CN114073527B - 具有屏蔽和静电抑制的非接触柔性电极的心电采集床垫 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有屏蔽和静电抑制的非接触柔性电极的心电采集床垫，具有主动屏蔽和静电抑制功能的非接触柔性电极与信号处理终端相连接，非接触柔性电极包括从上而下依次设置的具有网格状电磁保护与静电泄露通道的织物电极阵列、吸水性聚合物、绝缘层、织物电极屏蔽层。本发明通过优化电极结构，使之具有较强的电磁抗干扰能力以及静电抑制能力，获取高质量的心电信号。采用非接触式采集方案可以隔着一层衣服进行心电测量，从而克服了传统接触式电极长期佩戴带来不适的缺点，采用自适应阻抗匹配的方案可以根据衣物的实际情况匹配最佳的信号处理前端阻抗获取高质量心电信号。

Description

具有屏蔽和静电抑制的非接触柔性电极的心电采集床垫

技术领域

本发明属于心电智能检测诊断技术领域，涉及非接触电容耦合式、心电信号采集和分析技术，特别是面向穿戴式、长时间心电监测需求，具体涉及一种具有屏蔽和静电抑制的非接触柔性电极的心电采集床垫。

背景技术

心血管疾病是目前世界上发病率和死亡率最高的疾病之一，已经严重威胁到人们的健康。常规的心电采集方式，主要包括湿电极、以及干电极，这类采集方式电极都是与人体直接接触的，长时间接触会导致皮肤过敏问题，及其不舒适，本发明设计了一款非接触柔性ECG电极，非接触电极配合高阻抗匹配电路可以实现隔着一层衣服测量心电信号，其利用的是电容耦合式原理。电极与人体皮肤、衣物、空气和电极极面形成的耦合电容，通过电容耦合的效应检测人体表面的微弱的心电信号。由于不与人体表面直接接触，相对于传统电极，具有穿戴更加舒适，不会引起皮肤过敏等优点。所以该测量方案对长期实时监测人体心电信号的设备显得尤为重要。

现阶段采用非接触式的方案设计中尽管可以采集心电信号，但是信号质量较差，主要有以下几个原因：静电干扰，运动伪迹干扰，电磁干扰以及高阻抗电路噪声前端干扰。而目前电容式心电采集方案，主要集中对电极设计。

现有解决方案：

设计的多层PCB结构可以有效地保护心电微弱信号，电路设计于电极之上可以有效地减少传输路径上的电磁干扰。

采用柔性织物电极，使得电极更加贴近人体，可以有效减少运动伪迹的干扰。

通过优化高阻抗电路拓扑结构，减少高阻抗前端的噪声。

现有方案的缺点：

拥有屏蔽结构的硬质电极，虽然可以屏蔽电磁干扰，但容易受运动干扰明显。

采用织物电极的形式，有效减少了运动伪迹，但是容易受到电磁干扰的影响。

相关论文设计了静电释放快恢复电路，但是该电路结构较为复杂，释放过程会导致心电信号的短暂消失，不利于连续监测。

没有相关专利针对高阻抗电极-衣服-人体界面优化，超高的信号源阻抗会带来额外的噪声。

现有技术都是固定高阻抗输入技术，为满足不同厚度衣服的测量需求，通常后端电路设置为超高的输入阻抗，而高阻抗输入前端会引入响应的噪声，包括电阻热噪声，输出电压偏移等。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种一种具有屏蔽和静电抑制的非接触柔性电极的心电采集床垫。其可以有效的采集心电信号，解决了现阶段非接触电极信号质量差的问题。

本发明技术方案如下：

一种具有屏蔽和静电抑制的非接触柔性电极的心电采集床垫，其特征在于，具有主动屏蔽和静电抑制功能的非接触柔性ECG电极与信号处理终端相连接。

作为本发明的进一步改进，所述具有主动屏蔽和静电抑制功能的非接触柔性ECG电极包括从上而下依次设置的具有网格状电磁保护与静电泄露通道的织物电极阵列、吸水性聚合物、绝缘层以及织物电极屏蔽层。所述织物电极阵列由织物电极和导电织物构成，用于以非接触式的方式进行心电信号的提取，可以隔着一层衣服采集心电，所述网格状电磁保护用于保护织物电极阵列免受外界的电磁干扰，所述静电泄露通道用于释放人体衣物与电极之间摩擦带来的静电，所述吸水性聚合物用于拾取空气以及人体表面的水分并保存，降低信号源的阻抗，同时缓解心电采集过程中摩擦静电影响，所述绝缘层以及织物电极屏蔽层可以用于保护织物电极拾取的心电信号，减少寄生电容的影响。所述信号处理终端主要采用自适应的方法对前端进行阻抗匹配，以及通过电容耦合式右腿驱动电路降低工模干扰，并获取心电信号。

作为本发明的进一步改进，所述信号处理终端包括动态高阻抗匹配电路、前置仪表放大器、AD转换电路、微控制器、电容耦合式右腿驱动电路，

作为本发明的进一步改进，所述微控制器依次与AD转换电路、前置仪表放大器、高阻抗电路相连。所述动态高阻抗匹配电路与吸湿性的非接触柔性ECG电极的织物电极相连。

作为本发明的进一步改进，所述网格状电磁保护与静电泄露通道是由织物电极织物而成，通过网格化设计保护织物电极阵列，以及为静电提供释放通道。

作为本发明的进一步改进，所述网格状电磁保护，采用动态屏蔽驱动的方式，驱动电路采用负反馈放大电路设计制作而成，将电极阵列的共模信号进行放大并输出。

作为本发明的进一步改进，所述静电泄露通道是利用电压更随器的低输出阻抗特性，方便静电电荷通过低阻抗路径释放静电，泄露通道的网状设计，便于静电快速就近释放，不会产生电荷积累。

作为本发明的进一步改进，所述一种动态高阻抗匹配电路动态高阻抗匹配电路，是由阻抗匹配器构成，采用模拟开关以及高值电阻网络的方案可以调节所需的阻抗大小，阻抗调节范围：1G欧姆-100G欧姆。

作为本发明的进一步改进，所述电容耦合式右腿驱动电路，通过将两电极共模信号高增益放大，放大倍数1000，并以负反馈的方式驱动右腿驱动电极，所述右腿驱动电极，由导电银纤维制作而成。

作为本发明的进一步改进，吸水性聚合物是由纯木浆(绒毛浆)，无纺布和高吸水树脂(SAP)构成层状结构组成。

作为本发明的进一步改进，绝缘层由柔性云母纸构成，所述织物电极屏蔽层以及织物电极，由导电银纤维制作而成。

作为本发明的进一步改进，非接触柔性ECG电极长6cm宽4cm。

作为本发明的进一步改进，导电银纤维厚度为0.1mm。

本发明有益效果是：

采用柔性织物电极，相对于硬质电路板铺铜的电极方案，有效减少了运动带来的干扰。

采用吸水性聚合物方案，通过拾取空气以及人体表面的水分并保存，缓解心电采集过程中摩擦静电影响，同时降低信号源的阻抗，获取高质量心电。

采用非接触式测心电的方案，可以隔着一层衣服进行心电测量，从而克服了传统接触式电极长期佩戴带来不适的缺点。

采用具有网格状电磁保护与静电泄露通道的织物电极阵列。网格状电磁保护用于保护织物电极阵列免受外界的电磁干扰，静电泄露通道用于释放人体衣物与电极之间摩擦带来的静电。

通过自适应高阻抗网络，可以有效保证不同衣服厚度情况下，获得高质量的心电信号。减少过剩阻抗带来的额外的噪声。

附图说明

图1是具有主动屏蔽和静电抑制功能的非接触柔性ECG电极的示意图。

图2是图1的顶部示意图。

图3是自适应高阻抗电路的拓扑结构图。

图4是阻抗匹配器的工作流程图。

图5是本发明的结构图。

附图标记列表：

1-系统的信号处理终端，2-第一非接触柔性电极，3-第二非接触柔性电极，4-电容耦合式右腿驱动电极，5-高阻抗电路，6–仪表前置放大器，7-电容耦合式右腿驱动电路，8-AD转换电路，9-微控制器，10-织物电极阵列，11-网格状电磁保护与静电泄露通道，12-吸水性聚合物，13-绝缘层以及织物电极屏蔽层，14-柔性衬底，15-织物电极。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案,下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。

图1是具有主动屏蔽和静电抑制功能的非接触柔性ECG电极,该电极具有抽屉装结构，便于吸水性聚合物的插入，方便后期更换。电极从上而下依次是具有网格状电磁保护与静电泄露通道11的织物电极阵列10、吸水性聚合物12、绝缘层以及织物电极屏蔽层13。如图2所示，网格状电磁保护与静电泄露通道的织物电极阵列在电极的最上面一层，其缝制在柔性衬底14上，柔性衬底上是镂空的网状结构，在镂空处缝制织物电极15感知心电信号，在非镂空处铺设导电织物，实现网格状保护与静电释放通道。镂空结构有利于吸水性聚合物为电极阵列提供湿度，改善人体-电极界面环境。

图3是自适应高阻抗电路拓扑结构，由具有可控的阻抗匹配器和电压更随器组成，电压更随器的同相输入端接电极阵列，输出端接网格状电磁保护与静电泄露通道以及仪表放大器的差分输入端，阻抗匹配器可以被用来控制调节电压更随器的输入偏置电阻，形成可控的高阻抗输入电路。图4是阻抗匹配器的工作流程，通过上位机根据心电（ECG）信号的幅值、工频干扰程度参数、运动伪迹等指标参数。自适应调节输入偏置电阻大小。

图5是系统实时方案的示意图，可以看出系统传感部分由两个吸湿性的非接触柔性ECG电极进行心电信号的拾取以及一个右腿驱动电极4组成，电极放置于床垫上。其中人体与电极不直接接触，通常是隔着一层棉布。

图5中1部分是系统的信号处理终端，主要包括高阻抗电路5，仪表前置放大器6，AD转换电路8，微控制器9.心电信号被吸湿性的第一非接触柔性电极2和第二非接触柔性电极3感应，并被高阻抗电路5获取，通过仪表前置放大器6被AD转换电路8采集，最后微控制器9存储采集后的心电信号，并用于后续的心电信号的分析。

图5中具有主动屏蔽和静电抑制功能的第一非接触柔性电极2和第二非接触柔性电极3，从上而下依次是织物电极、吸水性聚合物、绝缘层、织物电极屏蔽层，织物电极由导电织物构成，用于采用非接触式的方式进行心电信号的提取，吸水性聚合物是由纯木浆(绒毛浆)，无纺布和高吸水树脂(SAP)构成层状结构组成。用于拾取空气以及人体表面的水分并保存，缓解心电采集过程中摩擦静电影响，同时降低信号源的阻抗，提高心电质量。所述绝缘层和所述织物电极屏蔽层，绝缘层由柔性云母纸构成，织物电极屏蔽层由导电银纤维制作而成。绝缘层和织物电极用于保护织物电极拾取的心电信号，减少寄生电容的影响。

图5所示的高阻抗电路5，是由自举电压跟随器构成的高阻抗电路，输入阻抗达到T欧姆以上，同时所选运算放大器拥有fA级别的输入偏置电流。

图5所示的电容耦合式右腿驱动电路7，是由运算放大器构成的负反馈放大电路，通过将两电极共模信号进行1000倍放大，并以负反馈的方式驱动右腿驱动电极4，减少共模干扰，提高系统整体的共模抑。

Claims (4)

1.一种具有屏蔽和静电抑制的非接触柔性电极的心电采集床垫，设置在床垫上，其特征在于,包括相互连接的具有主动屏蔽和静电抑制功能的非接触柔性电极与信号处理终端；

所述具有屏蔽和静电抑制功能的非接触柔性电极包括从上而下依次设置的具有网格状电磁保护与静电泄露通道的织物电极阵列、吸水性聚合物、绝缘层以及织物电极屏蔽层；

所述织物电极阵列由织物电极和导电织物构成，用于以非接触式的方式进行心电信号的提取，所述网格状电磁保护用于保护织物电极阵列免受外界的电磁干扰，所述静电泄露通道用于释放人体衣物与电极之间摩擦带来的静电，所述吸水性聚合物用于拾取空气以及人体表面的水分并保存，所述绝缘层以及织物电极屏蔽层用于保护织物电极拾取的心电信号，所述信号处理终端采用自适应的方法对前端进行阻抗匹配，以及通过电容耦合式右腿驱动电路降低工模干扰，并获取心电信号；

所述信号处理终端包括动态高阻抗匹配电路、前置仪表放大器、AD转换电路、微控制器、电容耦合式右腿驱动电路，所述微控制器依次与AD转换电路、前置仪表放大器、高阻抗电路相连，所述动态高阻抗匹配电路与非接触柔性ECG电极的织物电极相连；

所述网格状电磁保护与静电泄露通道是由织物电极织物而成，通过网格化设计保护织物电极阵列，以及为静电提供释放通道；网格状电磁保护与静电泄露通道的织物电极阵列在电极的最上面一层，其缝制在柔性衬底上，柔性衬底上是镂空的网状结构，在镂空处缝制织物电极感知心电信号，在非镂空处铺设导电织物；

所述网格状电磁保护采用动态屏蔽驱动的方式，电容耦合式右腿驱动电路采用负反馈放大电路设计制作而成，将织物电极阵列的共模信号进行放大并输出；

所述静电泄露通道利用电压跟随器的低输出阻抗特性，方便静电电荷通过低阻抗路径释放静电，泄露通道的网状设计，便于静电快速就近释放，不会产生电荷积累；

所述吸水性聚合物是由纯木浆，无纺布和高吸水树脂构成的层状结构组成；

所述绝缘层以及织物电极屏蔽层中的绝缘层由柔性云母纸构成，织物电极屏蔽层以及织物电极由导电银纤维制作而成；

所述电容耦合式右腿驱动电路，通过将两电极共模信号高增益放大，并以负反馈的方式驱动右腿驱动电极，所述右腿驱动电极由导电银纤维制作而成。

2.根据权利要求1所述的一种具有屏蔽和静电抑制的非接触柔性电极的心电采集床垫，其特征在于，所述非接触柔性电极长6cm宽4cm。

3.根据权利要求1所述的一种具有屏蔽和静电抑制的非接触柔性电极的心电采集床垫，其特征在于，所述共模信号高增益放大，其增益倍数为1000倍。

4.根据权利要求1所述的一种具有屏蔽和静电抑制的非接触柔性电极的心电采集床垫，其特征在于，所述动态高阻抗匹配电路由阻抗匹配器构成，采用模拟开关以及高值电阻网络的方案调节所需的阻抗大小，阻抗调节范围：1G欧姆-100G欧姆。