电容式非接触心电传感器的设计.pdf

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1、2013生仪表技术与传感器20l3第8期InstrumentTechniqueandSensorNo．8电容式非接触心电传感器的设计周平，汪丰，马腾飞，李洲铖(东南大学生物科学与医学工程学院，江苏南京210096)摘要：基于客性耦合原理，完成了非接触心电传感器的设计。针对运动伪迹问题，研究了传统的隔离层对非接触心电测量的负面影响，并采用裸露电极作为传感器的感应层；针对噪声抑制问题，证明了动态驱动屏蔽相对于接地屏蔽的性能优越性，并采用动态驱动屏蔽与优化前端滤波电路结构的方法实现了非接触心电测量。试验结果表明：该电容式心电传感器具有良好的心电测量性能，可靠性高，可用于心电信号的长时间测量。

2、关键词：心电；传感器；隔离层；动态驱动屏蔽中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1002—1841(2013)08—0005—03DesignofCapacitance--basedNon-·contactECGSensorZHOUPing，WANGFeng，MATeng—fei，LIZhou—cheng(SchoolofBiologicalScience＆MedicalEngineering，SoutheastUniversity，Narding210096，China)Abstract：Thedesignofnon-contactECGsensorwasaccomplish

3、edbasedoncapacitivecouplingtheory．Torestrainmotionar-tifacts．thebaremetalswer-eappliedaselectrodesbecausethetraditionalisolatorshadnegativeefectonnon-contactECGmeasuI．ment．Furthermore，theactivedriven-shieldmethodandoptimizedstructureoffilterswereappliedtoreducenoisebecausetheper-formanceofactive

4、driven-shieldwasbetterthanthatofground—shield．Theexperimentalresultsshowthatthecapacitance．basednon·contactsensorisreliableandhasfavorableperformance，itcanaccomplishlong-timeECGmeasurement．Keywords：ECG；sensor；isolator；activedriven-shield0引育的耦合信号，R与c反映耦合电容阻抗，R为偏置电阻，与实现诸如心电、步态与呼吸等多生理参数的长时间家庭监Ci反映后

5、续运放的输入阻抗。为简化研究，文中仅考虑传感器护是应对老龄化社会医疗方式转变的重要问题。对于心与人体间的切向运动，即认为耦合电容c为常数。图1中，电信号，虽然传统的Ag—AgCI电极在进行心电测量时具有信Q(t)即为因摩擦产生的电荷转移量。号性能较高的优点，但由于其采用的导电膏会引起皮肤过敏甚至溃烂，因此并不适用于长时间心电测量。基于容性耦合原理的非接触式心电传感器是解决这一问题的重要途径。懂-Ii目前制约非接触心电传感器应用的主要问题在于其对噪IIVc~声非常敏感，因此针对运动伪迹抑制与噪声抑制这两个影响传感器性能的关键问题进行了研究”，分别证明了隔离层对运动几伪迹抑制的负面影响与动

6、态驱动屏蔽相对于接地屏蔽的优点，并采用裸露电极、动态驱动屏蔽技术与优化滤波电路结构的方法设计完成了一种非接触式心电传感器。图1运动伪迹等效电路图1运动伪迹抑制由基尔霍夫定律，当仅存在dQ(t)／dt输入时，系统转移函基于容性耦合原理的非接触心电传感器以金属电极与人数为体作为电容的2个极板，以人体所穿衣服作为电容的中间介质，当人体电信号发生改变时即会在金属电极上产生耦合电信H(jto)=———————一(1)号H．8]。由于传感器与人体间不可避免地存在相对运动，则金ja,(cc)+赢属电极与衣服间的摩擦将产生一定的电荷转移，进而在金属电假设衣服材料为涤纶，依据RH44％条件下的纤维电荷密

7、极上形成干扰电信号，即运动伪迹。文中以图1所示等效度，假设传感器与衣服的接触面为500mm，则由于摩擦可累积电路研究影响运动伪迹抑制的电路参数。2．6×10-9C的电荷。以占空比为1％的1S方波对电荷转移进如图1所示，(t)为人体心电信号，(￡)为经电容得到行仿真，可得如图2所示的仿真结果，仿真软件为Muhisim．如图2所示，由于摩擦将在金属电极上产生19．846V的运基金项目：国家自然科学基金面上项目(61179035)；东南大学创新基金动