一种非接触心电检测电路
阅读说明：本技术 一种非接触心电检测电路 (Non-contact electrocardio detection circuit ) 是由 李刚 孔莉 王云翼 王康 林凌 于 2021-01-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种非接触心电检测电路,电路采取差动输入方式,由两套相同电路形式组成,其中任意一套电路由阻容耦合电路、电压跟随器、自举电路以及虚地电路构成。本发明通过自举方式大幅提高检测电路的输入电阻,将输入电阻阻值提升至实际阻值的可控倍数,并利用电阻分压避免自举电路使整体电路进入自激振荡的状态,解决了非接触心电检测电路中需要超高输入阻抗的难题,从而实现了非接触式心电检测。(The invention provides a non-contact electrocardio detection circuit, which adopts a differential input mode and consists of two sets of same circuits, wherein any one set of circuits consists of a resistance-capacitance coupling circuit, a voltage follower, a bootstrap circuit and a virtual earth circuit. The invention greatly improves the input resistance of the detection circuit in a bootstrap mode, improves the resistance value of the input resistance to controllable multiple of the actual resistance value, avoids the bootstrap circuit from enabling the whole circuit to enter a self-oscillation state by utilizing resistance voltage division, solves the problem that ultrahigh input impedance is needed in a non-contact electrocardio detection circuit, and realizes non-contact electrocardio detection.)
技术领域
本发明涉及医学信号检测技术领域，更具体地，涉及一种非接触式的心电监测方法。
背景技术
驾驶员不良的身体和精神状态如醉驾、疲劳驾驶、情绪异常以及突发疾病等是引发交通事故的主要原因；航天医学保障技术成为推动载人航天工程发展的重要基础，监测宇航员健康状况的新技术和新设备成为亟需解决的问题；心脏病患者的日常心电监测更是必不可少。心电是判断身心状态最重要的指标，是临床诊断和病情评估的重要依据，长期实时的心电监测可以反映一个人的身体精神状况。因此，对上述人员进行心电监测是极其必要的。但由于驾驶员、宇航员以及心脏病患者需要长时间的连续心电监测且需要一定的活动自由，因此，在心电监测时更倾向于一种非接触式的无感测量。
传统的湿电极需要使用水凝胶来增加皮肤和电极之间信号路径的导电性，容易造成皮肤过敏，不适于长时间使用。干电极与湿电极一样也需要与皮肤直接电接触，此外，不具有导电凝胶的干电极对皮肤状况敏感得多，并且非常容易受到人体运动的影响。与传统湿电极、干电极相比，非接触式电极在使用时不要求与患者的身体直接接触，并且不需要事先准备，也不需要考虑使用者的体表状态，可以让使用者隔着绝缘层材料检测心电信号。然而由于采集电极与人体耦合形成的电容值很低，在pF量级，因此检测电路的输入电阻至少也应该在TΩ数量级才能分压获得心电电压。这就要求后端采集电路的输入阻抗非常高。由于高输入阻抗运算放大器输入端的场效应晶体管的栅极在无输入偏置网络的情况下将通过泄露电流充电并在短时间内使放大器达到饱和，运算放大器的高输入阻抗是无法直接用于人体生物电信号的电容耦合式采集。
针对现有的应用需求以及现有技术的不足，本发明提出了通过自举方式大幅提高检测电路的输入电阻，将输入电阻阻值提升至实际阻值的可控倍数，并利用电阻分压避免自举电路使整体电路进入自激振荡的状态，解决了无感、非接触心电检测电路中需要电路有超高输入阻抗的难题，从而实现了非接触式心电检测。
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发明内容
本发明设计了一种基于电容耦合原理的非接触式心电检测电路，如图1所示，实现了无感测量，本发明通过自举方式大幅提高检测电路的输入电阻，将输入电阻阻值提升至实际阻值的可控倍数，并利用电阻分压避免自举电路使整体电路进入自激振荡的状态，能够解决电路超高输入阻抗的难题。详见下文描述：
一种非接触心电检测电路，其特征在于，该电路采取差动输入方式，由两套相同电路形式组成，其中任意一套电路由阻容耦合电路、电压跟随器、自举电路以及虚地电路构成。心电信号由IN1、IN2输入，经阻容耦合电路的输出连接电压跟随器的正向输入端，电压跟随器的输出端连接自举电路和信号输出端OUT1、OUT2，自举电路通过电阻分压将信号反馈到电压跟随器的正向输入端，阻容耦合电路与自举电路均连接虚地电路提供的参考地AGND。
所述阻容耦合电路由电容C1与电阻R3、R4构成。人体与采集电极构成耦合电容器C1，该耦合电容器C1与电阻R3、R4构成阻容耦合电路。
所述电压跟随器由运算放大器A1以及电阻R3、R4构成。电阻R3、R4为运算放大器A1提供偏置电流通道。
所述自举电路由电阻R3、R4、R7、R8以及电容C4组成，电压跟随器输出的信号经过电阻R7、R8分压后，由电容C4耦合到电阻R4中，形成对电阻R3的自举，使得经自举后的电阻R3的等效阻值大幅度提升，提高了(R7+R8)/R7倍，进一步使得阻容耦合电路更容易获得人体的心电信号。其中，电阻R7、R8(R7<<R8)的分压作用使得分压系数小于1但接近于1，既保证了自举电路的效果，又保证了电路不会进入自激振荡状态。
所述阻容耦合电路电容C2与电阻R5、R6构成。人体与采集电极构成耦合电容器C2，该耦合电容器C2与电阻R5、R6构成阻容耦合电路。
所述电压跟随器由运算放大器A2以及电阻R5、R6构成。电阻R5、R6为运算放大器A2提供偏置电流通道。
所述自举电路由电阻R5、R6、R9、R10以及电容C5组成，电压跟随器输出的信号经过电阻R9、R10分压后，由电容C5耦合到电阻R5中，形成对电阻R6的自举，使得经自举后的电阻R6的等效阻值大幅度提升，提高了(R10+R9)/R10倍，进一步使得阻容耦合电路更容易获得人体的心电信号。其中，电阻R10、R8(R10<<R9)的分压作用使得分压系数小于1但接近于1，既保证了自举电路的效果，又保证了电路不会进入自激振荡状态。
所述虚地电路由电源Vcc、电源地GND、电阻R1、R2以及电容C3组成。电阻R1、R2构成的分压电路提供整体电路的参考地AGND，电容C3起滤波作用。
本发明提供的技术方案存在的有益效果是：
1、本发明通过自举电路中的电阻分压特性将检测电路的输入电阻阻值提升至实际阻值的可控倍数，并且避免了电路进入自激振荡的状态，保证了电路的稳定性。
2、本发明设计了简单可行的便捷式非接触心电检测电路，体积小便于携带，适用于宇航员、汽车驾驶员以及心脏病患者的日常心电监测等特殊应用；
3、本发明解决了非接触心电检测需要超高输入阻抗的难题，避免了超高电阻的使用，提高了电路的运算精度，减少了噪声；
4、本发明对元器件的精密程度要求较低，降低了电路成本。
附图说明
图1为一种非接触心电测量整体电路图；
图2为车载非接触式心电检测系统所测心电波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
应用实例：车载非接触式心电检测系统
应用场景：车载非接触式心电检测系统搭载在汽车中，用于检测驾驶员的心电信号。
系统组成：车载非接触式心电检测系统由心电采集电路模块、信号处理模块、传输模块、
显示模块组成，其中心电采集电路模块即为本发明。
模块介绍：
心电采集电路模块(本发明)：用于心电信号的采集，本系统选取导电纤维作为采集电极。信号处理模块：用于心电信号的处理。
信号传输模块：采用蓝牙作为传输模块，实现将信号处理模块处理后的心电波形上传至显示模块。
显示模块:用于实时显示心电波形。
实际测试情况：
如图2所示，为车载非接触式心电检测系统所测心电的波形图。
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