CN106793728B - 用于移动式生物电信号放大器的屏蔽装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于移动式生物电信号放大器的屏蔽装置，包括导电低导磁屏蔽层、高电导高磁导屏蔽层、绝缘层和共轭吸能环；从放置生物电信号放大器的位置向外顺次设置高电导高磁导屏蔽层和导电低导磁屏蔽层，从放置生物电信号放大器的位置向下，放大器和高电导高磁导屏蔽层之间顺次设置绝缘层、共轭吸能环；所述高电导高磁导屏蔽层为铁镍磁性材料涂覆在高导电高导磁材料上构成。本发明提出的屏蔽装置，能够在高强度的干扰条件下提供脑电、心电的放大器的屏蔽保护。能够在无地线支持的移动条件下提供脑电、心电的放大器的屏蔽保护。
Description
技术领域
本发明属于电磁屏蔽技术领域，具体涉及一种含有铁磁材料的屏蔽材料和屏蔽装置。
背景技术
动物体表的生物电信号主要包括心电、脑电、肌电、胃电、视网膜电等。这些体表生物电信号可通过电极拾取，经生物电放大器放大，记录而成为心电图、脑电图、肌电图、胃电图、视网膜电图等。
脑电、心电作为重要人体电生理指标对于医疗、科学研究、脑机接口系统、航空航天等领域有着重要的意义，但是心电，尤其是脑电信号极其微弱，很容易受到外界电磁干扰的影响，特别是当前电子设备越来越多，外部环境内的电磁干扰非常复杂。在医院或实验室里，可建设专门的脑电或心电放大器屏蔽室，但是在移动场所，心电放大器在使用电刀时受到干扰，起不到监护作用，这些都给电生理信号的使用带来很大的不便。
脑电或心电放大器置于移动设施上，如在车载移动条件下，对病人的脑电、心电监护受到环境电磁波严重干扰，无法有效测量病人电生理指标，降低了移动设施的诊断和救治能力，局限了这些技术的应用。
发明内容
针对本技术领域的不足之处，本发明的目的是提供一种用于移动式生物电信号放大器的屏蔽装置，用于移动条件下对病人提供脑电或心电监护以及对于脑机接口系统提供屏蔽保护。
实现本发明上述目的技术方案为：
一种用于移动式生物电信号放大器的屏蔽装置，所述屏蔽装置内部具有放置生物电信号放大器的腔体，包括导电低导磁屏蔽层、高电导高磁导屏蔽层、绝缘层和共轭吸能环；
从放置生物电信号放大器的位置向外顺次设置高电导高磁导屏蔽层和导电低导磁屏蔽层，从放置生物电信号放大器的位置向下，放大器和高电导高磁导屏蔽层之间顺次设置绝缘层、共轭吸能环；
所述高电导高磁导屏蔽层为铁镍磁性材料涂覆在高导电高导磁材料上构成。
本发明提出的结构，设置有电场和纳米涂层，因外静磁场的存在，导电低导磁屏蔽层和高电导高磁导屏蔽层的壳体可以很薄，1mm以上就可以满足屏蔽要求。减轻了重量，利于设备的便携和移动。
优选地，所述铁镍磁性材料为复合不导电材料的铁镍磁性纳米材料。
所述的铁镍磁性材料可采用本领域已有的方法制得。在此提供本发明优选的一种制备方法：
用液相催化相转化法制备NiFe2O4纳米粒子，采用反胶束法，将NiFe2O4纳米粒子分散在水中，加入不导电材料和硅源，反应得到磁性SiO2纳米材料。
其中，所述液相催化相转化法制备NiFe2O4纳米粒子的步骤为：将镍盐和三价铁盐的水溶液混合，调节pH值至9.5～10.5，加入二价铁盐为催化剂，使得Fe2+/Fe3+的摩尔比为0.01～0.05，回流反应；
所述反胶束法制备磁性SiO2纳米材料的步骤为：将不导电材料入NiFe2O4纳米粒子的水分散液、氨水，剧烈搅拌后缓慢滴加硅源，然后在10～30℃下静置10～30h，加入乙醇以产生絮凝，固液分离，将收集的固体洗涤和干燥；
所述不导电材料为气溶胶、天然高分子聚合物、环氧树脂、酚醛树脂中的一种或多种，所述不导电材料、NiFe2O4纳米粒子、硅源的质量比例为5～10g：0.01～0.1g：2～3。
进一步地，所述液相催化相转化法制备NiFe2O4纳米粒子的步骤为：将镍盐和三价铁盐的水溶液混合，调节pH值至9.5～10.5，加入二价铁盐为催化剂，使得Fe2+/Fe3+的摩尔比为0.01～0.05，回流反应。
液相催化相转化法中，采用的镍盐可以为Ni(NO3)2、硫酸镍、NiF2、NiCl2、NiBr2、NiI2中的一种，三价铁盐可以为Fe(NO3)3、硫酸铁、FeF3、FeCl3中的一种二价铁盐可以为Fe(NO3)2、硫酸亚铁、FeF2、FeCl2中的一种，但不限于上述的盐类，本领域已知的可制备磁性材料的盐类均可选择。
镍盐和三价铁盐的水溶液的浓度互相独立地为0.5～3.0mol/L。
反胶束法制备磁性SiO2纳米材料的操作中，不导电材料可先溶于溶剂再加入，所述溶剂可以为环己烷、乙二醇、丙酮、乙醇、水中的一种或多种，所述硅源为正硅酸甲酯、正硅酸四乙酯和正硅酸丁酯中的一种。
所述高电导高磁导屏蔽层为铁镍磁性材料涂覆在高导电高导磁材料上构成。所述高导电高导磁材料可以是铁、钴、镍及其合金中的一种。
优选地，在所述高电导高磁导屏蔽层表面设置有表面电荷层，所述表面电荷层由包覆塑料的通电导线摩擦产生，或为贴在所述高电导高磁导屏蔽层表面的静电膜。
其中，所述共轭吸能环为一根导线首尾相连，在一个平面上绕成环状结构。
更优选地，在放置生物电信号放大器的位置下方，高电导高磁导屏蔽层和导电低导磁屏蔽层之间设置也有共轭吸能环。
其中，在放置生物电信号放大器的位置的两侧，高电导高磁导屏蔽层和导电低导磁屏蔽层之间放置有磁体材料，磁体材料下方放置导电胶质，所述导电胶质为电解质水溶液。
其中，所述磁体材料为稀土永磁材料，所述电解质为硫酸铜、硫酸钠、硫酸钾、氢氧化钾、碳酸铜、硫酸镁中的一种，电解质的浓度为0.05～0.1mol/L。
本发明的有益效果在于：
1)本发明提出的屏蔽装置，能够在高强度的干扰条件下提供脑电、心电的放大器的屏蔽保护。
2)能够对多频段的电场干扰和磁场干扰条件下提供脑电、心电的放大器的屏蔽保护。
3)能够在无地线支持的移动条件下提供脑电、心电的放大器的屏蔽保护。
4)本发明屏蔽装置具有尺寸小，重量轻的优点。
附图说明
图1为实施例3屏蔽结构总图；
图2实施例1制NiFe2O4纳米粒子的扫描电镜照片(标尺长度50nm)；
图3实施例1制SiO2@NiFe2O4纳米球的扫描电镜照片；
图4实施例1制表面电荷的产生示意图；
图5实施例2制共轭吸能环俯视图；
图6实施例3电磁脉冲进入屏蔽装置后的效应原理图；
图7实施例3屏蔽电场等效电路图；
图8实施例3高噪声车载测试环境噪声30秒数据快速傅立叶变换后的0-100hz频率段结果；
图9实施例3高噪声车载测试环境噪声30秒数据快速傅立叶变换后的0-40hz频率段结果；
图10实施例3将放大器放入屏蔽装置内，加入参考导联采集到的人脑信号O2导联30秒快速傅立叶变换后的0-40hz频率段结果。
具体实施方式
下面通过最佳实施例来说明本发明。本领域技术人员所应知的是，实施例只用来说明本发明而不是用来限制本发明的范围。
实施例中，如无特别说明，所用手段均为本领域常规的手段。
实施例1：SiO2@NiFe2O4纳米涂层的制备及表面电荷的产生
1)NiFe2O4纳米粒子制备
通过液相催化相转化法制备。将50ml Ni(NO3)2溶液(1.25mol/L)和50ml Fe(NO3)3溶液(2.5mol/L)混合；用NaOH溶液(6.0mol/L)调节体系的pH值至9.5～10.5,加入FeCl2溶液(1.0mol/L)作为催化剂,使得Fe2+/Fe3+的摩尔比为0.02；再细心调节体系的pH值至9.5～10.5。然后沸腾回流2h,离心分离、去离子水洗涤数次；最后将所得NiFe2O4纳米粒子分散在去离子水中备用,分散液的固体含量为48.5g/L。所得NiFe2O4纳米粒子SEM照片见图2。
2)磁性SiO2纳米球的制备
采用反胶束法制备磁性SiO2纳米球。称取8.8912g气溶胶OT(二(2-乙基己基)磺琥珀酸钠)溶于100ml环己烷中，加入上步骤制得的NiFe2O4分散液1.15ml、6.0mol/L的氨水3.44ml,剧烈搅拌15min，然后缓慢滴加2ml正硅酸四乙酯,再慢速搅拌5min,之后于22℃静置24h。用75％的乙醇絮凝,离心,将得到的固体用乙醇清洗2次,于105℃干燥2h,即得磁性SiO2纳米球SiO2@NiFe2O4(参见图3)。
3)表面电荷的产生
将铁镍屏蔽层(铁镍合金)置入溶于溶剂的SiO2@NiFe2O4中后烘干，纳米涂层均匀分布在屏蔽层表面，即为高电导高磁导屏蔽层。用两根金属导线用塑料布包裹接通12V电源，如图4所示，由塑料材料摩擦产生的自由电荷一部分会附着在纳米涂层表面，上表面塑料材料中包裹的导体电场为负极，会把其中的阳离子吸附走而在表面留下阴离子，而在下表面，包裹的是正极导体就会把阳离子留下吸走阴离子，这样在上下表面就留下了不同的电荷。
也可以通过尖端放电方法或使用静电膜方法实现表面电荷的覆盖。商用产品用市购的静电膜较为方便。
实施例2共轭吸能环的制备
如图5所示，共轭吸能环由一根导线首位相连导线在一个平面上环绕形成的环状结构。导线吸收到空间中的电磁脉冲所产生的总电流和磁场几乎为零，能量在线圈中转换成其他形式的能量。由于该结构为一根导线缠绕形成的，其感应电流无论在导体的那段形成，最终会行成反向的电流，从而抵消而减弱线圈在空间中的自感效应，而所吸收的能量最终转换成其他形式的能量，而减弱封闭的屏蔽系统内干扰信号的谐波能量。
实施例3构建屏蔽装置
一种用于移动式生物电信号放大器的屏蔽装置，参见图1，图1中的屏蔽装置腔体内放置有放大器8，屏蔽装置包括导电低导磁屏蔽层1、高电导高磁导屏蔽层3、绝缘层6和共轭吸能环7；
从放置放大器8的位置向外顺次设置高电导高磁导屏蔽层3和导电低导磁屏蔽层1，从放置生物电信号放大器的位置向下，放大器8和高电导高磁导屏蔽层1之间顺次设置绝缘层6、共轭吸能环7；
所述高电导高磁导屏蔽层为实施例1制铁镍磁性材料SiO2@NiFe2O4涂覆在铁镍合金上构成。
本实施例中，高磁导屏蔽层表面设置有表面电荷层，所述表面电荷层由包覆塑料的通电导线摩擦产生。
在放大器的下方，高电导高磁导屏蔽层3和导电低导磁屏蔽层1之间设置也有共轭吸能环7。
在放置生物电信号放大器的位置的两侧，高电导高磁导屏蔽层和导电低导磁屏蔽层之间放置有磁体材料5，磁体材料下方放置导电胶质，所述导电胶质4为电解质水溶液。所述磁体材料为钕铁硼稀土永磁材料，导电胶质4内电解质为硫酸铜，电解质的浓度为0.05mol/L。磁铁下面导电胶质与其中的导电层连接以实现共地效应，用导电胶质的容积导体效应来吸收屏蔽层中的多余电荷，防止屏蔽层出现电荷过饱和。
本屏蔽结构中，导电低导磁屏蔽层主要作用是削减电脉冲能量，减少下一层屏蔽中电荷过饱和的可能；高电导高磁导屏蔽层的主要作用是削减进入屏蔽内的电场磁场能量；纳米涂层主要有增加表面磁导率和产生表面电荷的作用，表面电荷对于空间电脉冲有反射作用；导电胶质等混合溶液主要用来吸附高电导高磁导屏蔽层中产生的电荷；共轭吸能环用来吸附屏蔽器内部的电磁脉冲能量，减少内部谐波能量；磁体材料的作用主要是使得内部磁通过饱和同时增大电脉冲的衰减(参见图6的原理图)。如图6所示，电磁脉冲进入屏蔽装置，首先被反射吸收的是电脉冲干扰，在经过两层屏蔽的反射和吸收作用后，只有少量电脉冲进入装置内，其中一部分在内部反射过程中被共轭吸能环吸收，少量产生谐波。磁脉冲在内部磁饱和，外部高磁通的分流下从外部通过。屏蔽器的等效电路如图7所示。由干扰源到放大器到第一层屏蔽相当于一个外界加的信号通过电容效应传入等效于电容C1的作用，经过第二层屏蔽的电容C2的电容效应进入第二层屏蔽，在第二层屏蔽中加入的电场反射，静磁场其作用等效于电阻R1的作用，内部电场反射和线圈的共同作用相当于电感的作用，在第二层屏蔽中接入的水硫酸铜等混合溶液相当于电容C4的作用，将第二层屏蔽上的电荷吸出，由第二层屏蔽经过电容效应传入放大器等效于电容C3的作用，共轭吸能环的作用等效应R2的作用。
实施例5
本实施例中，高磁导屏蔽层表面设置有表面电荷层，其采用了静电膜(市购)而得。
在放置生物电信号放大器的位置的两侧，高电导高磁导屏蔽层和导电低导磁屏蔽层之间放置有磁体材料5，磁体材料下方放置超级电器容，斜线表示超级电器容与屏蔽层壳体联通。所述磁体材料为钐钴永磁体。
其他设置同实施例4。
试验例
在高噪声车载测试环境下，未装入屏蔽时，放大器未接入导联时信号采集情况如图8所示，可见50hz噪声在10的5次方uV数量级，干扰能量很大。其噪声来源主要来自车载电子元件的50hz交流电电源和车载变压器，周边环境噪声和有车辆金属壳体反射后形成的谐波。
图9为实验样例高噪声车载测试环境噪声30秒数据快速傅立叶变换后的0-40hz频率段结果。如图9所示，可见高噪声环境下周边环境噪声和由金属壳体反射形成的低频噪声，其电场信号电压在500-3500uV范围。由于其存在范围正好在系统要使用的5-20hz频率范围，脑电信号电压通常在0-100uV范围，噪声将完全掩盖脑电信号，因此对脑机接口系统影响极大。
图10将放大器放入实施例3的屏蔽装置内，加入参考导联采集到的人脑信号O2导联30秒快速傅立叶变换后的0-40hz频率段结果。从图10中可以看到在10hz频段位置有一个150uVz左右的峰，在20hz频段位置有一个220uV左右的峰。这是人脑对10hz刺激信号的响应和倍频响应。在参考的条件下50hz噪声及其谐波干扰消失。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于移动式生物电信号放大器的屏蔽装置，所述屏蔽装置内部具有放置生物电信号放大器的腔体，其特征在于，所述屏蔽装置包括导电低导磁屏蔽层、高电导高磁导屏蔽层、绝缘层和共轭吸能环；
从放置生物电信号放大器的位置向外顺次设置高电导高磁导屏蔽层和导电低导磁屏蔽层，所述高电导高磁导屏蔽层构成密闭的所述腔体；从放置生物电信号放大器的位置向下，放大器和高电导高磁导屏蔽层之间顺次设置绝缘层、共轭吸能环；
所述高电导高磁导屏蔽层为铁镍磁性材料涂覆在高导电高导磁材料上构成。
2.根据权利要求1所述的屏蔽装置，其特征在于，所述铁镍磁性材料为复合有不导电材料的铁镍磁性纳米材料，所述不导电材料为气溶胶、天然高分子聚合物、聚烯烃、环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、异腈酸酯中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的屏蔽装置，其特征在于，采用以下方法制备复合有不导电材料的铁镍磁性纳米材料：用液相催化相转化法制备NiFe2O4 纳米粒子，采用反胶束法，将NiFe2O4 纳米粒子分散在水中，加入不导电材料和硅源，反应得到磁性SiO2 纳米材料。
4.根据权利要求3所述的屏蔽装置，其特征在于，所述液相催化相转化法制备NiFe2O4 纳米粒子的步骤为：将镍盐和三价铁盐的水溶液混合，调节pH 值至 9.5~10.5，加入二价铁盐为催化剂，使得Fe2+/Fe3+的摩尔比为0.01~0.05，回流反应。
5.根据权利要求3所述的屏蔽装置，其特征在于，所述反胶束法制备磁性SiO2 纳米材料的步骤为：将不导电材料加入NiFe2O4 纳米粒子的水分散液、氨水，剧烈搅拌后缓慢滴加硅源，然后在10~30℃下静置10~30h，加入乙醇以产生絮凝，固液分离，将收集的固体洗涤和干燥；
所述不导电材料、NiFe2O4 纳米粒子、硅源的用量比例为5~10g：0.01~0.1g：2~3mL，所述硅源为正硅酸甲酯、正硅酸四乙酯和正硅酸丁酯中的一种。
6.根据权利要求1所述的屏蔽装置，其特征在于，在所述高电导高磁导屏蔽层表面设置有表面电荷层，所述表面电荷层由包覆塑料的通电导线摩擦产生，或为贴在所述高电导高磁导屏蔽层表面的静电膜。
7.根据权利要求1所述的屏蔽装置，其特征在于，所述共轭吸能环为一根导线首尾相连，在一个平面上绕成环状结构。
8.根据权利要求1~7任一项所述的屏蔽装置，其特征在于，在放置生物电信号放大器的位置下方，高电导高磁导屏蔽层和导电低导磁屏蔽层之间也设置有共轭吸能环。
9.根据权利要求1~7任一项所述的屏蔽装置，其特征在于，在放置生物电信号放大器的位置的两侧，高电导高磁导屏蔽层和导电低导磁屏蔽层之间放置有磁体材料，磁体材料下方放置导电胶质或电容器，所述导电胶质为电解质水溶液。
10.根据权利要求9所述的屏蔽装置，其特征在于，所述磁体材料为稀土永磁材料，所述电解质为硫酸铜、硫酸钠、硫酸钾、氢氧化钾、碳酸铜、硫酸镁中的一种，电解质的浓度为0.05~0.1mol/L。
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