專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)的電容耦合式電場(chǎng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種用于動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)的電容耦合式電場(chǎng)傳 感器。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，健康狀況已成為社會(huì)大眾關(guān)注的焦點(diǎn)。心臟疾病是造成人類(lèi)死亡的三大疾病(心臟病、腦血管病和癌癥)之一，每年由于心臟病引起的死亡人數(shù)居高不下。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)心臟病的診斷與研究一直是醫(yī)學(xué)界的一個(gè)主要課題。心臟在除極和復(fù)極的電化學(xué)活動(dòng)中產(chǎn)生了心電場(chǎng)，心電場(chǎng)在人體上產(chǎn)生了電位差，這些電位差在體表的測(cè)量就是心電圖(Electrocardiogram，簡(jiǎn)稱(chēng)ECG)。體表心電信號(hào)是心臟電生理狀態(tài)的反映，到目前為止，ECG已經(jīng)成為臨床診斷心臟病的主要工具、其中最常用的有12導(dǎo)聯(lián)心電圖和動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)Holter機(jī)。一百多年來(lái)，心電圖這種無(wú)創(chuàng)檢查技術(shù)，由于診斷可靠、方法簡(jiǎn)便、對(duì)病人無(wú)損害等優(yōu)點(diǎn)，在心臟病的診斷中發(fā)揮了重要作用。心臟病的發(fā)病有很大的偶然性和突發(fā)性，一些異常的心電信息只有在某些特殊情況下才出現(xiàn)。因此，有必要對(duì)被監(jiān)測(cè)者的心電進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的記錄與分析。動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)作為一種對(duì)心血管疾病進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)護(hù)的裝置，在臨床與健康護(hù)理中得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)較嚴(yán)重的心血管病人，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其心電信號(hào)，在他們病發(fā)時(shí)，無(wú)疑能及時(shí)獲得發(fā)病的信息并報(bào)警，從而盡早獲得救治，增加生存的機(jī)會(huì)。對(duì)一般病人和亞健康人群來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)心電、心率的變化，也能從其變化趨勢(shì)中獲得有用的信息，指導(dǎo)疾病的治療和預(yù)防。在動(dòng)態(tài)心電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)方法采用的電極是一次性Ag/AgCl粘貼電極(中心部分的泡沫材料吸有電解液)，粘貼在人體特征部位。這種電極屬一次性使用的產(chǎn)品，不能重復(fù)使用，難于實(shí)現(xiàn)對(duì)身處社區(qū)和家庭條件下的病人和老人的監(jiān)護(hù)。而且這些心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都需要電極直接接觸人體，且由于需要施加導(dǎo)電膏，容易對(duì)人體施加一定的刺激，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)會(huì)引起被監(jiān)護(hù)者皮膚的不適甚至潰爛，此外，由于導(dǎo)電膏的干燥，還會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。鑒于現(xiàn)有的Ag/AgCl濕電極的不足，本發(fā)明提出了一種新型的面向心電動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的具有集成有源敏感干電極的電容耦合式電場(chǎng)傳感器。由于采用電容耦合，而不是傳統(tǒng)的電阻耦合，傳感器的電極既可以與皮膚接觸，也可以不與皮膚接觸(比如隔著衣服進(jìn)行監(jiān)測(cè))，由于不需要導(dǎo)電膏，這種電容耦合的心電監(jiān)測(cè)方式具有準(zhǔn)備時(shí)間短，可以長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)被監(jiān)護(hù)者引起的不適小等優(yōu)點(diǎn)。此外，在電介質(zhì)層上增加一層采用聚合物制備的具有超強(qiáng)吸水性并可以緩慢釋放水分的緩沖層，通過(guò)控制敏感電極附近周?chē)植繚穸拳h(huán)境的方法，可以大大降低由于摩擦引起的靜電干擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)的電容耦合式電場(chǎng)傳感器，傳感器的敏感電極不需要與皮膚直接接觸，而且不需要導(dǎo)電膏、佩戴舒適、可以長(zhǎng)期可靠地進(jìn)行心電動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種用于動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)的電容耦合式電場(chǎng)傳感器，其敏感電極與皮膚之間采用電容耦合，不直接接觸；監(jiān)測(cè)電極包括敏感電極、有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電極、電介質(zhì)層、緩沖層，其中，敏感電極外側(cè)面覆有電介質(zhì)層，電介質(zhì)層外側(cè)面覆有緩沖層，敏感電極內(nèi)側(cè)面相對(duì)設(shè)置有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電極，有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電極與敏感電極之間相互絕緣；敏感電極以導(dǎo)線(xiàn)穿過(guò)有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電極上的通孔連接前置運(yùn)算放大器的正相輸入端，前置運(yùn)算放大器的反相輸入端與輸出端相連，構(gòu)成增益為I的跟隨電路；前置運(yùn)算放大器的輸出與有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電極相連，構(gòu)成保護(hù)結(jié)構(gòu)；前置運(yùn)算放大器的正相輸入端與輸 出端之間，跨接有自舉電路、輸入電容抵消電路，總輸出接后續(xù)信號(hào)處理系統(tǒng)；在進(jìn)行動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)時(shí)，緩沖層與皮膚或衣物接觸，由于有緩沖層、電介質(zhì)層、衣物介于敏感電極與皮膚之間，使敏感電極與皮膚不直接接觸，微弱心電信號(hào)通過(guò)電容耦合到敏感電極進(jìn)行測(cè)量。所述的電容耦合式電場(chǎng)傳感器，其所述緩沖層，是以具有超強(qiáng)吸水性，并緩慢釋放水分的聚合物材料制作(緩沖層材料既可以是類(lèi)似于尿不濕的聚合物材料，也可以是其它的吸水性強(qiáng)的聚合物材料)，通過(guò)控制緩沖層釋放水分的方法，改變敏感電極與皮膚和衣物之間的局部濕度，來(lái)抑制由于摩擦起電引起的靜電噪聲干擾。所述的電容耦合式電場(chǎng)傳感器，其所述保護(hù)結(jié)構(gòu)是一種具有單倍增益的緩沖電路，使有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電極上的電壓與敏感電極上的電壓相等，以避免外部干擾信號(hào)通過(guò)雜散電容對(duì)心電信號(hào)的干擾，降低敏感電極與地之間的等效電容，避免等效電容對(duì)微弱心電信號(hào)的分流作用。所述的電容耦合式電場(chǎng)傳感器，其所述自舉電路，跨接于前置運(yùn)算放大器的正相輸入端與輸出端之間，包括第一偏置電阻R1、第二偏置電阻R2、第一稱(chēng)合電容Cl,其中，前置運(yùn)算放大器的正相輸入端通過(guò)偏置電阻R1、R2與地相連，第一偏置電阻Rl與第二偏置電阻R2的連接點(diǎn)通過(guò)第一耦合電容Cl分別與前置運(yùn)算放大器的輸出端、反相輸入端相連。所述的電容耦合式電場(chǎng)傳感器，其所述自舉電路，為放大器提供合適的直流工作點(diǎn)，又通過(guò)使偏置電阻Rl兩端電壓近似相等的方法，采用阻值為幾十ΚΩ的偏置電阻R1、R2，即可實(shí)現(xiàn)阻值大于GQ的等效偏置電阻。所述的電容耦合式電場(chǎng)傳感器，其所述輸入電容抵消電路，跨接于前置運(yùn)算放大器的正相輸入端與輸出端之間，包括運(yùn)算放大器、反饋電阻R3、接地電阻R4、可變電阻R5、第二耦合電容C2，其中，前置運(yùn)算放大器的輸出接運(yùn)算放大器的正相輸入端，運(yùn)算放大器的輸出端通過(guò)反饋電阻R3、接地電阻R4與地相連，反饋電阻R3與接地電阻R4的連接點(diǎn)與運(yùn)算放大器反相輸入端相連；可變電阻R5 —端接運(yùn)算放大器的輸出端，另一端接地，可變電阻R5的調(diào)節(jié)端通過(guò)第二耦合電容C2與前置運(yùn)算放大器的正相輸入端相連。所述的電容耦合式電場(chǎng)傳感器，其所述輸入電容抵消電路，采用調(diào)節(jié)可變電阻R5大小，改變通過(guò)第二耦合電容C2的電流大小，補(bǔ)償了前置運(yùn)算放大器的固有輸入電容，以降低前置運(yùn)算放大器固有輸入電容，提高前置運(yùn)算放大器輸入阻抗。
所述的電容耦合式電場(chǎng)傳感器，其所述敏感電極的形狀，是圓形、橢圓形或方形其中之一，或它們的組合。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于由于被監(jiān)護(hù)者皮膚與敏感電極之間的耦合電容很小，在pF到nF量級(jí)，也就是說(shuō)微弱心電信號(hào)的源阻抗非常大，為了保證對(duì)微弱心電信號(hào)的高精度可靠探測(cè)，本發(fā)明采用自舉電路提高了前置運(yùn)算放大器的輸入電阻，采用輸入電容抵消電路降低了前置運(yùn)算放大器的固有輸入電容，實(shí)現(xiàn)了具有很高輸入阻抗的前置運(yùn)算放大器，大大降低了前置運(yùn)算放大器輸入阻抗對(duì)微弱心電信號(hào)的衰減作用；采用有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電極和保護(hù)結(jié)構(gòu)一方面降低了外部環(huán)境干擾信號(hào)通過(guò)空間雜散電容對(duì)微弱心電信號(hào)探測(cè)敏感電極的影響，另一方面降低了敏感電極與地之間漏電阻對(duì)前置運(yùn)算放大器輸入電阻的影響，和敏感電極與地之間電容對(duì)微弱心電信號(hào)的分流作用。通過(guò)在電介質(zhì)層的外表面增加一層具有超強(qiáng)吸水性，并可以緩慢釋放水分的緩沖層，通過(guò)控制敏感電極與皮膚和衣物之間局部濕度環(huán)境的方法，大大降低了由于摩擦作用弓I起的靜電噪聲干擾。


圖I是本發(fā)明一種用于動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)的電容耦合式電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明一種用于動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)的電容耦合式電場(chǎng)傳感器中自舉電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明一種用于動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)的電容耦合式電場(chǎng)傳感器中輸入電容抵消電路結(jié)構(gòu)意圖。
具體實(shí)施例方式見(jiàn)圖I、圖2和圖3，本發(fā)明的用于動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)的電容耦合式電場(chǎng)傳感器的基本結(jié)構(gòu)主要包括敏感電極I、有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電極2、電介質(zhì)層3、緩沖層4、前置運(yùn)算放大器5，保護(hù)結(jié)構(gòu)6，自舉電路7，前置運(yùn)算放大器固有輸入電容抵消電路8和后續(xù)信號(hào)處理系統(tǒng)9等組成。自舉電路包括前置運(yùn)算放大器5，第一偏置電阻Rl 7. I、第二偏置電阻R2 7. 2第一耦合電容Cl 7. 3等。前置運(yùn)算放大器固有輸入電容抵消電路包括前置運(yùn)算放大器5，運(yùn)算放大器8. I、反饋電阻R3 8. 2、接地電阻R4 8. 3、可變電阻R5 8. 4和第二耦合電容C2 8.5
坐寸ο敏感電極I連接前置運(yùn)算放大器5的正相輸入端，前置運(yùn)算放大器5的反相輸入端與輸出端相連，構(gòu)成增益為I的跟隨電路。前置運(yùn)算放大器5的輸出與有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電極2相連，構(gòu)成保護(hù)結(jié)構(gòu)6，有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電極與敏感電極之間相互絕緣，由于前置運(yùn)算放大器5的增益為1，所以有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電極2上的電壓與敏感電極I上的電壓相等，一方面可以避免外部干擾信號(hào)通過(guò)雜散電容對(duì)敏感電極I的影響，另一方面，可以大大降低敏感電極I與地之間的漏電阻對(duì)前置運(yùn)算放大器5輸入阻抗的影響，和敏感電極I與地之間電容對(duì)微弱心電信號(hào)的分流作用。電介質(zhì)層3位于敏感電極I表面,緩沖層4位于電介質(zhì)層I表面，在進(jìn)行動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)時(shí)，緩沖層4與皮膚或衣物接觸，由于有緩沖層4、電介質(zhì)層3和衣物等的存在，敏感電極I與皮膚不直接接觸，微弱心電信號(hào)通過(guò)電容耦合到敏感電極I進(jìn)行測(cè)量。前置運(yùn)算放大器5的輸出經(jīng)自舉電路7和輸入電容抵消電路8處理后，接后續(xù)信號(hào)處理系統(tǒng)9。自舉電路7的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)如圖2所示，前置運(yùn)算放大器5的負(fù)相輸入端與輸出相連，構(gòu)成增益為I的跟隨電路，前置運(yùn)算放大器的正相輸入端通過(guò)第一偏置電阻Rl 7. I、第二偏置電阻R2 7. 2與地相連，第一偏置電阻Rl與第二偏置電阻R2的連接點(diǎn)通過(guò)第一耦合電容Cl 7.3與前置運(yùn)算放大器5的輸出端相連。輸入電容抵消電路8的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)如圖3所示，前置運(yùn)算放大器5的負(fù)相輸入端與輸出相連，構(gòu)成增益為I的跟隨電路，前置運(yùn)算放大器5的輸出接運(yùn)算放大器8. I的正相輸入端，運(yùn)算放大器8. I的輸出端通過(guò)反饋電阻R3 8. 2和接地電阻R4 8. 3與地相連，反饋電阻R3與接地電阻R4的連接點(diǎn)與運(yùn)算放大器8. I的反 相輸入端相連?？勺冸娮鑂5 8. 4 —端接運(yùn)算放大器8. I的輸出端，一端接地，可變電阻R5的調(diào)節(jié)端通過(guò)第二耦合電容C2 8. 5與前置運(yùn)算放大器5的正相輸入端相連。
權(quán)利要求
1.一種用于動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)的電容稱(chēng)合式電場(chǎng)傳感器，其特征在于，監(jiān)測(cè)電極與皮膚之間采用電容耦合，不直接接觸； 監(jiān)測(cè)電極包括敏感電極、有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電極、電介質(zhì)層、緩沖層，其中，敏感電極外側(cè)面覆有電介質(zhì)層，電介質(zhì)層外側(cè)面覆有緩沖層，敏感電極內(nèi)側(cè)面相對(duì)設(shè)置有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電極，有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電極與敏感電極之間相互絕緣； 敏感電極以導(dǎo)線(xiàn)穿過(guò)有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電極上的通孔連接前置運(yùn)算放大器的正相輸入端，前置運(yùn)算放大器的反相輸入端與輸出端相連，構(gòu)成增益為I的跟隨電路；前置運(yùn)算放大器的輸出與有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電極相連，構(gòu)成保護(hù)結(jié)構(gòu)；前置運(yùn)算放大器的正相輸入端與輸出端之間，跨接有自舉電路、輸入電容抵消電路，總輸出接后續(xù)信號(hào)處理系統(tǒng)； 在進(jìn)行動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)時(shí)，緩沖層與皮膚或衣物接觸，由于有緩沖層、電介質(zhì)層、衣物介于敏感電極與皮膚之間，使敏感電極與皮膚不直接接觸，微弱心電信號(hào)通過(guò)電容耦合到敏感電極進(jìn)行測(cè)量。
2.如權(quán)利要求I所述的電容耦合式電場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述緩沖層，是以具有超強(qiáng)吸水性，并緩慢釋放水分的聚合物材料制作，通過(guò)控制緩沖層釋放水分的方法，改變敏感電極與皮膚和衣物之間的局部濕度，來(lái)抑制由于摩擦起電引起的靜電噪聲干擾。
3.如權(quán)利要求I所述的電容耦合式電場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述保護(hù)結(jié)構(gòu)是一種具有單倍增益的緩沖電路，使有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電極上的電壓與敏感電極上的電壓相等，以避免外部干擾信號(hào)通過(guò)雜散電容對(duì)心電信號(hào)的干擾，降低敏感電極與地之間的等效電容，避免等效電容對(duì)微弱心電信號(hào)的分流作用。
4.如權(quán)利要求I所述的電容耦合式電場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述自舉電路，跨接于前置運(yùn)算放大器的正相輸入端與輸出端之間，包括第一偏置電阻R1、第二偏置電阻R2、第一耦合電容Cl，其中，前置運(yùn)算放大器的正相輸入端通過(guò)第一偏置電阻R1、第二偏置電阻R2與地相連，第一偏置電阻Rl與第二偏置電阻R2的連接點(diǎn)通過(guò)第一耦合電容Cl分別與前置運(yùn)算放大器的輸出端、反相輸入端相連。
5.如權(quán)利要求I所述的電容耦合式電場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述輸入電容抵消電路，跨接于前置運(yùn)算放大器的正相輸入端與輸出端之間，包括運(yùn)算放大器、反饋電阻R3、接地電阻R4、可變電阻R5、第二耦合電容C2，其中，前置運(yùn)算放大器的輸出接運(yùn)算放大器的正相輸入端，運(yùn)算放大器的輸出端通過(guò)反饋電阻R3、接地電阻R4與地相連，反饋電阻R3與接地電阻R4的連接點(diǎn)與運(yùn)算放大器反相輸入端相連；可變電阻R5 —端接運(yùn)算放大器的輸出端，另一端接地，可變電阻R5的調(diào)節(jié)端通過(guò)第二耦合電容C2與前置運(yùn)算放大器的正相輸入端相連。
6.如權(quán)利要求I或5所述的電容稱(chēng)合式電場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述輸入電容抵消電路，采用調(diào)節(jié)可變電阻R5大小，改變通過(guò)第二耦合電容C2的電流大小，補(bǔ)償了前置運(yùn)算放大器的固有輸入電容，以降低前置運(yùn)算放大器固有輸入電容，提高前置運(yùn)算放大器輸入阻抗。
7.如權(quán)利要求I所述的電容耦合式電場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述敏感電極的形狀，是圓形、橢圓形或方形其中之一，或它們的組合。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)的電容耦合式電場(chǎng)傳感器，涉及傳感器技術(shù)，主要由敏感電極、有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電極、電介質(zhì)層、緩沖層、前置運(yùn)算放大器及后續(xù)信號(hào)處理系統(tǒng)等組成。前置運(yùn)算放大器集成有保護(hù)結(jié)構(gòu)、自舉電路和輸入電容抵消電路；在電介質(zhì)層上增加一層采用聚合物材料制備的具有超強(qiáng)吸水性并可緩慢釋放水分的緩沖層。本發(fā)明傳感器由于采用電容耦合的方式進(jìn)行心電監(jiān)測(cè)，電極不需要與皮膚直接接觸，因而具有不需要導(dǎo)電膏、佩戴舒適、便于長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，此外，通過(guò)控制緩沖層釋放水分的方法，改變敏感電極與皮膚和衣物之間局部濕度環(huán)境，可以大大降低由于摩擦引起的靜電噪聲干擾。
文檔編號(hào)A61B5/0402GK102973261SQ20111025811
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2011年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月2日
發(fā)明者陳賢祥, 夏善紅, 任仁, 呂元生, 趙龍鳳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所