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CN113827248A - 一种非接触式心电检测多层复合电极系统 - Google Patents

一种非接触式心电检测多层复合电极系统 Download PDF

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CN113827248A
CN113827248A CN202111101446.XA CN202111101446A CN113827248A CN 113827248 A CN113827248 A CN 113827248A CN 202111101446 A CN202111101446 A CN 202111101446A CN 113827248 A CN113827248 A CN 113827248A
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China
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sensitive
electrode system
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CN202111101446.XA
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史斌君
冯宝亮
施长城
左国坤
吴刚
赵大正
陈静
王荣
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Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Cixi Institute of Biomedical Engineering CIBE of CAS
Original Assignee
Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Cixi Institute of Biomedical Engineering CIBE of CAS
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Abstract

本发明提供了一种非接触式心电检测多层复合电极系统，涉及心电监测技术领域。本发明所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，包括介电缓冲层、敏感层、绝缘层和参考电极层；所述介电缓冲层为可承载离子液体的介质层材料，用于增加所述敏感层与人体皮肤之间的电容；所述敏感层用于采集电压值并将所述电压值传递至信号处理电路中，以通过所述信号处理电路将所述电压值转换为心电信号；所述绝缘层用于隔绝所述敏感层和所述参考电极层；所述参考电极层与所述信号处理电路连接，用于去除工频干扰及环境噪音。本发明所述的技术方案，通过多层复合电极的设置减小心电信号在耦合过程中产生的衰减，实现有效的非接触式心电检测。

Description

一种非接触式心电检测多层复合电极系统
技术领域
本发明涉及心电监测技术领域，具体而言，涉及一种非接触式心电检测多层复合电极系统。
背景技术
中国心血管病患病率及死亡率处于上升阶段，推算心血管病现患病人数为2.9亿，心血管病死亡率仍居首位，占居民疾病死亡构成的40％以上。传统的心电检测通常采用接触式设备，然而接触式的心电检测需要电极片接触皮肤，对于皮肤敏感的患者不友好。因此近年提出采用非接触式的方式来检测人体心电信号，现有非接触式心电传感器基本都由导电电极与绝缘基底材料复合组成，少数在此基础上增加了导电屏蔽层以减少外界电磁场对于微弱信号获取的干扰。然而，现有多层复合的非接触式心电传感电极仍然存在易受到不同衣服材质、运动伪迹、静电等外界条件的干扰，难以满足在医疗床的应用场景中实现稳定检测心电信号的需求。
发明内容
本发明解决的问题是如何实现有效的非接触式心电检测。
为解决上述问题，本发明提供一种非接触式心电检测多层复合电极系统，包括介电缓冲层、敏感层、绝缘层和参考电极层；所述介电缓冲层为可承载离子液体的介质层材料，用于增加所述敏感层与人体皮肤之间的电容；所述敏感层用于采集电压值并将所述电压值传递至信号处理电路中，以通过所述信号处理电路将所述电压值转换为心电信号；所述绝缘层用于隔绝所述敏感层和所述参考电极层；所述参考电极层与所述信号处理电路连接，用于去除工频干扰及环境噪音。
本发明所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，通过多层复合电极的设置减小心电信号在耦合过程中产生的衰减，降低敏感层与人体皮肤之间的阻抗，有效避免采取非接触方式获取心电信号的干扰，从而实现有效的非接触式心电检测。
可选地，所述敏感层包括呈拱门型的第一敏感层和第二敏感层，所述第一敏感层和所述第二敏感层对称设置，所述第一敏感层和所述第二敏感层分别作为心电正极和心电负极与所述信号处理电路连接。
本发明所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，通过设置敏感层包括呈拱门型的第一敏感层和第二敏感层，有利于满足平躺、左侧身、右侧身三种不同体位下的心电检测，从而实现有效的非接触式心电检测。
可选地，所述介电缓冲层以点阵形式间隔分布在所述第一敏感层和所述第二敏感层上方，且所述第一敏感层上方的所述介电缓冲层与所述第二敏感层上方的所述介电缓冲层对称设置。
本发明所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，通过设置介电缓冲层以点阵形式间隔分布在第一敏感层和第二敏感层上方，解决人体在左、右侧躺时等效耦合电容减小的问题，以实现对心电信号的有效采集。
可选地，所述可承载离子液体的介质层材料为水凝胶、离子凝胶、湿润的海绵或织物、湿纸巾。
本发明所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，通过可承载离子液体的介质层材料，增加敏感层与人体皮肤之间的电容，以增强采集到的心电信号，从而实现有效的非接触式心电检测。
可选地，所述非接触式心电检测多层复合电极系统还包括薄膜压力传感器，所述薄膜压力传感器用于测量体位以确定人体睡姿。
本发明所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，通过设置薄膜压力传感器测量体位，有利于确定人体睡姿。
可选地，所述薄膜压力传感器包括多个压力传感单元，多个所述压力传感单元沿所述敏感层的长度方向间隔设置。
本发明所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，通过多个压力传感单元沿敏感层的长度方向间隔设置，有利于准确确定人体睡姿。
可选地，所述非接触式心电检测多层复合电极系统还包括基底层，所述基底层与所述参考电极层贴合设置，所述基底层用于支撑所述介电缓冲层、所述敏感层、所述绝缘层和所述参考电极层。
本发明所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，通过设置用于支撑介电缓冲层、敏感层、绝缘层和参考电极层的基底层，有效提高了非接触式心电检测多层复合电极系统的强度，进而能够长期实现有效的非接触式心电检测。
可选地，所述非接触式心电检测多层复合电极系统还包括多个粘合层，多个所述粘合层分别位于所述敏感层与所述绝缘层之间、所述绝缘层与所述参考电极层以及所述参考电极层与所述基底层之间。
本发明所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，通过设置多个粘合层来提高非接触式心电检测多层复合电极系统的强度，进而能够长期实现有效的非接触式心电检测。
可选地，所述信号处理电路包括依次连接的交流耦合电路、仪表放大器、高通滤波器、可调倍数运放、低通滤波器、模式转换、微处理器和数据传输模块，所述微处理器用于生成所述心电信号，所述数据传输模块用于通过有线或无线传输方式发送所述心电信号。
本发明所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，通过设置信号处理电路的具体组成，实现电压值到心电信号的转换，减少了心电检测中的各种干扰，从而实现有效的非接触式心电检测。
可选地，所述数据传输模块适于与心电数据获取与显示终端连接，所述心电数据获取与显示终端用于存储及分析所述心电信号，并将分析后的心电图显示在显示器上。
本发明所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，通过设置心电数据获取与显示终端存储及分析心电信号，并将分析后的心电图显示在显示器上，实现了心电信号的实时检测以及随时查询。
附图说明
图1为本发明实施例的非接触式心电检测多层复合电极系统的示意图；
图2为本发明实施例的非接触式心电检测多层复合电极系统的应用示例图；
图3为本发明实施例的心电信号处理传输图；
图4为本发明实施例的心电信号图形显示；
图5为本发明实施例的敏感层的改进形状之一；
图6为本发明实施例的敏感层的改进形状之二；
图7为本发明实施例的敏感层的改进形状之三。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
如图1所示，本发明实施例提供一种非接触式心电检测多层复合电极系统，包括介电缓冲层、敏感层、绝缘层和参考电极层；所述介电缓冲层为可承载离子液体的介质层材料，用于增加所述敏感层与人体皮肤之间的电容；所述敏感层用于采集电压值并将所述电压值传递至信号处理电路中，以通过所述信号处理电路将所述电压值转换为心电信号；所述绝缘层用于隔绝所述敏感层和所述参考电极层；所述参考电极层与所述信号处理电路连接，用于去除工频干扰及环境噪音。
具体地，在本实施例中，非接触式心电检测多层复合电极系统包括介电缓冲层、敏感层、绝缘层和参考电极层。介电缓冲层为可承载离子液体的介质层材料，增加敏感层与人体皮肤之间的电容，降低敏感层与人体皮肤之间的阻抗，使得隔绝棉质床单和衣物的情况下，仍能得到较好的心电信号。敏感层用于产生耦合电容，并通过边缘焊接的导线实时将电压值传递到信号处理电路中进行之后的滤波等等的信号处理。绝缘层用于隔绝敏感层和参考电极层。参考电极层也称右腿驱动电极，通过其边缘焊接的导线连接到信号处理电路中，用于去除工频干扰以及环境中的噪音。
其中，心电信号具有微弱性(一般只有0.05mV～5mV)、不稳定性(人体电信号处于动态变化之中)、低频特性(人体心电信号的频谱范围主要集中在0.05～100Hz)及随机性(人体的不均匀性以及可接收多通道输入，信息易随外界干扰而变化，从而使心电信号表现出随机性)。考虑到心电信号上述特性，本实施例设置多层复合电极，通过可承载离子液体的介质层材料，增加敏感层与人体皮肤之间的电容，以增强采集到的心电信号。
其中，由于供电网络无所不在，因此50Hz的工频干扰是最普遍的，也是心电信号的主要干扰来源。它主要通过人体和测量系统的输入导线的电容性耦合，以位移电流的形式引入，其强度足以淹没有用的心电信号。工频干扰以及环境中的噪音主要通过参考电极层去除，同时由于信号处理所采用的电子设备本身也会产生仪器噪声，这类干扰一般具有较高的频率特性，可以通过后文提到的低通滤波加以滤除。
在本实施例中，通过多层复合电极的设置减小心电信号在耦合过程中产生的衰减，降低敏感层与人体皮肤之间的阻抗，有效避免采取非接触方式获取心电信号的干扰，从而实现有效的非接触式心电检测。
可选地，所述敏感层包括呈拱门型的第一敏感层和第二敏感层，所述第一敏感层和所述第二敏感层对称设置，所述第一敏感层和所述第二敏感层分别作为心电正极和心电负极与所述信号处理电路连接。
具体地，在本实施例中，结合图1至图3所示，敏感层包括呈拱门型的第一敏感层和第二敏感层，拱门型指的是类似“π”的形状。第一敏感层和所述第二敏感层对称设置，第一敏感层和第二敏感层分别作为心电正极和心电负极与信号处理电路连接。
由于人们在实际睡眠中不间断变化的身体姿势对采集效果有影响。人体睡眠状态至少存在着平躺、左侧身、右侧身三种不同体位，从而导致人体与传感器接触面积不同，尤其侧躺的方式会明显干扰信号的质量。在进行电极尺寸设计时考虑了以下几方面的影响：首先，电极面积过大会引入更多的噪声，影响检测到心电信号的质量；其次，电极面积过小会导致人们在睡眠当中因在床上的位置不同和睡姿变换而使耦合电容的有效面积减小。考虑到一般成年男性和女性的肩宽平均尺寸分别为37.5cm和35.1cm左右，单人床的标准宽度为90cm，且人们在侧躺时一般不会在床的中心或两侧边缘的位置。基于以上因素，本实施例将电极设计为长度50cm且两处凸起的拱门型电极，以解决人体在左、右侧躺时等效耦合电容减小的问题。
其中，结合图5至图7所示，对两处凸起的形状进行改进，同样也能防止电极面积过大引入更多的噪声，解决人体在左、右侧躺时等效耦合电容减小的问题。
在本实施例中，通过设置敏感层包括呈拱门型的第一敏感层和第二敏感层，有利于满足平躺、左侧身、右侧身三种不同体位下的心电检测，从而实现有效的非接触式心电检测。
可选地，所述介电缓冲层以点阵形式间隔分布在所述第一敏感层和所述第二敏感层上方，且所述第一敏感层上方的所述介电缓冲层与所述第二敏感层上方的所述介电缓冲层对称设置。
具体地，在本实施例中，介电缓冲层以点阵形式间隔分布在第一敏感层和第二敏感层上方，且第一敏感层上方的介电缓冲层与第二敏感层上方的介电缓冲层对称设置。以点阵形式间隔分布在第一敏感层和第二敏感层上方的介电缓冲层，解决人体在左、右侧躺时等效耦合电容减小的问题。由于第一敏感层和第二敏感层分别作为心电正极和心电负极与信号处理电路连接，因此需要将第一敏感层上方的介电缓冲层与第二敏感层上方的介电缓冲层对称设置，以实现对心电信号的有效采集。
在本实施例中，通过设置介电缓冲层以点阵形式间隔分布在第一敏感层和第二敏感层上方，解决人体在左、右侧躺时等效耦合电容减小的问题，以实现对心电信号的有效采集。
可选地，所述可承载离子液体的介质层材料为水凝胶、离子凝胶、湿润的海绵或织物、湿纸巾。
具体地，在本实施例中，可承载离子液体的介质层材料为水凝胶、离子凝胶、湿润的海绵或织物、湿纸巾，以一种使用海藻酸盐制作的多糖水凝胶(AHS)为例，在敏感层上方以点阵的形式覆盖AHS，以减小心电信号在耦合过程中产生的衰减，所含的水分子也降低了阻抗。电容测量实验的结果表明，AHS的加入使得电容数值增加了4倍，总阻抗减小了135倍。AHS的有效使用寿命达3个月，超出时间后由于失水，离子移动速度显著变慢，此时需要更换新的AHS来保证心电信号的正常检测。AHS的配制中使用到了水，但是在使用过程中并不会造成湿度过大的问题，可以保证长期的使用。
在本实施例中，通过可承载离子液体的介质层材料，增加敏感层与人体皮肤之间的电容，以增强采集到的心电信号，从而实现有效的非接触式心电检测。
可选地，所述非接触式心电检测多层复合电极系统还包括薄膜压力传感器，所述薄膜压力传感器用于测量体位以确定人体睡姿。
具体地，在本实施例中，非接触式心电检测多层复合电极系统还包括薄膜压力传感器，薄膜压力传感器用于测量体位以确定人体睡姿。人体睡眠状态至少存在着平躺、左侧身、右侧身三种不同体位，不同人体睡姿对应不同位置的介电缓冲层、敏感层等，根据薄膜压力传感器的触发可以记录睡眠过程中的体位信息。
在本实施例中，通过设置薄膜压力传感器测量体位，有利于确定人体睡姿。
可选地，所述薄膜压力传感器包括多个压力传感单元，多个所述压力传感单元沿所述敏感层的长度方向间隔设置。
具体地，在本实施例中，薄膜压力传感器包括多个压力传感单元，多个压力传感单元沿敏感层的长度方向间隔设置。如图1所示，A0--A7共计八个压力传感单元沿敏感层的长度方向间隔设置，有利于准确确定人体睡姿。
在本实施例中，通过多个压力传感单元沿敏感层的长度方向间隔设置，有利于准确确定人体睡姿。
可选地，所述非接触式心电检测多层复合电极系统还包括基底层，所述基底层与所述参考电极层贴合设置，所述基底层用于支撑所述介电缓冲层、所述敏感层、所述绝缘层和所述参考电极层。
具体地，在本实施例中，非接触式心电检测多层复合电极系统还包括基底层(图1所示的基层)，基底层与参考电极层贴合设置，基底层用于支撑介电缓冲层、敏感层、绝缘层和参考电极层。由于基底层直接与床椅贴合，且基底层承接了人体的大部分重量，因此基底层的设置有效提高了非接触式心电检测多层复合电极系统的强度，进而能够长期实现有效的非接触式心电检测。
在本实施例中，通过设置用于支撑介电缓冲层、敏感层、绝缘层和参考电极层的基底层，有效提高了非接触式心电检测多层复合电极系统的强度，进而能够长期实现有效的非接触式心电检测。
可选地，所述非接触式心电检测多层复合电极系统还包括多个粘合层，多个所述粘合层分别位于所述敏感层与所述绝缘层之间、所述绝缘层与所述参考电极层以及所述参考电极层与所述基底层之间。
具体地，在本实施例中，非接触式心电检测多层复合电极系统还包括多个粘合层，多个粘合层分别位于敏感层与绝缘层之间、绝缘层与参考电极层以及参考电极层与基底层之间。由于不同层之间的连接强度较低，因此需要设置粘合层来提高非接触式心电检测多层复合电极系统的强度，进而能够长期实现有效的非接触式心电检测。
在本实施例中，通过设置多个粘合层来提高非接触式心电检测多层复合电极系统的强度，进而能够长期实现有效的非接触式心电检测。
可选地，所述信号处理电路包括依次连接的交流耦合电路、仪表放大器、高通滤波器、可调倍数运放、低通滤波器、模式转换、微处理器和数据传输模块，所述微处理器用于生成所述心电信号，所述数据传输模块用于通过有线或无线传输方式发送所述心电信号。
具体地，在本实施例中，结合图3所示，信号处理电路包括依次连接的交流耦合电路、仪表放大器、高通滤波器、可调倍数运放、低通滤波器、模式转换、微处理器和数据传输模块，微处理器用于生成心电信号，数据传输模块用于通过有线或无线传输方式发送心电信号。
心电信号先要经过前置放大电路(仪表放大器等)，被处理后的信号具有低噪声、低漂移、低共模抑制比等性能。这时候的心电信号主要受到工频、肌电等信号的干扰，可通过相关的信号调整电路对其进行处理。
由于心电信号微弱，需要多级放大，而多级直接耦合的直流放大器虽能满足要求，但多级直接耦合的直流放大器容易引起基线飘移。此外，由于极化电压存在的缘故，动态心电图机的直流放大器更不能采用多级直接耦合。因此设置高通滤波器可以在隔离直流信号的同时达到高通滤波的效果。
由于电磁干扰越来越严重，所以心电信号在采集过程中不仅有50Hz的工频干扰和低频、直流分量的干扰，还有高于100Hz高频谐波的严重干扰，因此有必要通过低通滤波器实现低通滤波。
在本实施例中，通过设置信号处理电路的具体组成，实现电压值到心电信号的转换，减少了心电检测中的各种干扰，从而实现有效的非接触式心电检测。
可选地，所述数据传输模块适于与心电数据获取与显示终端连接，所述心电数据获取与显示终端用于存储及分析所述心电信号，并将分析后的心电图显示在显示器上。
具体地，在本实施例中，数据传输模块适于与心电数据获取与显示终端连接，心电数据获取与显示终端用于存储及分析心电信号，并将分析后的心电图显示在显示器上。结合图3和图4所示，数据传输模块通过有线或无线传输方式发送心电信号到心电数据获取与显示终端，经过数字滤波和信号特征提取后，分别在显示器上显示心电图(心电信号与生命体征参数显示)，以及在存储器中储存后，记录形成文件保存，后期可随时打开研究心电信息，便于医生做出诊断。
在本实施例中，通过设置心电数据获取与显示终端存储及分析心电信号，并将分析后的心电图显示在显示器上，实现了心电信号的实时检测以及随时查询。
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非接触式心电检测多层复合电极系统，其特征在于，包括介电缓冲层、敏感层、绝缘层和参考电极层；
所述介电缓冲层为可承载离子液体的介质层材料，用于增加所述敏感层与人体皮肤之间的电容；
所述敏感层用于采集电压值并将所述电压值传递至信号处理电路中，以通过所述信号处理电路将所述电压值转换为心电信号；
所述绝缘层用于隔绝所述敏感层和所述参考电极层；
所述参考电极层与所述信号处理电路连接，用于去除工频干扰及环境噪音。
2.根据权利要求1所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，其特征在于，所述敏感层包括呈拱门型的第一敏感层和第二敏感层，所述第一敏感层和所述第二敏感层对称设置，所述第一敏感层和所述第二敏感层分别作为心电正极和心电负极与所述信号处理电路连接。
3.根据权利要求2所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，其特征在于，所述介电缓冲层以点阵形式间隔分布在所述第一敏感层和所述第二敏感层上方，且所述第一敏感层上方的所述介电缓冲层与所述第二敏感层上方的所述介电缓冲层对称设置。
4.根据权利要求3所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，其特征在于，所述可承载离子液体的介质层材料为水凝胶、离子凝胶、湿润的海绵或织物、湿纸巾。
5.根据权利要求1所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，其特征在于，还包括薄膜压力传感器，所述薄膜压力传感器用于测量体位以确定人体睡姿。
6.根据权利要求5所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，其特征在于，所述薄膜压力传感器包括多个压力传感单元，多个所述压力传感单元沿所述敏感层的长度方向间隔设置。
7.根据权利要求1所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，其特征在于，还包括基底层，所述基底层与所述参考电极层贴合设置，所述基底层用于支撑所述介电缓冲层、所述敏感层、所述绝缘层和所述参考电极层。
8.根据权利要求7所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，其特征在于，还包括多个粘合层，多个所述粘合层分别位于所述敏感层与所述绝缘层之间、所述绝缘层与所述参考电极层以及所述参考电极层与所述基底层之间。
9.根据权利要求1所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，其特征在于，所述信号处理电路包括依次连接的交流耦合电路、仪表放大器、高通滤波器、可调倍数运放、低通滤波器、模式转换、微处理器和数据传输模块，所述微处理器用于生成所述心电信号，所述数据传输模块用于通过有线或无线传输方式发送所述心电信号。
10.根据权利要求9所述的非接触式心电检测多层复合电极系统，其特征在于，所述数据传输模块适于与心电数据获取与显示终端连接，所述心电数据获取与显示终端用于存储及分析所述心电信号，并将分析后的心电图显示在显示器上。
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