CN105232034A - 用于心电信号及人体阻抗检测的电极与电路复用结构 - Google Patents

Abstract

一种用于心电信号及人体阻抗检测的电极与电路复用结构，包括：一第一电极、一第二电极、一第三电极和一第四电极，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极用于贴合到人体体表；一模拟开关网络，其输入端与第一电极、第二电极、第三电极和第四电极连接，用于接收各电极的信号；一心电信号放大电路，其输入端与模拟开关网络连接；一阻抗信号检测电路，其输入端与模拟开关网络连接；一交流电流源，其输出端与模拟开关网络连接；一多路复用器，其输入端与分别与心电信号放大电路和阻抗信号检测电路的输出端连接；一模数转换器，其输入端与多路复用器的输出端连接。

Description

用于心电信号及人体阻抗检测的电极与电路复用结构

技术领域

本发明属于电子技术领域，特别涉及一种用于心电信号及人体阻抗检测的电极与电路复用结构。

背景技术

实时的记录人的心电信号及人体的阻抗信号，对于长期的健康监护或评估运动员的训练指标均具有实用意义。目前在工业界和学术界均已经设计了多种分别包含心电图和人体阻抗测试的设备，这些设备可以记录人体的心电图信息，通过人体的阻抗测试结果评估人体的脂肪含量。其中心电图信号通过心电电极，采集人体的心电信号，通过放大和模数转换输出采集到的信号。而人体阻抗测试则往往基于四端点阻抗测试方法，通过一对电极向人体输入高频的电流信号，另一对电极采集诱发的高频电压信号，并测量采集到电压信号的幅度计算出人体阻抗的大小。以上两类测量，都需要对电极采集到的电压信号进行模数转换。

传统的技术方案，心电图采集和体阻抗测试所用的电极需要分开设计。在实际应用中，单导联的心电图测试一般需要至少三个体表电极，而体阻抗测试由于采用四端点阻抗测试，其电极数不少于四个。这就导致系统所需电极数量达到七个以上，降低系统的集成度。其次，心电图信号频率较低，而四端点阻抗测试信号频率较高的特点，则电路需要不同采样率的模数转换器，提高了电路的复杂度。再次，若电路中采用高采样率的模数转换器，将导致系统的功耗较大。

通过引入模拟开关网络实现心电测试和人体阻抗测试的电极复用，同时设计基于峰值采样的阻抗信号检测电路，实现用于心电信号及人体阻抗检测的电极与电路复用结构。不仅可以解决系统电极数量较多的问题，而且与传统的方法相比，避免了电路中高采样率模数转换器的使用，降低了电路的整体工作频率。可以实现高集成度和低功耗的设计目标。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于心电信号及人体阻抗检测的电极与电路复用结构，其可减少系统中体表电极的数量，省去电路中高采样率模数转换器。从而提高系统的集成度，降低功耗，延长心电信号及人体阻抗监测系统中电池的使用寿命。

为达到上述目的，本发明提供了一种用于心电信号及人体阻抗检测的电极与电路复用结构，包括：

一第一电极、一第二电极、一第三电极和一第四电极，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极用于贴合到人体体表；

一模拟开关网络，其输入端与第一电极、第二电极、第三电极和第四电极连接，用于接收各电极的信号；

一心电信号放大电路，其输入端与模拟开关网络连接；

一阻抗信号检测电路，其输入端与模拟开关网络连接；

一交流电流源，其输出端与模拟开关网络连接；

一多路复用器，其输入端与分别与心电信号放大电路和阻抗信号检测电路的输出端连接；

一模数转换器，其输入端与多路复用器的输出端连接。

本发明的有益效果是，本发明提供的这种用于心电信号及人体阻抗检测的电极与电路复用结构，通过开关网络结构实现了心电信号电极和人体阻抗测试电极的复用，可以降低系统所需电极数；另外，通过引入基于峰值采样的阻抗信号检测电路，可以对高频交流电压信号的峰值进行采样并输出直流电平，从而降低了后续模数转换器的采样率，并使得复用低采样频率的模数转换器转换心电信号和体阻抗信号成为可能。本发明所述的用于心电信号及人体阻抗检测的电极与电路复用结构，可使系统复杂度更低，体积更小，同时降低电路功耗更低，延长设备的电池使用时间。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是四端点阻抗测试法示意图；

图2是检测心电信号及人体阻抗的电极与电路复用结构图；

图3是图2中心电信号放大电路；

图4是图2中阻抗信号检测电路的输入及输出信号图。

具体实施方式

请参阅图1-图4所示，本发明提供一种用于心电信号及人体阻抗检测的电极与电路复用结构，包括：

一第一电极1、一第二电极2、一第三电极3和一第四电极4，所述第一电极1、第二电极2、第三电极3和第四电极4用于贴合到人体体表；

一模拟开关网络5，其输入端与第一电极1、第二电极2、第三电极3和第四电极4连接，用于接收各电极的信号，所述模拟开关网络5，当采集信号对象为心电信号时，将第一电极1、第二电极2、第三电极3和第四电极4与心电信号放大电路6相连；当采集信号为体阻抗信号时，将第一电极1和第二电极2与交流电流源8相连，同时将第三电极3和第四电极4与阻抗信号检测电路7相连；

一心电信号放大电路6，其输入端与模拟开关网络5连接；

一阻抗信号检测电路7，其输入端与模拟开关网络5连接，所述采用基于峰值采样的阻抗信号检测电路7，对第三电极3和第四电极4之间的高频交流电压信号的峰值进行采样并输出直流电平，使低采样率的模数转换器可以完成对高频电压信号幅值转换，从而计算得出人体的阻抗值，所述采用了基于峰值采样的阻抗信号检测电路7降低了模数转换器10的采样率，使心电信号和人体阻抗信号可以复用同一个模数转换器进行转换；

一交流电流源8，其输入端与模拟开关网络5连接，所述交流电流源8产生的交流电流信号，其频率为50kHz，幅度为300微安培。该交流电流信号通过第一电极1和第二电极2耦合到人体，在人体阻抗上产生高频交流电压信号，体现为第三电极3和第四电极4之间的交流电压差；

一多路复用器9，其输入端与分别与心电信号放大电路6和阻抗信号检测电路7的输出端连接；

一模数转换器10，其输入端与多路复用器9的输出端连接。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

测试人体阻抗时，电极与人体组织接触面上产生的寄生阻抗会降低测试的精度，为此常采用四端点阻抗测试法消除这部分寄生阻抗的影响，如图1所示。其中，Z1、Z2、Z3、Z4代表四个电极与皮肤的接触电阻，Zb是待测的人体阻抗。通过第一电极1和第二电极2将交流电流源产生的信号输入人体组织，同时通过电极3和电极4测试人体组织上产生的交流电势差。由于Z3、Z4及Zb组成的回路几乎没有电流，所以可以忽略Z3、Z4上的压降，则Vac等于Zb上由交流电流信号产生的电势差。这样就消除了Z1、Z2、Z3、Z4对Zb测试的影响。

请参阅图2至图3所示，本发明提供了用于心电信号及人体阻抗检测的电极与电路复用结构，该结构包括第一电极1、第二电极2、第三电极3、第四电极4、模拟开关网络5、心电信号放大电路6、阻抗信号检测电路7、交流电流源8、多路复用器9和模数转换器10。其中第一电极1、第二电极2、第三电极3及第四电极4贴合到人体体表，并通过导线与模拟开关网络5相连。模拟开关网络5与心电信号放大电路6、阻抗信号检测电路7、交流电流源8相连。心电信号放大电路6、阻抗信号检测电路7通过多路复用器9，与模数转换器10相连。

第一电极1、第二电极2、第三电极3、第四电极4为与皮肤接触。其作用为：一方面可以用于采集体表电信号，另一方面可以用于将交流电流源8产生的交流电信号耦合到人体组织中。

模拟开关网络5，当采集信号对象为心电信号时，将第一电极1、第二电极2、第三电极3和第四电极4与心电信号放大电路6相连；当采集信号为体阻抗信号时，将第一电极1和第二电极2与交流电流源8相连，同时将第三电极3和第四电极4与阻抗信号检测电路7相连。其作用是实现四个体表电极的复用。

心电信号放大电路6参阅图3，包括前置放大电路61、右腿驱动电路62、滤波电路63、可变增益电路64。当采集心电信号时，前置放大电路61将第一电极1和第二电极2探测到的体表心电信号放大，并经由滤波电路63，可变增益电路64处理得到信号质量较好的心电信号，然后通过多路复用器9输出给复用的模数转换器10；右腿驱动电路62采用前置放大电路61的输出，生成右腿驱动信号，并经由模拟开关网络5输出给第三电极3和第四电极4，其作用是降低第一电极1和第二电极2采集到的心电信号的噪声。

交流电流源8产生频率为高频的交流电流信号。当测试人体阻抗时，交流电流源8产生的交流电流信号通过模拟开关网络5输出，并经由第一电极1和第二电极2耦合到人体组织上，从而产生交流电压信号。该交流电压信号体现为第三电极3和第四电极4之间的交流电势差，并通过模拟开关网络5传输给阻抗信号检测电路7。

基于峰值采样的阻抗信号检测电路7，通过多路复用器9与复用的模数转换器10相连。使低采样率的模数转换器可以完成对高频电压信号幅值转换。

请参照图2至图4，本发明提供的这种用于心电信号及人体阻抗检测的电极与电路复用结构，其工作过程如下：

当检测心电信号时，通过第一电极1、第二电极2分别采集皮肤表面的正负心电电压信号，经过模拟开关网络5，将正负电压信号传输至心电信号放大电路6。经过前置放大电路61、滤波电路63、可变增益电路64，提高采集到心电信号的质量。同时，右腿驱动电路62采用前置放大电路61的输出，生成右腿驱动信号，并经由模拟开关网络5反馈给第三电极3和第四电极4，目的是降低采集到的心电信号的噪声。可变增益电路64的输出，通过多路复用器9输出给复用的模数转换器10，最终转换为数字信号输出。典型的人体心电图信号的频率在0.05100Hz之间，而90％的心电信号频谱能量集中在0.25-35Hz。所以对于心电信号监测，所用的模数转换器采样率只需要几百Hz即可。本设计中，模数转换器10的采样频率为500Sps，完全满足心电信号的转换需求。

另一方面，当测试人体阻抗时，交流电流源8产生频率为的交流电流三角波信号。该交流电流信号通过模拟开关网络5输出，并经由第一电极1和第二电极2耦合到人体组织上，从而产生同频率的交流电压信号Vac。第三电极3和第四电极4将采集到的交流电压信号通过模拟开关网络5传输给阻抗信号检测电路7。

基于峰值采样的阻抗信号检测电路7的作用参阅图4，是对第三电极3和第四电极4之间的高频交流电压信号的峰值进行采样并输出直流电平，图4中Vsh为高频电压信号的最大值，Vsl为高频电流信号的最小值。阻抗信号检测电路7输出的直流差分信号，经由多路复用器9输出给复用的模数转换器10。由于高频电压信号幅度采样输出为直流信号，所以可以用低采样率的模数转换器得到高频电压信号的幅度，并计算出人体的阻抗值。典型的人体阻抗测试中，输入的电流信号频率为50kHz，幅度为300微安培，其产生的交流电压信号Vac频率远远高于模数转换器10的采样频率500Sps，通过引入阻抗信号检测电路7，可以很好的解决该问题，避免了采用高采样频率的模数转换器，降低了电路的总功耗。

通过时分复用，本发明所述的电极及电路复用结构，采用时分复用的方式采集心电信号和测试人体阻抗，两种测试复用体表电极及模数转换器，互相之间不影响测试结果。由上述可知，相比于传统的采集方式，所需要的电极更少，简化了系统的复杂度。另外由于采用复用的低频模数转换器，进一步降低了系统的电路功耗。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于心电信号及人体阻抗检测的电极与电路复用结构，包括：

一第一电极、一第二电极、一第三电极和一第四电极，所述第一电极、第二电极、第三电极和第四电极用于贴合到人体体表；

一模拟开关网络，其输入端与第一电极、第二电极、第三电极和第四电极连接，用于接收各电极的信号；

一心电信号放大电路，其输入端与模拟开关网络连接；

一阻抗信号检测电路，其输入端与模拟开关网络连接；

一交流电流源，其输出端与模拟开关网络连接；

一多路复用器，其输入端与分别与心电信号放大电路和阻抗信号检测电路的输出端连接；

一模数转换器，其输入端与多路复用器的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的用于心电信号及人体阻抗检测的电极与电路复用结构，其中所述模拟开关网络，当采集信号对象为心电信号时，将第一电极、第二电极、第三电极和第四电极与心电信号放大电路相连；当采集信号为体阻抗信号时，将第一电极和第二电极与交流电流源相连，同时将第三电极和第四电极与阻抗信号检测电路相连。

3.根据权利要求1所述的用于心电信号及人体阻抗检测的电极与电路复用结构，其中所述交流电流源产生的交流电流信号，其频率为50kHz，幅度为300微安培，该交流电流信号通过第一电极和第二电极耦合到人体，在人体阻抗上产生高频交流电压信号，体现为第三电极和第四电极之间的交流电压差。

4.根据权利要求1所述的用于心电信号及人体阻抗检测的电极与电路复用结构，其中采用基于峰值采样的阻抗信号检测电路，对第三电极和第四电极之间的高频交流电压信号的峰值进行采样并输出直流电平，使低采样率的模数转换器可以完成对高频电压信号幅值转换，从而计算得出人体的阻抗值。

5.根据权利要求1所述的用于心电信号及人体阻抗检测的电极与电路复用结构，其中采用了基于峰值采样的阻抗信号检测电路降低了模数转换器的采样率，使心电信号和人体阻抗信号可以复用同一个低采样频率的模数转换器进行转换。