CN201211186Y - 一种抗干扰生物电信号记录电极 - Google Patents

Abstract

本实用新型请求保护一种具有抗干扰能力的生物电信号记录电极，属于生物电信号检测领域。本实用新型采用有源检测设计，将放大和滤波电路前移至电极上，在记录电极中进行生物电信号的放大和滤波处理。电极片与前置放大电路、隔直电路、后级放大及低通滤波器焊接在同一块印刷电路板上实现各部分电路之间的电连接。本实用新型采用有源设计，既可大大减少周围环境工频、无线辐射干扰的影响，又有利于实现模拟与数字电路结构上的分离，能够满足活动状态下对生物电信号的测量要求。适用于微型、高抗干扰监护设备。

Description

一种抗干扰生物电信号记录电极

技术领域

本实用新型涉及生物医药领域，尤其涉及生物电信号检测领域。

技术背景

生物电信号记录电极是用于采集人体生物电信号的测量装置，通常选用的电极是体表电极。体表电极的种类很多，有金属平板电极、吸附电极、圆盘电极、悬浮电极、软电极和干电极。按其材料又分为铜合金镀银电极、镍银合金电极、锌银铜合金电极、不锈钢电极和银-氯化银电极等。目前，临床普遍采用一般的“被动电极”进行生物电信号的采集。

金属平板电极与吸附电极等金属材料电极是当前常用的被动电极，其优点是结构十分简单，成本低廉。但这种金属电极缺点也十分突出，它的阻抗高、稳定性差，金属电极和电信号处理电路之间需要导联线进行连接，该导线相当于天线，容易引入干扰(最常见的有工频干扰和各种辐射干扰)，严重影响对生物电信号的测量。虽然可给电极线增加屏蔽减少干扰，但同时也将影响导联的柔软性和测量的舒适性。

针对被动电极的上述缺点，本实用新型采用有源检测设计思想，将放大和滤波电路前移至电极上，设计出了一种具有较强抗干扰能力的生物电信号记录电极。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：针对现有技术中被动电极采集记录生物电信号时馈电线容易产生干扰，采集的信号质量差的缺点，提供一种能够测量人体生物电信号，并具有良好抗干扰性，整体结构紧凑、简单、体积小、使用方便的生物电信号记录电极。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：采用有源检测设计，将放大和滤波电路前移至记录电极上，电极片和电信号的放大处理部分一体化设计，在记录电极中进行生物电信号的采集、放大和滤波处理。

本实用新型所描述的抗干扰生物电信号记录电极包括电极片(3)、前置放大电路(4)、隔直电路(5)、后级放大及低通滤波器(6)。电极片的输出端连接前置放大电路的输入端，前置放大电路对电极片采集的生物电信号进行放大处理，输出端经隔直电路连接后级放大以及低通滤波器的输入端，对经过前置放大处理的生物电信号进行再放大及滤波处理，其输出信号通过导联线(2)送入信号采集与处理电路。电极片与前置放大电路、隔直电路、后级放大及低通滤波器焊接在同一块印刷电路板PCB上实现电极片及各部分电路的电连接。电极片采用纯铜制作表面镀银，接触阻抗小；记录电极外壳为金属外壳并外套橡胶制品，用以进一步屏蔽外界干扰，并增加使用的舒适性。

本实用新型的记录电极为低阻抗输出，且输出的信号是经过放大后的大信号，而不是被动电极输出的小信号，进一步增强了电路的抗干扰能力。本实用新型采用有源设计，既可大大减少周围环境工频、无线辐射干扰的影响，又有利于实现模拟与数字电路结构上的分离，减少监测主机设备内逻辑电路、微处理器和无线通信模块等数字电路、高辐射部件产生干扰的影响。本实用新型设计的有源电极能较好满足活动状态下生物电信号测量的要求，也使得设计出新型的微型、高抗干扰监护设备成为可能。

附图说明

图1抗干扰生物电信号记录电极原理框图

图2记录电极结构图(侧面)

图3有源心电信号记录电极电路原理结构框图

具体实施方法

本实用新型设计了一种新型的具有抗干扰能力的生物电信号记录电极，采用有源检测的设计思想，将放大和滤波电路前移至记录电极，在记录电极中进行生物电信号的采集、放大和滤波处理，这样记录电极和前置放大器之间不再有导联线，由输电线通过耦合电容引入电极的干扰也就不存在；并且有源电极具有较大的输入阻抗，可以有效减少皮肤与记录电极间阻抗变化引起的信号衰减和变形；这样设计的生物电信号记录电极具有良好抗干扰性，整体结构简单紧凑、体积小、使用方便。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的抗干扰生物电信号记录电极进行详细的说明。

图1所示为本实用新型所述的抗干扰生物电信号记录电极的原理图，本记录电极采用有源检测的设计思想，有源记录电极(1)包括电极片(3)、前置放大电路(4)、隔直电路(5)、后级放大以及低通滤波器(6)。电极片的输出端连接前置放大电路的输入端，前置放大电路的输出经隔直电路连接后级放大以及低通滤波器的输入端，后级放大以及低通滤波器的输出端通过导联线(2)连接信号采集与处理电路。

传统的生物电信号采集系统直接通过导联线连接信号输入采集与处理电路，由于生物电信号为微弱信号，在导联线中传输极易受到干扰，增加了信号处理的难度。本实用新型将电极片采集的人体生物电信号直接输出到记录电极，在记录电极中进行放大和滤波处理，首先经过前置放大电路进行信号放大处理，送入隔直电路隔离放大的生物电信号中的直流信号，最后由后级放大及低通滤波器进行滤波放大处理。通常人体生物电信号主要能量集中在低频段，因此采用低通滤波滤除信号的高频部分。低通滤波器的通频带截止频率和增益可根据生物电信号频率范围和幅度大小进行调整设计。经过放大的电信号通过导联线和相应的信号采集与处理电路实现电连接。

图2所示为本实用新型所述的记录电极侧面结构图，本记录电极内部通过印刷电路板PCB(7)实现电极片及各部分电路的电连接。电极片最好采用纯铜制作表面镀银，接触阻抗小，焊接在PCB(7)印刷电路板上，前置放大电路、隔直电路、后级放大以及低通滤波器采用微型低功耗电路元件，根据级联关系依次焊接在PCB印制电路板上，实现与电极片的电连接；导联线(2)与后级放大以及低通滤波器(6)的输出端在PCB(7)上实现电连接。考虑到PCB设计与加工的方便，通常单独将电极片布置在PCB的一面，前置放大电路、隔直电路、后级放大以及低通滤波器布置在PCB的另一面。

采用金属壳作为电极外壳(8)封装焊接在PCB板上的前置放大电路、隔直电路、后级放大以及低通滤波器，用以进一步屏蔽外界干扰，采用橡胶压制包裹记录电极外壳，增加电极使用时的舒适性。

以下具体举一实例对记录电极的电路结构进行具体说明。

图3所示为用于连续心电监测的有源心电信号记录电极电路原理结构框图。

根据心电信号的特点，通常要求前置放大器具有低噪声、低漂移、低功耗、高共模抑制比的性能。因此该实例有源心电信号记录电极采用差分放大电路对心电信号进行前置放大。当生物电信号记录电极用于连续心电监测作为有源心电信号记录电极时，该记录电极包括参考电极和记录电极，有源心电信号记录电极电路的每一个通道都由参考电极(9)和记录电极(1)两个有源电极组成。参考电极由电极片电连接跟随输出电路构成，跟随输出电路采用单运放构成放大倍数为1的电压跟随器。参考电极的输出连接记录电极前置差分放大电路的参考端，记录电极中电极片连接差分放大电路输入端，差分放大电路采用低功耗集成运算放大器实现，考虑到后续滤波电路及模数转换的要求，在保证不产生线性失真的情况下，该差分放大电路的放大增益不宜过大。差分放大电路输出端电连接隔直、滤波后级放大电路输入端，通常心电信号主要能量集中在低频段，主要带宽在0～58±19Hz，而QRS波的中心频率为17Hz。因此本实例考虑便携监护要求设计的隔直、低通滤波电路的通频带宽频率设计为0.5-35Hz，后级放大增益为150倍。隔直、滤波后级放大电路输出端通过心电导联线将放大滤波处理后的心电信号输入信号转接处理板的输入端，信号转接处理板(10)对采集的心电信号进行数模转换和进一步处理，本实例信号采集处理板采用MSP430单片机作为控制处理器控制采集处理板实现心电信号的记录和处理。

综上所述，本实例有源心电信号记录电极进行心电信号采集，首先由参考电极中的电极片采集人体的心电信号通过跟随器输出与记录电极中的电极片采集的心电信号共同构成记录电极前级差分放大的输入信号，经由前级差分放大后进行隔直、滤波、后级放大等放大和滤波处理，处理后的信号已经是放大后的大信号增强了抗干扰能力，通过心电导联线输出到信号采集处理板(10)进行心电信号的模数转换采集与预处理，实现便携心电监护的连续采集。

Claims (4)

1.一种抗干扰生物电信号记录电极，其特征在于，生物电信号记录电极由电极片与前置放大电路、隔直电路、后级放大及低通滤波器焊接在同一块印刷电路板上实现各部分电路之间的电连接，电极片连接前置放大电路的输入端，前置放大电路对电极片采集的生物电信号进行放大处理，经隔直电路去除直流信号后送入后级放大及低通滤波器的输入端，后级放大及低通滤波器对经过前置放大电路处理的生物电信号进行放大并滤除高频信号后，通过导联线送入信号采集与处理电路。

2、根据权利要求1所述的抗干扰生物电信号记录电极，其特征在于，电极片采用纯铜制作表面镀银，记录电极外壳为金属外壳并外套橡胶制品。

3、根据权利要求1所述的抗干扰生物电信号记录电极，其特征在于，前置放大电路采用差分放大电路。

4、根据权利要求3所述的抗干扰生物电信号记录电极，其特征在于，当生物电信号记录电极用于连续心电监测时，记录电极电路的每一个通道都包括参考电极和记录电极，参考电极中电极片经跟随输出电路连接记录电极中前置差分放大电路的参考端，记录电极中电极片连接差分放大电路输入端。

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