專利名稱：一種非接觸式心電傳感器及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及心電信號的監(jiān)測，尤其是一種非接觸式心電傳感器及其應(yīng)用，屬于生物醫(yī)學(xué)信號測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
生物電是反映人體各種生理狀態(tài)的重要信息，對人體各種生物電的檢測、記錄已成為掌握人體器官功能、臨床診斷和治療、日常健康監(jiān)護(hù)的可靠依據(jù)。心臟疾病是威脅人類健康的主要疾病之一，心電圖是檢測心臟疾病的重要手段。傳統(tǒng)心電測量系統(tǒng)中，通常采用粘有導(dǎo)電膠的Ag/AgCl—次性電極片或吸杯式、夾戴式電極，此類電極均與人體的表面皮膚直接接觸。然而，隨著心臟疾病的發(fā)病率不斷提高，且臨床片段式的心電檢測無法準(zhǔn)確地診斷一些特殊的心臟病癥(如心率失常，心肌缺血)，這類病癥具有隨機性、突發(fā)性、間歇性，使得長期、便攜式、日常心電監(jiān)護(hù)引起了人們的廣泛關(guān)注。目前，心電Holter儀的發(fā)展適應(yīng)了上述需求，但由于它依然采用傳統(tǒng)接觸式電極進(jìn)行體表電位測量，電極與皮膚長時間的接觸會給局部皮膚帶來很大刺激，甚至造成皮膚的過敏和潰爛，這勢必會給患者帶來很多不適。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種非接觸式心電傳感器及其應(yīng)用，利用該非接觸式心電傳感器可以使患者在穿著自己的內(nèi)衣或T恤的情況下，進(jìn)行長期、便攜式、日常心電監(jiān)測，非接觸式心電傳感器與皮膚容性耦合，提高了心電監(jiān)護(hù)的舒適性、連續(xù)性。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種非接觸式心電傳感器，其特征是采用圓形雙面PCB板電極，PCB板的一個面上設(shè)有三個區(qū)，三個區(qū)之間電絕緣，中心圓區(qū)為裸露的感應(yīng)片，依次向外設(shè)有環(huán)形屏蔽區(qū)及環(huán)形地線區(qū)，PCB板的另一個面上也設(shè)有三個區(qū)，中心圓為敷銅區(qū)，敷銅區(qū)中心設(shè)有包括前置運算放大器、前端濾波器(二階巴特沃斯有源高通濾波器級連一階無源低通濾波器)的貼片焊接區(qū)，敷銅區(qū)外圍為環(huán)形地線區(qū)，一個面上的感應(yīng)片和相鄰環(huán)形屏蔽區(qū)共同所占的區(qū)域與另一個面上的敷銅區(qū)相對稱，兩個面上的環(huán)形地線區(qū)相對稱，前置運算放大器的輸出端分別與環(huán)形屏蔽區(qū)及敷銅區(qū)連接，前置運算放大器的模擬信號地端分別與兩個面上的環(huán)形地線區(qū)連接，前置運算放大器的輸入端連接感應(yīng)片的信號輸出；雙面PCB板電極定位在一個敞口的圓形金屬屏蔽盒的敞口端，設(shè)有感應(yīng)片的一面朝向敞口，設(shè)有敷銅區(qū)的一面朝向屏蔽盒內(nèi)腔。應(yīng)用上述非接觸式心電傳感器制成的心電監(jiān)測床墊，其特征是監(jiān)測床墊上設(shè)有 非接觸式心電傳感器陣列、參考電極以及心電采集主板，其中非接觸式心電傳感器電極陣列為一排間隔布置的非接觸式心電傳感器，與人體的上半身位置對應(yīng)，設(shè)有感應(yīng)片的一面與人體直接對應(yīng)；參考電極為一塊導(dǎo)電織物，設(shè)置在監(jiān)測床墊的上表面，與人體的下半身位置對應(yīng)；心電采集主板為雙面PCB板，其中一面集成了前端模擬信號調(diào)理電路，包括多路信號選ニ電路、儀表放大電路、高通濾波器、低通濾波器、帶阻濾波器、ニ級放大電路、末級放大電路、電源及穩(wěn)壓電路以及右腿驅(qū)動電路；雙面PCB板的另一面集成了以MSP430單片機為主控器的模數(shù)轉(zhuǎn)換、定時采樣以及藍(lán)牙無線通訊模塊；傳感器陣列中各傳感器電極的輸出信號均連接多路信號選ニ電路，多路信號選ニ電路的輸出連接儀表放大電路，儀表放大電路的輸出分別連接高通濾波器及右腿驅(qū)動電路，高通濾波器的輸出連接低通濾波器，低通濾波器的輸出連接帶阻濾波器，帶阻濾波器的輸出連接ニ級放大電路，ニ級放大電路的輸出連接末級放大電路，末級放大電路的輸出連接MSP430單片機，MSP430單片機的輸出分別連接多路信號選ニ電路及藍(lán)牙無線通訊模塊，右腿驅(qū)動電路輸出連接參考電扱。應(yīng)用上述非接觸式心電傳感器制成的心電監(jiān)測胸帶，其特征是胸帶為弾性體，胸帶的兩端分別設(shè)有尼龍粘貼扣，胸帶內(nèi)側(cè)的中心縫制ー塊導(dǎo)電織物作為參考電極，參考電極的左右兩側(cè)分別設(shè)有ー個固定在胸帶上的非接觸式傳感器，設(shè)有感應(yīng)片的一面與人體胸部對應(yīng)；設(shè)置一心電采集主板，為雙面PCB板，其中一面集成了前端模擬信號調(diào)理電路，包括儀表放大電路、高通濾波器、低通濾波器、帶阻濾波器、ニ級放大電路、末級放大電路、電源及穩(wěn)壓電路以及右腿驅(qū)動電路；雙面PCB板的另一面集成了以MSP430單片機為主控器的模數(shù)轉(zhuǎn)換、定時采樣以及藍(lán)牙無線通訊模塊，2個傳感器電極的輸出信號均連接儀表放大電路，儀表放大電路的輸出分別連接高通濾波器及右腿驅(qū)動電路，高通濾波器的輸出連接低通濾波器，低通濾波器的輸出連接帶阻濾波器，帶阻濾波器的輸出連接ニ級放大電路，ニ級放大電路的輸出連接末級放大電路，末級放大電路的輸出連接MSP430單片機，MSP430單片機的輸出分別連接多路信號選ニ電路及藍(lán)牙無線通訊模塊，右腿驅(qū)動電路輸出連接參考電扱，心電采集主板放置在胸帶外側(cè)設(shè)置的ロ袋內(nèi)。本發(fā)明的優(yōu)點及顯著效果1，采用非接觸式心電傳感器，通過容性耦合原理，隔著ー層衣服進(jìn)行體表的心電測量，給長期、便攜式、日常心電監(jiān)護(hù)帶來更大的靈活性和舒適性，易于被患者接受；2，將前端信號采集主板集成在測量裝置內(nèi)，將用來存儲和顯示的監(jiān)護(hù)終端放在外部。在模擬信號調(diào)理、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，利用藍(lán)牙模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，在病房或家庭中，使得患者擺脫了有線的困擾，同時減輕了將完整的監(jiān)護(hù)設(shè)備背在身上所帯來的負(fù)擔(dān)；3，利用“右腿驅(qū)動”的原理有效降低了共模噪聲的干擾；4，整個心電測量不與人體皮膚直接接觸，輕巧、靈活，造價低廉，使用簡單，最大限度地降低對患者正常生活與行動的影響，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)院便攜式監(jiān)護(hù)設(shè)備或家庭式健康監(jiān)護(hù)儀中，也可用于其它需要進(jìn)行人體健康監(jiān)護(hù)的特殊環(huán)境中。


圖I是本發(fā)明非接觸式心電測量方法的原理示意圖；圖2是本發(fā)明非接觸式心電傳感器的電路原理圖；圖3是本發(fā)明非接觸式心電傳感器的頻率響應(yīng)圖；圖4是本發(fā)明非接觸式心電傳感器及其屏蔽結(jié)構(gòu)圖5是本發(fā)明容性右腿驅(qū)動的電路原理圖；圖6是本發(fā)明應(yīng)用的原理框圖；圖7是本發(fā)明實際心電測量的結(jié)果圖(數(shù)字示波器顯示)；圖8是本發(fā)明實際心電測量的頻譜圖(數(shù)字示波器顯示)；圖9是本發(fā)明非接觸式電極上的前置運算放大電路無屏蔽和有屏蔽時的電路原理圖；圖10是應(yīng)用本發(fā)明非接觸式心電傳感器制成的心電監(jiān)測胸帶；圖11是應(yīng)用本發(fā)明非接觸式心電傳感器制成的心電監(jiān)測床墊。
具體實施例方式如圖4所示，非接觸式心電傳感器包括ー塊直徑為3. 9cm的圓形雙面PCB板13和ー塊半封閉的鋼鋁合金屏蔽盒4(A圖)。B圖與C圖分別為非接觸式心電傳感器PCB板電極13的兩個面，B圖的電極面朝向人體，C圖的電極板面朝向屏蔽盒4內(nèi)腔。B圖面中央采用直徑為2. 5cm的圓形裸露的感應(yīng)片9，表面鍍了ー層錫。感應(yīng)片9周圍繞有兩個寬度為
O.35cm的環(huán)形屏蔽圈，內(nèi)側(cè)為屏蔽圈8，其表面蓋有ー層絕緣絲印薄膜。外側(cè)為地線屏蔽圈7，表面也鍍了ー層錫。屏蔽圈8、地線屏蔽圈7、感應(yīng)片9三者之間彼此絕緣，且在同一平面上。C圖面中心圓區(qū)12為直徑3. 2cm敷銅區(qū)，其中心為包括前置運算放大電路和前端濾波電路(ニ階巴特沃斯有源高通濾波器級連ー階無源低通濾波器)的表貼元件10，敷銅區(qū)外圍設(shè)置地線屏蔽圈14。感應(yīng)片9通過過孔與另一面上的前置運算放大電路的輸入端電氣相連，前置運算放大電路的輸出分別與屏蔽圈8、敷銅區(qū)12連接，前置運算放大電路的模擬信號地GND分別與地線屏蔽圈7、14連接。11為miniUSB接ロ母座。設(shè)計感應(yīng)片9和環(huán)形屏蔽圈8共同所占的區(qū)域與圓形敷銅12相對稱，電氣信號一致，兩個面上的地線屏蔽圈7、14也對稱，電氣信號也一致，共同構(gòu)成了“有源屏蔽”結(jié)構(gòu)，包裹著感應(yīng)片9，有效屏蔽了感應(yīng)片9周圍的噪聲，同時對于心電信號本身的影響很小。兩個面上対稱的環(huán)形地線屏蔽圈7、14 ;尤其是環(huán)形地線屏蔽圈7，表面電氣裸露(鍍了ー層錫)，它與人的衣服直接接觸，給淤積的摩擦電位和靜電位提供了排泄通路。半封閉的鋼鋁合金屏蔽盒4(A圖)的封閉端面的突出外沿上設(shè)有多個定位孔6用干與心電監(jiān)測應(yīng)用載體固定。鋼鋁合金屏蔽盒4的敞ロ端臺階定位圓形雙面PCB板13。鋼鋁合金屏蔽盒4的側(cè)面設(shè)置缺ロ 5，可供miniUSB接ロ 11插拔。上述“有源屏蔽”的原理如圖9所示。其中Rc與C。代表傳感器上的圓形感應(yīng)片與人體皮膚間的耦合電阻和電容；vs為體表心電信號源；Vn為外界的噪聲源，Rn是噪聲的源阻抗；Rb代表為運放的偏置電流而設(shè)計的等效電阻；Rin和Cin分別是前置放大器的輸入電阻和電容；Cs2是該“有源屏蔽”與前置放大電路的輸入端之間的等效分布電容。在理論條件下，利用基爾霍夫定律可知圖9-a和9-b運算放大器的輸入輸出關(guān)系分別為
權(quán)利要求
1.ー種非接觸式心電傳感器，其特征是采用圓形雙面PCB板電極，PCB板的一個面上設(shè)有三個區(qū)，三個區(qū)之間電絕緣，中心圓區(qū)為裸露的感應(yīng)片，依次向外設(shè)有環(huán)形屏蔽區(qū)及環(huán)形地線區(qū)，PCB板的另ー個面上也設(shè)有三個區(qū)，中心圓為敷銅區(qū)，敷銅區(qū)中心設(shè)有包括前置運算放大器、ニ階巴特沃斯有源高通濾波器及一階無源低通濾波器的貼片焊接區(qū)，敷銅區(qū)外圍為環(huán)形地線區(qū)，一個面上的感應(yīng)片和相鄰環(huán)形屏蔽區(qū)共同所占的區(qū)域與另ー個面上的敷銅區(qū)相對稱，兩個面上的環(huán)形地線區(qū)相對稱，前置運算放大器的輸出端分別與環(huán)形屏蔽區(qū)及敷銅區(qū)連接，前置運算放大器的模擬信號地端分別與兩個面上的環(huán)形地線區(qū)連接，前置運算放大器的輸入端連接感應(yīng)片的信號輸出；雙面PCB板電極定位在一個敞ロ的圓形金屬屏蔽盒的敞ロ端，設(shè)有感應(yīng)片的一面朝向敞ロ，設(shè)有敷銅區(qū)的一面朝向屏蔽盒內(nèi)腔。
2.應(yīng)用權(quán)利要求I所述的非接觸式心電傳感器制成的心電監(jiān)測床墊，其特征是監(jiān)測床墊上設(shè)有非接觸式心電傳感器陣列、參考電極以及心電采集主板，其中 非接觸式心電傳感器電極陣列為ー排間隔布置的非接觸式心電傳感器，與人體的上半身位置對應(yīng)，設(shè)有感應(yīng)片的一面與人體直接對應(yīng)； 參考電極為ー塊導(dǎo)電織物，設(shè)置在監(jiān)測床墊的上表面，與人體的下半身位置對應(yīng)； 心電采集主板為雙面PCB板，其中一面集成了前端模擬信號調(diào)理電路，包括多路信號選ニ電路、儀表放大電路、高通濾波器、低通濾波器、帶阻濾波器、ニ級放大電路、末級放大電路、電源及穩(wěn)壓電路以及右腿驅(qū)動電路；雙面PCB板的另一面集成了以MSP430單片機為主控器的模數(shù)轉(zhuǎn)換、定時采樣以及藍(lán)牙無線通訊模塊；傳感器陣列中各傳感器電極的輸出信號均連接多路信號選ニ電路，多路信號選ニ電路的輸出連接儀表放大電路，儀表放大電路的輸出分別連接高通濾波器及右腿驅(qū)動電路，高通濾波器的輸出連接低通濾波器，低通濾波器的輸出連接帶阻濾波器，帶阻濾波器的輸出連接ニ級放大電路，ニ級放大電路的輸出連接末級放大電路，末級放大電路的輸出連接MSP430單片機，MSP430單片機的輸出分別連接多路信號選ニ電路及藍(lán)牙無線通訊模塊，右腿驅(qū)動電路輸出連接參考電扱。
3.應(yīng)用權(quán)利要求I所述的非接觸式心電傳感器制成的心電監(jiān)測胸帶，其特征是胸帶為弾性體，胸帶的兩端分別設(shè)有尼龍粘貼扣，胸帶內(nèi)側(cè)的中心縫制ー塊導(dǎo)電織物作為參考電極，參考電極的左右兩側(cè)分別設(shè)有ー個固定在胸帶上的非接觸式傳感器，設(shè)有感應(yīng)片的一面與人體胸部對應(yīng)； 設(shè)置一心電采集主板，為雙面PCB板，其中一面集成了前端模擬信號調(diào)理電路，包括儀表放大電路、高通濾波器、低通濾波器、帶阻濾波器、ニ級放大電路、末級放大電路、電源及穩(wěn)壓電路以及右腿驅(qū)動電路；雙面PCB板的另一面集成了以MSP430單片機為主控器的模數(shù)轉(zhuǎn)換、定時采樣以及藍(lán)牙無線通訊模塊，2個傳感器電極的輸出信號均連接儀表放大電路，儀表放大電路的輸出分別連接高通濾波器及右腿驅(qū)動電路，高通濾波器的輸出連接低通濾波器，低通濾波器的輸出連接帶阻濾波器，帶阻濾波器的輸出連接ニ級放大電路，ニ級放大電路的輸出連接末級放大電路，末級放大電路的輸出連接MSP430單片機，MSP430單片機的輸出分別連接多路信號選ニ電路及藍(lán)牙無線通訊模塊，右腿驅(qū)動電路輸出連接參考電扱，心電采集主板放置在胸帶外側(cè)設(shè)置的ロ袋內(nèi)。
全文摘要
一種非接觸式心電傳感器，采用圓形雙面PCB板電極，一個面上設(shè)有三個區(qū)，三個區(qū)之間電絕緣，中心圓區(qū)為感應(yīng)片，依次向外設(shè)有環(huán)形屏蔽區(qū)及環(huán)形地線區(qū)，另一個面上也設(shè)有三個區(qū)，中心圓為敷銅區(qū)，敷銅區(qū)中心設(shè)有包括前置運算放大器、前端濾波器的貼片焊接區(qū)，敷銅區(qū)外圍為環(huán)形地線區(qū)，感應(yīng)片和相鄰環(huán)形屏蔽區(qū)共同所占的區(qū)域與另一個面上的敷銅區(qū)相對稱，兩個面上的環(huán)形地線區(qū)相對稱，前置運算放大器的輸出端分別與環(huán)形屏蔽區(qū)及敷銅區(qū)連接，前置運算放大器的地端分別與兩個面上的環(huán)形地線區(qū)連接，前置運算放大器的輸入連接感應(yīng)片的輸出。雙面PCB板電極定位在圓形金屬屏蔽盒的敞口端，設(shè)有感應(yīng)片的一面朝向敞口，設(shè)有敷銅區(qū)的一面朝向屏蔽盒內(nèi)腔。
文檔編號A61B5/0402GK102657524SQ201210128390
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月27日
發(fā)明者劉夢星, 呂菲, 周平, 汪豐, 魯豫杰 申請人:東南大學(xué)