专利名称：一种非接触式心电传感器及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及心电信号的监测，尤其是一种非接触式心电传感器及其应用，属于生物医学信号测量领域。
背景技术：
生物电是反映人体各种生理状态的重要信息，对人体各种生物电的检测、记录已成为掌握人体器官功能、临床诊断和治疗、日常健康监护的可靠依据。心脏疾病是威胁人类健康的主要疾病之一，心电图是检测心脏疾病的重要手段。传统心电测量系统中，通常采用粘有导电胶的Ag/AgCl—次性电极片或吸杯式、夹戴式电极，此类电极均与人体的表面皮肤直接接触。然而，随着心脏疾病的发病率不断提高，且临床片段式的心电检测无法准确地诊断一些特殊的心脏病症(如心率失常，心肌缺血)，这类病症具有随机性、突发性、间歇性，使得长期、便携式、日常心电监护引起了人们的广泛关注。目前，心电Holter仪的发展适应了上述需求，但由于它依然采用传统接触式电极进行体表电位测量，电极与皮肤长时间的接触会给局部皮肤带来很大刺激，甚至造成皮肤的过敏和溃烂，这势必会给患者带来很多不适。

发明内容
本发明的目的在于提供一种非接触式心电传感器及其应用，利用该非接触式心电传感器可以使患者在穿着自己的内衣或T恤的情况下，进行长期、便携式、日常心电监测，非接触式心电传感器与皮肤容性耦合，提高了心电监护的舒适性、连续性。本发明的技术方案是一种非接触式心电传感器，其特征是采用圆形双面PCB板电极，PCB板的一个面上设有三个区，三个区之间电绝缘，中心圆区为裸露的感应片，依次向外设有环形屏蔽区及环形地线区，PCB板的另一个面上也设有三个区，中心圆为敷铜区，敷铜区中心设有包括前置运算放大器、前端滤波器(二阶巴特沃斯有源高通滤波器级连一阶无源低通滤波器)的贴片焊接区，敷铜区外围为环形地线区，一个面上的感应片和相邻环形屏蔽区共同所占的区域与另一个面上的敷铜区相对称，两个面上的环形地线区相对称，前置运算放大器的输出端分别与环形屏蔽区及敷铜区连接，前置运算放大器的模拟信号地端分别与两个面上的环形地线区连接，前置运算放大器的输入端连接感应片的信号输出；双面PCB板电极定位在一个敞口的圆形金属屏蔽盒的敞口端，设有感应片的一面朝向敞口，设有敷铜区的一面朝向屏蔽盒内腔。应用上述非接触式心电传感器制成的心电监测床垫，其特征是监测床垫上设有 非接触式心电传感器阵列、参考电极以及心电采集主板，其中非接触式心电传感器电极阵列为一排间隔布置的非接触式心电传感器，与人体的上半身位置对应，设有感应片的一面与人体直接对应；参考电极为一块导电织物，设置在监测床垫的上表面，与人体的下半身位置对应；心电采集主板为双面PCB板，其中一面集成了前端模拟信号调理电路，包括多路信号选ニ电路、仪表放大电路、高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器、ニ级放大电路、末级放大电路、电源及稳压电路以及右腿驱动电路；双面PCB板的另一面集成了以MSP430单片机为主控器的模数转换、定时采样以及蓝牙无线通讯模块；传感器阵列中各传感器电极的输出信号均连接多路信号选ニ电路，多路信号选ニ电路的输出连接仪表放大电路，仪表放大电路的输出分别连接高通滤波器及右腿驱动电路，高通滤波器的输出连接低通滤波器，低通滤波器的输出连接带阻滤波器，带阻滤波器的输出连接ニ级放大电路，ニ级放大电路的输出连接末级放大电路，末级放大电路的输出连接MSP430单片机，MSP430单片机的输出分别连接多路信号选ニ电路及蓝牙无线通讯模块，右腿驱动电路输出连接參考电扱。应用上述非接触式心电传感器制成的心电监测胸带，其特征是胸带为弾性体，胸带的两端分别设有尼龙粘贴扣，胸带内侧的中心缝制ー块导电织物作为參考电极，參考电极的左右两侧分别设有ー个固定在胸带上的非接触式传感器，设有感应片的一面与人体胸部对应；设置一心电采集主板，为双面PCB板，其中一面集成了前端模拟信号调理电路，包括仪表放大电路、高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器、ニ级放大电路、末级放大电路、电源及稳压电路以及右腿驱动电路；双面PCB板的另一面集成了以MSP430单片机为主控器的模数转换、定时采样以及蓝牙无线通讯模块，2个传感器电极的输出信号均连接仪表放大电路，仪表放大电路的输出分别连接高通滤波器及右腿驱动电路，高通滤波器的输出连接低通滤波器，低通滤波器的输出连接带阻滤波器，带阻滤波器的输出连接ニ级放大电路，ニ级放大电路的输出连接末级放大电路，末级放大电路的输出连接MSP430单片机，MSP430单片机的输出分别连接多路信号选ニ电路及蓝牙无线通讯模块，右腿驱动电路输出连接參考电扱，心电采集主板放置在胸带外侧设置的ロ袋内。本发明的优点及显着效果1，采用非接触式心电传感器，通过容性耦合原理，隔着ー层衣服进行体表的心电測量，给长期、便携式、日常心电监护带来更大的灵活性和舒适性，易于被患者接受；2，将前端信号采集主板集成在測量装置内，将用来存储和显示的监护终端放在外部。在模拟信号调理、放大、模数转换后，利用蓝牙模块进行无线数据传输，在病房或家庭中，使得患者摆脱了有线的困扰，同时减轻了将完整的监护设备背在身上所帯来的负担；3，利用“右腿驱动”的原理有效降低了共模噪声的干扰；4，整个心电测量不与人体皮肤直接接触，轻巧、灵活，造价低廉，使用简单，最大限度地降低对患者正常生活与行动的影响，可广泛应用于医院便携式监护设备或家庭式健康监护仪中，也可用于其它需要进行人体健康监护的特殊环境中。


图I是本发明非接触式心电测量方法的原理示意图；图2是本发明非接触式心电传感器的电路原理图；图3是本发明非接触式心电传感器的频率响应图；图4是本发明非接触式心电传感器及其屏蔽结构图5是本发明容性右腿驱动的电路原理图；图6是本发明应用的原理框图；图7是本发明实际心电测量的结果图(数字示波器显示)；图8是本发明实际心电测量的频谱图(数字示波器显示)；图9是本发明非接触式电极上的前置运算放大电路无屏蔽和有屏蔽时的电路原理图；图10是应用本发明非接触式心电传感器制成的心电监测胸带；图11是应用本发明非接触式心电传感器制成的心电监测床垫。
具体实施例方式如图4所示，非接触式心电传感器包括ー块直径为3. 9cm的圆形双面PCB板13和ー块半封闭的钢铝合金屏蔽盒4(A图)。B图与C图分别为非接触式心电传感器PCB板电极13的两个面，B图的电极面朝向人体，C图的电极板面朝向屏蔽盒4内腔。B图面中央采用直径为2. 5cm的圆形裸露的感应片9，表面镀了ー层锡。感应片9周围绕有两个宽度为
O.35cm的环形屏蔽圈，内侧为屏蔽圈8，其表面盖有ー层绝缘丝印薄膜。外侧为地线屏蔽圈7，表面也镀了ー层锡。屏蔽圈8、地线屏蔽圈7、感应片9三者之间彼此绝缘，且在同一平面上。C图面中心圆区12为直径3. 2cm敷铜区，其中心为包括前置运算放大电路和前端滤波电路(ニ阶巴特沃斯有源高通滤波器级连ー阶无源低通滤波器)的表贴元件10，敷铜区外围设置地线屏蔽圈14。感应片9通过过孔与另一面上的前置运算放大电路的输入端电气相连，前置运算放大电路的输出分别与屏蔽圈8、敷铜区12连接，前置运算放大电路的模拟信号地GND分别与地线屏蔽圈7、14连接。11为miniUSB接ロ母座。设计感应片9和环形屏蔽圈8共同所占的区域与圆形敷铜12相对称，电气信号一致，两个面上的地线屏蔽圈7、14也对称，电气信号也一致，共同构成了“有源屏蔽”结构，包裹着感应片9，有效屏蔽了感应片9周围的噪声，同时对于心电信号本身的影响很小。两个面上対称的环形地线屏蔽圈7、14 ;尤其是环形地线屏蔽圈7，表面电气裸露(镀了ー层锡)，它与人的衣服直接接触，给淤积的摩擦电位和静电位提供了排泄通路。半封闭的钢铝合金屏蔽盒4(A图)的封闭端面的突出外沿上设有多个定位孔6用干与心电监测应用载体固定。钢铝合金屏蔽盒4的敞ロ端台阶定位圆形双面PCB板13。钢铝合金屏蔽盒4的侧面设置缺ロ 5，可供miniUSB接ロ 11插拔。上述“有源屏蔽”的原理如图9所示。其中Rc与C。代表传感器上的圆形感应片与人体皮肤间的耦合电阻和电容；vs为体表心电信号源；Vn为外界的噪声源，Rn是噪声的源阻抗；Rb代表为运放的偏置电流而设计的等效电阻；Rin和Cin分别是前置放大器的输入电阻和电容；Cs2是该“有源屏蔽”与前置放大电路的输入端之间的等效分布电容。在理论条件下，利用基尔霍夫定律可知图9-a和9-b运算放大器的输入输出关系分别为
权利要求
1.ー种非接触式心电传感器，其特征是采用圆形双面PCB板电极，PCB板的一个面上设有三个区，三个区之间电绝缘，中心圆区为裸露的感应片，依次向外设有环形屏蔽区及环形地线区，PCB板的另ー个面上也设有三个区，中心圆为敷铜区，敷铜区中心设有包括前置运算放大器、ニ阶巴特沃斯有源高通滤波器及一阶无源低通滤波器的贴片焊接区，敷铜区外围为环形地线区，一个面上的感应片和相邻环形屏蔽区共同所占的区域与另ー个面上的敷铜区相对称，两个面上的环形地线区相对称，前置运算放大器的输出端分别与环形屏蔽区及敷铜区连接，前置运算放大器的模拟信号地端分别与两个面上的环形地线区连接，前置运算放大器的输入端连接感应片的信号输出；双面PCB板电极定位在一个敞ロ的圆形金属屏蔽盒的敞ロ端，设有感应片的一面朝向敞ロ，设有敷铜区的一面朝向屏蔽盒内腔。
2.应用权利要求I所述的非接触式心电传感器制成的心电监测床垫，其特征是监测床垫上设有非接触式心电传感器阵列、参考电极以及心电采集主板，其中 非接触式心电传感器电极阵列为ー排间隔布置的非接触式心电传感器，与人体的上半身位置对应，设有感应片的一面与人体直接对应； 參考电极为ー块导电织物，设置在监测床垫的上表面，与人体的下半身位置对应； 心电采集主板为双面PCB板，其中一面集成了前端模拟信号调理电路，包括多路信号选ニ电路、仪表放大电路、高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器、ニ级放大电路、末级放大电路、电源及稳压电路以及右腿驱动电路；双面PCB板的另一面集成了以MSP430单片机为主控器的模数转换、定时采样以及蓝牙无线通讯模块；传感器阵列中各传感器电极的输出信号均连接多路信号选ニ电路，多路信号选ニ电路的输出连接仪表放大电路，仪表放大电路的输出分别连接高通滤波器及右腿驱动电路，高通滤波器的输出连接低通滤波器，低通滤波器的输出连接带阻滤波器，带阻滤波器的输出连接ニ级放大电路，ニ级放大电路的输出连接末级放大电路，末级放大电路的输出连接MSP430单片机，MSP430单片机的输出分别连接多路信号选ニ电路及蓝牙无线通讯模块，右腿驱动电路输出连接參考电扱。
3.应用权利要求I所述的非接触式心电传感器制成的心电监测胸带，其特征是胸带为弾性体，胸带的两端分别设有尼龙粘贴扣，胸带内侧的中心缝制ー块导电织物作为參考电极，參考电极的左右两侧分别设有ー个固定在胸带上的非接触式传感器，设有感应片的一面与人体胸部对应； 设置一心电采集主板，为双面PCB板，其中一面集成了前端模拟信号调理电路，包括仪表放大电路、高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器、ニ级放大电路、末级放大电路、电源及稳压电路以及右腿驱动电路；双面PCB板的另一面集成了以MSP430单片机为主控器的模数转换、定时采样以及蓝牙无线通讯模块，2个传感器电极的输出信号均连接仪表放大电路，仪表放大电路的输出分别连接高通滤波器及右腿驱动电路，高通滤波器的输出连接低通滤波器，低通滤波器的输出连接带阻滤波器，带阻滤波器的输出连接ニ级放大电路，ニ级放大电路的输出连接末级放大电路，末级放大电路的输出连接MSP430单片机，MSP430单片机的输出分别连接多路信号选ニ电路及蓝牙无线通讯模块，右腿驱动电路输出连接參考电扱，心电采集主板放置在胸带外侧设置的ロ袋内。
全文摘要
一种非接触式心电传感器，采用圆形双面PCB板电极，一个面上设有三个区，三个区之间电绝缘，中心圆区为感应片，依次向外设有环形屏蔽区及环形地线区，另一个面上也设有三个区，中心圆为敷铜区，敷铜区中心设有包括前置运算放大器、前端滤波器的贴片焊接区，敷铜区外围为环形地线区，感应片和相邻环形屏蔽区共同所占的区域与另一个面上的敷铜区相对称，两个面上的环形地线区相对称，前置运算放大器的输出端分别与环形屏蔽区及敷铜区连接，前置运算放大器的地端分别与两个面上的环形地线区连接，前置运算放大器的输入连接感应片的输出。双面PCB板电极定位在圆形金属屏蔽盒的敞口端，设有感应片的一面朝向敞口，设有敷铜区的一面朝向屏蔽盒内腔。
文档编号A61B5/0402GK102657524SQ201210128390
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者刘梦星, 吕菲, 周平, 汪丰, 鲁豫杰 申请人:东南大学