至共模信号反馈电极区域，完成共模信号反馈作用；在心电信号检测电极区域305和共模信号反馈电极区域307之间可以加入一环形区域306，将心电信号检测电极区域和右腿驱动电极区域隔离。

如图4所示，缓冲电路包括：第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2；第一电容C1的一端作为信号输入端，第一电容C1的另一端连接至第一运算放大器的正相输入端；第一电阻R1的一端作为屏蔽端，第一电阻R1的另一端连接至第一运算放大器的反相输入端；第一运算放大器的反相输入端还连接至第一运算放大器的输出端；第二电阻R2的一端作为参考端，第二电阻R2的另一端连接至第二运算放大器的正相输入端；第二运算放大器的正相输入端还通过第二电容C2连接至第一运算放大器的输出端；第二运算放大器的反相输入端连接至第二运算放大器的输出端，第二运算放大器的输出端还作为信号输出端；第一运算放大器的电源端和第二运算放大器的电源端作为缓冲电路的电源端；第一运算放大器的地端和第二运算放大器的地端作为缓冲电路的地端。

如图5所示，为本非接触心电电极模块的使用示意图，将所述非接触心电电极模块放在人体的左胸和右胸部位，即可采集人体心电信号，由第一导联线403和第三导联线405将采集到的心电信号传输至心电信号处理模块，第二导联线404和第四导联线406将共模信号传输到所述非接触电极并反馈回人体。

图6示出了采用本发明实施例提供的心电图检测装置测量得到的心电图实例，从图6可以看出，采用本发明实施例提供的心电图检测装置测量可得到清晰地心电信号。

本发明将心电采集电极与右腿驱动电极集成在一块PCB板上，只需两个电极就能测量心电信号，降低了系统的复杂度，易于使用，可在家庭、户外等环境中使用。并基于电容耦合原理设计非接触电极，可在电极不接触皮肤的情况下测量心电信号，无刺激性，适用于所有用户，提高了病人的舒适性。电极可重复利用，大大降低了进行长时间心电监测的成本。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种非接触式心电电极模块，其特征在于，所述非接触式心电电极模块由依次为电路层、地层、屏蔽层和电极层的四层PCB板构成；

所述电极层包括用于心电信号检测的心电信号检测区，以及用于共模信号反馈的共模信号反馈区；

所述电路层敷铜，敷铜区上有缓冲电路的焊接区；所述电路层包括缓冲电路、地端接口、参考电压接口、信号输出接口、电源接口和右腿驱动接口、第一过孔(201)、第二过孔(202)、第三过孔(203)和第四过孔(204)；所述缓冲电路设有信号输入端、参考端、屏蔽端、电源端、地端、信号输出端；所述地端与所述地端接口连接后通过所述第三过孔(203)与所述地层连接；所述参考端与所述参考电压接口连接，所述信号输出端与所述信号输出接口(207)连接，所述电源端与所述电源接口(209)连接，所述第一过孔(201)用于将所述信号输入端与所述心电信号检测区域相连接，所述第四过孔(204)用于将所述右腿驱动接口与所述共模信号反馈区域相连接，所述第二过孔(202)用于将所述屏蔽端与所述屏蔽层相连接；

所述四层PCB板均为圆形；

所述电极层中的所述心电信号检测区为圆形敷铜区，所述电极层中的所述共模信号反馈区为环形敷铜区；所述心电信号检测的圆形敷铜区在电极层中间，所述共模信号反馈的环形敷铜区在电极层的最外层；且圆形敷铜区上有一个过孔，用于与电路层的缓冲电路的信号输入端连接；

所述电极层上的屏蔽层设有过孔，用于与电路层屏蔽端相连；

所述圆形敷铜区上设置有第五过孔(301)、第六过孔(302)和第七过孔(303)，所述第五过孔(301)用于将所述心电信号检测区域与所述信号输入端相连接，所述第六过孔(302)用于将所述屏蔽层与所述屏蔽端相连，所述第七过孔(303)用于将所述地层与所述地端接口相连；

在所述心电信号检测电极区域(305)和所述共模信号反馈电极区域(307)之间加入了一环形区域(306)，用于将心电信号检测电极区域和所述右腿驱动电极区域隔离；所述环形敷铜区上设置有第八过孔(304)，所述第八过孔(304)用于将所述共模信号反馈区域与所述右腿驱动接口相连。

2.如权利要求1所述的非接触式心电电极模块，其特征在于，所述电极层还包括用于将两电极区域进行隔离的环形区；所述环形区在所述用于心电信号检测的圆形敷铜区与所述用于共模信号反馈的环形敷铜区之间。

3.如权利要求1所述的非接触式心电电极模块，其特征在于，所述缓冲电路包括：第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2；

所述第一电容C1的一端作为所述信号输入端，所述第一电容C1的另一端连接至所述第一运算放大器的正相输入端；

所述第一电阻R1的一端作为所述屏蔽端，所述第一电阻R1的另一端连接至所述第一运算放大器的反相输入端；所述第一运算放大器的反相输入端还连接至所述第一运算放大器的输出端；

所述第二电阻R2的一端作为所述参考端，所述第二电阻R2的另一端连接至所述第二运算放大器的正相输入端；所述第二运算放大器的正相输入端还通过所述第二电容C2连接至所述第一运算放大器的输出端；所述第二运算放大器的反相输入端连接至所述第二运算放大器的输出端，所述第二运算放大器的输出端还作为所述信号输出端；

所述第一运算放大器的电源端和所述第二运算放大器的电源端作为所述缓冲电路的电源端；

所述第一运算放大器的地端和所述第二运算放大器的地端作为所述缓冲电路的地端。

4.一种心电图检测装置，其特征在于，包括两个结构相同的心电电极模块，一个心电电极模块通过第一导联线(403)和第二导联线(404)与心电信号处理模块连接；另一个心电电极模块通过第三导联线(405)和第四导联线(406)与所述心电信号处理模块连接；

所述第一导联线(403)和所述第三导联线(405)用于将采集的心电信号传输至心电信号处理模块；所述第二导联线(404)和所述第四导联线(406)用于将共模信号反馈至测试对象；

所述心电电极模块为权利要求1-3任一项所述的非接触式心电电极模块。