CN109171700B

CN109171700B - 一种生理电检测用屏蔽有源电极

Info

Publication number: CN109171700B
Application number: CN201811199712.5A
Authority: CN
Inventors: 刘红星; 屈永东; 刘乐
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Suzhou Greede Medical Sensor Technology Co ltd
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2018-10-11
Publication date: 2021-12-28
Anticipated expiration: 2038-10-11
Also published as: CN109171700A; WO2020073979A1

Abstract

本发明涉及一种生理电检测用屏蔽有源电极，其特征在于，(1)它包括上中下三块PCB板，三块PCB板叠在一起，通过焊缝焊为一个整体；(2)每块PCB板都至少有2层敷铜屏蔽层，每块PCB板的所有敷铜屏蔽层通过镀铜通孔连通；(3)上中下三块PCB板的屏蔽体通过板间焊缝焊接，形成一个完整屏蔽体；(4)运算放大器等器件分布在下PCB板的上表层或上PCB板的下表层，被完整屏蔽体所包围。本屏蔽有源电极方案，连接牢靠，结构紧凑，屏蔽效果好，能有效抑制干扰和噪声，特别是手机干扰。

Description

一种生理电检测用屏蔽有源电极

技术领域

本申请涉及一种生理电检测用屏蔽有源电极。

生理电信号指心电、脑电、肌电等携带生理信息的电信号。有源电极(ActiveElectrodes，AE)，即内置有一些检测电路的电极，它在生理信号检测特别是可穿戴场合中的应用越来越多。其原因是：有源电极在测点附近由其内置电路实现阻抗转换，其低的输出阻抗可提高检测电路的精度和对环境干扰的鲁棒性，如抑制50Hz或60Hz交流干扰、减弱线缆运动伪迹(cable motion artifacts)等。对有源电极安排屏蔽处理，可进一步抑制50Hz或60Hz交流干扰、减弱线缆运动伪迹，同时，还能有效抑制手机等的射频干扰。

背景技术

有源电极的屏蔽，就电路而言，有两种方式，一种是将有源电极的输出直接连至屏蔽体，一种是将有源电极的“虚拟”地通过电压跟随器连至屏蔽体，分别如附图6、附图7所示。不管怎样的屏蔽电路，目前，关于屏蔽体的样式主要是两种，一种是单块PCB线路板样式，一种是单块PCB线路板加屏蔽罩样式。

第一种屏蔽体单块PCB线路板样式，如附图8所示，通过设置屏蔽层、屏蔽环来起到一定屏蔽作用，但屏蔽面不够大。在附图8例中，检测盘连接运算放大器输入，运算放大器输出连接屏蔽体，镀铜通孔连通各屏蔽层/环，但上部器件层的运算放大器等器件裸露、无屏蔽。附图8中的有源电极用于非接触检测，故在屏蔽环和检测盘上面设置了绝缘层。

另一种屏蔽体样式——单块PCB线路板加屏蔽罩，如附图9所示。尽管此样式由于屏蔽罩的使用，增大了屏蔽面积，但屏蔽罩的固定安装不方便。

专利申请“一种用于生理电信号检测的有源电极”(申请号201810180948.8)中，申请保护一种有源电极电路方案，如图5所示，其特征在于，它的电路包括电压跟随基本电路、“虚拟地”反馈电路和直流电源三个部分，直流电源给电压跟随基本电路、“虚拟地”反馈电路供电；电压跟随基本电路是一个基于运算放大器的电压跟随器，其输入为人体测点电位，并输出电位给后端电路；“虚拟地”反馈电路主要包括一个基于运算放大器的电压跟随器和一个限流电阻，“虚拟地”依次通过电压跟随器和限流电阻反馈至人体体表。附图5中，v₊和v_-为直流电源的正负两端；体表测点A处的电位v_in输入运算放大器A1，其输出v_out连接至后端电路，构成有源电极的电压跟随基本电路；直流电源正负两端v₊和v_-的旁路，串接两等值电阻 R，则两电阻R中间连接点G的电位为(v₊+v_-)/2，不妨叫电源两端中点电位点，形成“虚拟地”，再将“虚拟地”电位输入基于运算放大器的电压跟随器A2，其输出通过限流电阻r反馈至体表另一点F，构成“虚拟地”反馈电路。此专利申请保护的是有源电极的基本电路部分方案，对有源电极的屏蔽部分并没有给予限定。

参考文献：

[1]Jiawei Xu，Srinjoy Mitra，Chris Van Hoof，Refet Firat Yazicioglu andKofi A.A.Makinwa，Active Electrodes for Wearable EEG Acquisition：Review andElectronics Design Methodology，DOI 10.1109/RBME.2017.2656388.IEEE Reviews inBiomedical Engineering

[2]刘红星，屈永东，刘乐：一种用于生理电信号检测的有源电极，专利申请201810180948.8，申请日20180302

[3]刘红星，刘乐，屈永东：一种面向有源电极的多功能心电检测肢体夹，专利申请201810370809.1，申请日20180424

发明内容

发明目的。

提出一种生理电检测用屏蔽有源电极方案，一方面有大的屏蔽面积、保障屏蔽效果，另一方面安装固定方便可靠。

技术方案。

本发明涉及一种生理电检测用屏蔽有源电极，其特征在于， (1) 它包括上中下三块 PCB 板，三块 PCB 板叠在一起，通过焊缝焊为一个整体； (2) 每块 PCB 板都至少有 2层敷铜屏蔽层，每块 PCB 板的所有敷铜屏蔽层通过镀铜通孔连通； (3) 上中下三块 PCB板的屏蔽层通过板间焊缝焊接，形成一个完整屏蔽体； (4) 器件分布在下 PCB 板的上表层或上 PCB 板的下表层，被完整屏蔽体所包围，所述器件包括运算放大器。其整体结构见附图 1 所示，上中下三块 PCB 板的结构示意图分别见附图 2 、附图 3 和附图 4 所示。

根据以上所述的一种生理电检测用屏蔽有源电极，其特征在于，它的电路包括电压跟随基本电路、“虚拟地”反馈电路、屏蔽电路和直流电源四个部分，直流电源给电压跟随基本电路、“虚拟地”反馈电路和屏蔽电路三部分供电；电压跟随基本电路是一个基于运算放大器的电压跟随器，其输入为人体测点电位，并输出电位给后端电路；“虚拟地”反馈电路主要包括一个基于运算放大器的电压跟随器和一个限流电阻，“虚拟地”依次通过电压跟随器和限流电阻反馈至人体体表；屏蔽电路将电压跟随基本电路的输出连接至屏蔽体。见附图6所示。附图6中，v₊和v_-为直流电源的正负两端；体表测点A处的电位v_in输入运算放大器A1，其输出v_out连接至后端电路，构成有源电极的电压跟随基本电路；直流电源正负两端v₊和v_-的旁路，串接两等值电阻R，则两电阻R中间连接点G的电位为(v₊+v_-)/2，不妨叫电源两端中点电位点，形成“虚拟地”，再将“虚拟地”电位输入基于运算放大器的电压跟随器A2，其输出通过限流电阻r反馈至体表另一点F，构成“虚拟地”反馈电路；输出v_out同时与屏蔽体连接，见附图6中S点，形成屏蔽电路。

根据以上所述的一种生理电检测用屏蔽有源电极，其特征在于，它的电路包括电压跟随基本电路、“虚拟地”反馈电路、屏蔽电路和直流电源四个部分，直流电源给电压跟随基本电路、“虚拟地”反馈电路和屏蔽电路三部分供电；电压跟随基本电路是一个基于运算放大器的电压跟随器，其输入为人体测点电位，并输出电位给后端电路；“虚拟地”反馈电路主要包括一个基于运算放大器的电压跟随器和一个限流电阻，“虚拟地”依次通过电压跟随器和限流电阻反馈至人体体表；屏蔽电路将“虚拟地”通过一个电压跟随电路后连至屏蔽体。见附图7 所示。附图7中，v₊和v_-为直流电源的正负两端；体表测点A处的电位v_in输入运算放大器 A1，其输出v_out连接至后端电路，构成有源电极的电压跟随基本电路；直流电源正负两端v₊和v_-的旁路，串接两等值电阻R，则两电阻R中间连接点G的电位为(v₊+v_-)/2，不妨叫电源两端中点电位点，形成“虚拟地”，再将“虚拟地”电位输入基于运算放大器的电压跟随器 A2，其输出通过限流电阻r反馈至体表另一点F，构成“虚拟地”反馈电路；同时，将“虚拟地”电位输入基于运算放大器的电压跟随器A3，并将A3输出与屏蔽体连接，见附图7中S点，形成屏蔽电路。

根据以上所述的一种生理电检测用屏蔽有源电极，其特征在于，上中下三块PCB板上不仅都有连接板内不同敷铜屏蔽层的镀铜通孔若干，而且每个PCB上还有2个定位通孔，三块 PCB板上的定位通孔的位置对应，以方便将三块PCB板叠放和焊接时的板间定位。见附图2、附图3和附图4所示。

有益效果。

本屏蔽有源电极方案，采用三块PCB板叠焊一起的设计，非常牢靠，连一个螺丝钉都不用，而且板间连接焊缝兼做走线，结构紧凑，很巧妙。另一方面，与单块PCB板屏蔽样式有源电极相比，它有比较完整的屏蔽体，屏蔽效果更好。

发明人按提出的本技术方案制作了屏蔽有源电极，详见实施例，并进行了对比性测试实验。测试装置的核心模块是NI公司的USB 6289模块，连接计算机并编写相应软件，构建了一套高精度的带信号处理功能的2路电压同步采集系统。用此系统以差分模式同步采集两路电压信号，一路为基于非屏蔽有源电极的左臂一点对右臂一点的电压信号，附图10中靠近手腕两个电极夹为非屏蔽有源电极夹，另一路为基于本发明屏蔽有源电极的左臂一点对右臂一点的电压信号——附图10中远离手腕的两电极夹为本发明屏蔽有源电极。

测试实验。同步采样率设置为128kHz，对同步采集的两路信号均进行通带为0.5-80Hz 的一实时FIR带通滤波，滤波器的单位样值响应h(n)长度取为10秒。受试者保持安静、电缆不动，数据记录期间，旁人拨打受试者的手机形成干扰。附图12为此情况下记录的两路信号的波形；附图12中，上两图分别为基于无屏蔽有源电极的信号波形图和频谱图，下两图分别为基于本发明屏蔽有源电极的信号波形图和频谱图。显然，无屏蔽有源电极的检测结果中显示出强的手机干扰，而本发明屏蔽有源电极的检测结果中几乎看不到此项干扰。经多位受试者的多次实验，结论一致。显示出本发明强的抗手机干扰的效果。

附图说明

图1，本发明屏蔽有源电极整体结构示意图

图2，本发明屏蔽有源电极上PCB板结构示意图

图3，本发明屏蔽有源电极中PCB板结构示意图

图4，本发明屏蔽有源电极下PCB板结构示意图

图5，先前发明的一种有源电极基本电路原理示意图

图6，本发明有源电极输出驱动屏蔽体示意图

图7，本发明有源电极电路“虚拟地”驱动屏蔽体示意图

图8，传统的单块PCB线路板屏蔽体样式示意图

图9，传统的单块PCB线路板加屏蔽罩屏蔽样式示意图

图10，屏蔽有源与非屏蔽有源电极对比性测试中电极安置位置示意图

图11，实现的屏蔽有源电极夹组成示意图

图12，本发明屏蔽有源电极对比性测试结果示意图

实施例

按本发明技术方案，依据附图6电路图，分别设计上中下三块PCB图并制作实物，焊接三块板的器件，并将上中下三块板叠焊在一起，则形成本屏蔽有源电极的本体模块，如附图 11左上部图所示，同时，按专利申请“一种面向有源电极的多功能心电检测肢体夹”(申请号201810370809.1申请日20180424)制作双柱肢体夹，如附图11右上部图所示，将它们组合，则形成了完整的夹式屏蔽有源电极，如图11下部所示。实施中，直流电源选择了3V的电池CR2032，作为核心器件的两个运算放大器A1和A2选择了OPA320，两电阻R选择了 100kΩ，限流电阻r不失一般性为方便起见选择了0Ω。实施中，上中下三块PCB板的连接焊缝安排了4个，如附图2、图3和图4所示；器件仅安排在下PCB板的上表面，相应4个焊缝同时分别起电源v₊、v_-、输出v_out和屏蔽体的板间连线作用。输入端的一个测头和一个反馈接头都采用了凹形钮扣，输出端的接头采用了凸形钮扣。

发明人也有按附图7屏蔽方式进行了实施，A3选择了OPA320，其他部分基本同附图6 的实施。

对基于附图6和附图7两种方式实施的屏蔽有源电极，均进行了上面的对比性测试实验，均取得了优异的屏蔽效果，见附图12所示。

Claims

1.一种生理电检测用屏蔽有源电极，其特征在于，(1)它包括上中下三块PCB板，三块PCB板叠在一起，通过焊缝焊为一个整体；(2)每块PCB板都至少有2层敷铜屏蔽层，每块PCB板的所有敷铜屏蔽层通过镀铜通孔连通；(3)上中下三块PCB板的屏蔽层通过板间焊缝焊接，形成一个完整屏蔽体；(4)器件分布在下PCB板的上表层或上PCB板的下表层，被完整屏蔽体所包围，所述器件包括运算放大器。

2.根据权利要求1所述的一种生理电检测用屏蔽有源电极，其特征在于，它的电路包括电压跟随基本电路、“虚拟地”反馈电路、屏蔽电路和直流电源四个部分，直流电源给电压跟随基本电路、“虚拟地”反馈电路和屏蔽电路三部分供电；电压跟随基本电路是一个基于运算放大器的电压跟随器，其输入为人体测点电位，并输出电位给后端电路；“虚拟地”反馈电路主要包括一个基于运算放大器的电压跟随器和一个限流电阻，“虚拟地”依次通过电压跟随器和限流电阻反馈至人体体表；屏蔽电路将电压跟随基本电路的输出连接至屏蔽体。

3.根据权利要求1所述的一种生理电检测用屏蔽有源电极，其特征在于，它的电路包括电压跟随基本电路、“虚拟地”反馈电路、屏蔽电路和直流电源四个部分，直流电源给电压跟随基本电路、“虚拟地”反馈电路和屏蔽电路三部分供电；电压跟随基本电路是一个基于运算放大器的电压跟随器，其输入为人体测点电位，并输出电位给后端电路；“虚拟地”反馈电路主要包括一个基于运算放大器的电压跟随器和一个限流电阻，“虚拟地”依次通过电压跟随器和限流电阻反馈至人体体表；屏蔽电路将“虚拟地”通过一个电压跟随电路后连至屏蔽体。

4.根据权利要求1所述的一种生理电检测用屏蔽有源电极，其特征在于，上中下三块PCB板上不仅都有连接板内不同敷铜屏蔽层的镀铜通孔若干，而且每个PCB上还有2个定位通孔，三块PCB板上的定位通孔的位置对应，以方便将三块PCB板叠放和焊接时的板间定位。