阅读说明：本技术 一种用于人体生物电信号采集的电容耦合pcb电极结构 (Capacitive coupling PCB electrode structure for collecting human body bioelectricity signals ) 是由 李江涛 汪毅峰 徐峥一 何双 赵政 曹晖 李运甲 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于人体生物电信号采集的电容耦合PCB电极结构,采用下绝缘层、上绝缘层和双级交流自举缓冲电路,交流自举电路通过在运算放大器AMP1输出端和信号输入端引入正反馈,使得流过电阻R1的电流接近于0,运算放大器AMP1获得TΩ级别超高的输入阻抗,电阻R2与电阻R1对输入信号形成分压,可以调节电阻R2的大小控制信号的增益倍数,电容C1可以控制电路的相频特性,通过增大电容C1的大小可以保证超低频的输入信号与运算放大器AMP1的输出信号保持同相位。具有超高输入阻抗的电容耦合PCB电极可以隔着空气、毛发和衣服等绝缘物体耦合生物电信号,提高了生物电信号采集的舒适性、便携性和安全性。(The invention discloses a capacitive coupling PCB electrode structure for collecting human body bioelectricity signals, which adopts a lower insulating layer, an upper insulating layer and a two-stage alternating-current bootstrap buffer circuit, wherein the alternating-current bootstrap circuit leads positive feedback to the output end and the signal input end of an operational amplifier AMP1, so that the current flowing through a resistor R1 is close to 0, the operational amplifier AMP1 obtains input impedance with ultra-high T omega level, the resistor R2 and the resistor R1 form partial pressure on input signals, the gain multiple of a size control signal of the resistor R2 can be adjusted, a capacitor C1 can control the phase-frequency characteristic of the circuit, and the input signal with ultra-low frequency and the output signal of the operational amplifier AMP1 can be kept in phase by increasing the size of the capacitor C1. The capacitive coupling PCB electrode with ultrahigh input impedance can be used for coupling the bioelectricity signals by insulating objects such as air, hair and clothes, and the like, so that the comfort, portability and safety of bioelectricity signal acquisition are improved.)

一种用于人体生物电信号采集的电容耦合PCB电极结构

技术领域

本发明属于电容耦合PCB电极，具体涉及一种用于人体生物电信号采集的电容耦合PCB电极结构。

背景技术

心电图(ECG)、脑电图(EEG)、肌电图(EMG)和眼电图(EOG)等各种人体生物电信号包含丰富的人体功能状态信息，已经被广泛应用于医学临床检测和科学研究领域。借助现代医疗仪器技术，已经可以以非侵入且较方便的方式利用人体生物电信号来进行临床生理监测、辅助诊疗、个人日常健康管理以及健康大数据服务等活动。随着我国确诊慢性病患者呈逐年快速上升的趋势发展，现代医疗模式已经逐渐从以医院为中心转变为以个人、家庭为中心的分布式医疗，所以人们希望借助更加便捷的手段对自身的各种生物电信号进行监测，这就要求更具准确性、舒适性和可操作性的生物电信号采集装置。

电极是生物电信号采集装置的关键部件，按照工作原理划分目前已有湿式电极、干式电极和电容耦合电极三种类别。其中，湿式电极在使用时需要导电胶配合使用，干式电极则需要直接将金属电极与皮肤紧密接触。这两种电极在使用过程中具有佩戴舒适性差、导电胶凝固、电极脱落、需要定期更换、长期佩戴会损害皮肤等明显缺点。电容耦合式电极在使用时不需要金属件与皮肤的接触，可以隔着空气、毛发和衣服等绝缘物体耦合生物电信号，有效避免上述缺点，但电极与皮肤间的耦合电容仅为10pF左右导致电极与皮肤间的容抗很高，而现有电容耦合电极上的采集电路的输入阻抗有限，使得电极不具备无损捕捉生物电信号的能力和较好的抗干扰能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于人体生物电信号采集的电容耦合PCB电极结构，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于人体生物电信号采集的电容耦合PCB电极结构，包括下绝缘层、上绝缘层和双级交流自举缓冲电路，下绝缘层的内侧设有耦合电极，耦合电极外圈设有屏蔽圆环，下绝缘层的外侧用于贴设人体，上绝缘层的内侧设有覆铜屏蔽层；双级交流自举缓冲电路包括运算放大器AMP1、运算放大器AMP2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2，运算放大器AMP1的反相输入端连接电容C1的一端、电容C2的一端、运算放大器AMP1的输出端和屏蔽圆环，运算放大器AMP1的同向输入端连接电阻R1的和耦合电极，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端和电容C1的另一端，电阻R2的另一端连接覆铜屏蔽层后接REF；电容C2的另一端连接电阻R3的一端和运算放大器AMP2的同向输入端，电阻R3的另一端接REF，运算放大器AMP2的反向输入端连接电阻R4的一端作为输出端，电阻R4的另一端连接运算放大器AMP2的输出端；双级交流自举缓冲电路的输入阻抗可达TΩ级别。

进一步的，下绝缘层和上绝缘层设置于双层PCB基板的外侧两侧。

进一步的，下绝缘层设有耦合电极的一侧与上绝缘层设有覆铜屏蔽层的一侧通过绝缘树脂层密封。

进一步的，PCB基板为双层薄板，厚度为1.0mm，直径为22mm。

进一步的，上绝缘层和下绝缘层的厚度均为35μm。

进一步的，耦合电极和屏蔽圆环的厚度为70μm。

进一步的，屏蔽圆环内、外径差为1mm。

进一步的，覆铜屏蔽层厚度为35μm，并与双级交流自举缓冲电路的REF点连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种用于人体生物电信号采集的电容耦合PCB电极结构，采用下绝缘层、上绝缘层和双级交流自举缓冲电路，交流自举电路通过在运算放大器AMP1输出端和信号输入端引入正反馈，使得流过电阻R1的电流接近于0，使得运算放大器AMP1获得TΩ级别超高的输入阻抗。电阻R2与电阻R1对输入信号形成分压，可以调节电阻R2的大小控制信号的放大或衰减倍数。电容C1可以控制电路的相频特性，通过增大电容C1的大小可以实现低频输入信号和超低频输入信号与运算放大器AMP1的输出信号保持同相位，具有超低频信号同步相位传递特性，利用双级交流自举缓冲电路形成用于生物电信号采集的超高输入阻抗电容耦合PCB电极能够无损地采集的生物电信号且具有较强的抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明电容耦合PCB电极的电路图。

图2为本发明电容耦合PCB电极的立体示意图。

图中，1.皮肤，2.阻隔层，3.下绝缘层，4.屏蔽圆环，5.耦合电极，6.绝缘树脂层，7.覆铜屏蔽层，8.上绝缘层，9.双级交流自举缓冲电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种用于人体生物电信号采集的电容耦合PCB电极结构，包括下绝缘层3、上绝缘层8和双级交流自举缓冲电路9，下绝缘层3的内侧设有耦合电极5，耦合电极5外圈设有屏蔽圆环4，下绝缘层3的外侧用于贴设人体，上绝缘层8的内侧设有覆铜屏蔽层7；双级交流自举缓冲电路9包括运算放大器AMP1、运算放大器AMP2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2，运算放大器AMP1的反相输入端连接电容C1的一端、电容C2的一端、运算放大器AMP1的输出端和屏蔽圆环4，运算放大器AMP1的同向输入端连接电阻R1的和耦合电极5，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端和电容C1的另一端，电阻R2的另一端连接覆铜屏蔽层7后接REF；电容C2的另一端连接电阻R3的一端和运算放大器AMP2的同向输入端，电阻R3的另一端接REF，运算放大器AMP2的反向输入端连接电阻R4的一端作为输出端，电阻R4的另一端连接运算放大器AMP2的输出端；双级交流自举缓冲电路的输入阻抗可达TΩ级别。

如图1所示，下绝缘层3的另一侧可贴设于人体皮肤1外的阻隔层2上，阻隔层即与人体皮肤形成的隔层，如衣服、毛发和空气，可以实现隔着衣服、毛发和空气等绝缘介质对ECG、EEG、EMG等多种人体生物电信号进行有效采集。

本发明一种用于人体生物电信号采集的电容耦合PCB电极结构，该电极能够无损地稳定采集的生物电信号且具有较强的抗干扰能力，不但能够替代一般环境下人体生物电信号采集使用的传统湿式电极和干式电极而且适用于载人航空航天、深海载人潜水、专业运动员等特殊环境下人体生物电信号的长时间便携采集。

具体的，下绝缘层3和上绝缘层8均设置于双层PCB基板的外侧，形成双层PCB基板结构；下绝缘层3设有耦合电极5的一侧与上绝缘层8设有覆铜屏蔽层7的一侧通过绝缘树脂层6密封。

PCB基板为双层薄板，厚度为1.0mm，直径为22mm。PCB基板的下层由绝缘层和覆铜层组成，绝缘层的厚度为35μm，覆铜层的厚度为70μm；

其中覆铜层包括中心的耦合电极和外部环形的屏蔽圆环，耦合电极与头皮间的间隙电容C_s耦合生物电信号，直径为19mm，铜屏蔽圆环内、外径差为1mm，铜屏蔽圆环与耦合电极间为绝缘树脂填充材料；PCB基板的上层是覆铜屏蔽层7和绝缘层，覆铜屏蔽层7厚度为35μm并且与双级交流自举缓冲电路9的REF点连接用于屏蔽上层电路的噪声，绝缘层厚度为35μm。

所述双级交流自举缓冲电路包括交流自举电路和跟随电路组成；双级交流自举缓冲电路通过在运算放大器AMP1输出端和信号输入端引入正反馈，使得流过电阻R1的电流接近于0，使得运算放大器AMP1获得TΩ级别超高的输入阻抗。电阻R2与电阻R1对输入信号形成分压，可以调节电阻R2的大小控制信号的放大或衰减倍数。电容C1可以控制电路的相频特性，通过增大电容C1的大小可以实现低频输入信号和超低频输入信号与运算放大器AMP1的输出信号保持同相位。电容C2和电阻R3构成无源高通滤波器，滤除AMP1输出中的直流偏置成分。运算放大器AMP2构成信号跟随器。运算放大器AMP1和运算放大器AMP2均采用双极性供电，供电的REF点与PCB基板的覆铜屏蔽层相连。

本发明所述的用于生物电信号采集的超高输入阻抗电容耦合PCB电极利用PCB电极结构设计和交流自举缓冲电路结构设计实现了TΩ级别的超高输入阻抗和一定的屏蔽功能，所以该电极能够无损地采集的生物电信号且具有较强的抗干扰能力，不但能够替代一般环境下生物电信号采集使用的传统湿式电极和干式电极而且适用于载人航空航天、深海载人潜水、运动员专业训练等特殊环境下生物电信号的长时间便携采集，拓展了人体生物电信号的采集场景，提升了人体生物电信号的采集效率。