非接触式心电信号采集衣物以及心电信号检测方法

技术领域

本发明涉及心电检测技术领域，具体而言，涉及一种非接触式心电信号采集衣物以及心电信号检测方法。

背景技术

现有心电传感器主要是通过接触式方式进行心电信号的采集。接触式的采集贴片长期使用会造成皮肤敏感等问题，目前最亲肤的贴片也只能保证连续14天的良好接触，超出该时间皮肤会出现红疹等不良反应，且现有的心电检测由于线束的束缚易造成活动的不便。

为了解决上述问题，目前出现基于电容耦合原理将心电信号从人体皮肤耦合至电极，再经处理电路输出信号的非接触式心电检测技术，但由于人体心电信号是一种弱电信号，信噪比较低，易受外界条件干扰发生衰减，且目前的非接触式心电传感电极与人体皮肤之间的耦合电容较小，造成总阻抗较大，进一步加大信号衰减程度，影响心电信号的采集质量。

发明内容

本发明所要解决的问题是现有非接触式心电检测存在传感电极与人体皮肤之间耦合电容小，容抗及总阻抗较大，使得心电信号在耦合过程中衰减严重，导致本就微弱的心电信号检测质量及效果较差。

为解决上述问题，本发明提供一种非接触式心电信号采集衣物，包括衣物本体以及设置于所述衣物本体上的传感电极和控制盒，所述传感电极包括依次设置的电极复合层、第一绝缘层、电磁屏蔽层和第二绝缘层，所述电极复合层包括第一电极、第二电极以及设置于所述第一电极与所述第二电极之间的极性层，所述极性层包括极性材料钛酸钡和/或钛酸钙，所述第一电极用于与所述控制盒电连接，所述第二电极悬空设置，所述电磁屏蔽层接地。

较佳地，所述电极复合层的制备方法如下：

将重量百分比50％-74％的液态PDMS树脂材料、25％-45％的所述极性材料、1％-5％的固化剂、1％-2％的催化剂混合均匀，得到极性溶剂；

将所述极性溶剂覆盖在基板的上、下表面，并在所述极性溶剂的上、下表面分别覆盖所述第一电极和所述第二电极，经固化处理后得到所述电极复合层。

较佳地，所述固化剂包括含氢硅氧烷，所述催化剂包括铂金催化剂。

较佳地，所述传感电极设置于所述衣物本体的内侧，所述衣物本体为紧身衣形式、背后束带式或两侧束带式中的一种。

较佳地，所述衣物本体上设置有多个接触位点，每个所述接触位点上均设置有一个所述传感电极，所述接触位点的数量和位置是根据单导联或多导联的连接点位进行设置的。

较佳地，所述衣物本体上设置有多个接触位点，所述接触位点的数量和位置是根据单导联或多导联的连接点位进行设置的，围绕所述接触位点设置多个所述传感电极，多个所述传感电极阵列分布。

较佳地，所述非接触式心电信号采集衣物还包括通信模块，所述通信模块包括WiFi模块或蓝牙模块，所述控制盒用于通过所述通信模块与终端连接。

较佳地，所述控制盒包括电源、信号采集与处理电路、发送电路，所述信号采集与处理电路用于对所述第一电极(211)检测的生物电信号进行处理，所述发送电路用于将处理后的信号发送至终端进行显示或上传至云端进行保存。

本发明的非接触式心电信号采集衣物相较于现有技术的优势在于：

本发明的非接触式心电信号采集衣物，通过在衣物本体上设置传感电极，使得用户穿戴好采集衣物后即可实现心电信号的无扰检测，使用方便。且本发明的传感电极包括电极复合层，电极复合层的多层复合结构相当于电容器，由于电极复合层含有高介电常数的极性材料钛酸钡和/或钛酸钙，因此具有高介电性能，可以有效提高电容的容值。另外，在电极复合层的中间极性层的高介电性能下，第一电极耦合的人体信号经极性层作用到第二电极上时使得电荷增强，由于第二电极悬空，即不与任何信号连接，因此第二电极上的电荷反过来也会在极性层的传导作用下对第一电极上的电荷起到增强作用，由于第一电极与外界电路连接，因此可以检测到更强的信号，从而提高皮肤与电极之间的耦合电容容值，进而减小容抗及总阻抗，降低心电信号在耦合过程中的衰减程度。另外，由于皮肤与电极复合层之间的耦合电容增大，也使得人体皮肤与绝缘介质和容性耦合电极所构成的高通滤波器的截止频率降低，从而达到提高电信号检测效果的目的。

本发明还提供一种心电信号检测方法，基于如上所述的非接触式心电信号采集衣物，包括：

利用所述非接触式心电信号采集衣物上的传感电极获取生物电信号；

利用所述非接触式心电信号采集衣物上的控制盒对所述生物电信号进行信号处理，并将处理后的信号发送至终端或上传至云端。

本发明的心电信号检测方法相较于现有技术的优势在于：

本发明通过非接触式心电信号采集衣物上的传感电极获取生物电信号，并通过控制盒对信号进行处理并发送至终端或上传至云端，通过终端进行显示或通过云端进行保存等，实现心电信号的非接触式无扰检测，关于非接触式心电信号采集衣物的优势与前述内容相同，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例中电极复合层的结构示意图；

图2为本发明实施例中电极复合层的制备方法流程图；

图3为本发明实施例中不同款式的背心示意图；

图4为本发明实施例中单导联采集背心示意图；

图5为本发明实施例中18导联连接位点的分布示意图；

图6为本发明实施例中定制化多电极紧身衣；

图7为本发明实施例中通用多电极紧身衣；

图8为本发明实施例中全身版心电检测紧身衣。

附图标记说明：

1、控制盒；2、传感电极；21、电极复合层；22、第一绝缘层；23、电磁屏蔽层；24、第二绝缘层；211、第一电极；212、第二电极；213、极性层；100、人体皮肤；200、贴身衣物；300、衣物本体。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

请参阅图1、图4所示，本发明实施例提供一种非接触式心电信号采集衣物(以下简称为采集衣物)，包括衣物本体300以及设置于所述衣物本体300上的传感电极2和控制盒1，所述传感电极2包括依次设置的电极复合层21、第一绝缘层22、电磁屏蔽层23和第二绝缘层24，所述电极复合层21包括第一电极211、第二电极212以及设置于所述第一电极211与所述第二电极212之间的极性层213，所述极性层213包括极性材料钛酸钡和/或钛酸钙，所述第一电极211用于与所述控制盒1电连接，所述第二电极212悬空设置，所述电磁屏蔽层23接地。

本实施例的采集衣物，如图1中虚线框内所示，在衣物本体300上集成了传感电极2和控制盒1，一般一件衣物本体300上会集成多个传感电极2，并在衣物本体300上设置控制盒1，每个传感电极2的连线集中在控制盒1处，传感电极2用于采集生物电信号，控制盒1用于对采集的信号进行处理并将处理后的信号通过蓝牙或WiFi传递至终端，在终端上显示心电曲线图等，或将数据上传至云端保存。需要说明的是，当存在右腿驱动信号时，为了减少计算的复杂性，提高计算效率，可以将本实施例采集的信号与右腿驱动采集的信号统一上传至终端进行处理和显示。

本实施例的传感电极2包括电极复合层21，如图1所示，电极复合层21为多层结构，包括依次设置的第一电极211、极性层213和第二电极212，其中，第一电极211用于与控制盒1连接，且第一电极211的表面镀金处理，以提高传感电极2的使用寿命，第二电极212悬空设置，极性层213由于包括高介电常数的极性材料钛酸钡和/或钛酸钙，因此具有较高的介电常数。

非接触式心电检测原理是，电荷通过真皮层到达表皮层后，由于睡衣和床单作为介质阻碍了电荷移动，无法通过直接接触的方式传递到传感器的电极中，使得电荷累积在人体表皮产生极化。由于电荷同性相斥，异性相吸的性质，电极表面就会积累异性电荷。当电极正对的皮肤表面电荷发生变化时，电极上的电荷也会发生相应的变化，由此可以实现心电信号的非接触式检测。

由此，当本实施例的电极复合层21作为容性耦合电极用于非接触式心电信号检测时，由于其较高的介电常数，使得皮肤与其之间所形成的耦合电容容值增大，这可以从以下几个方面理解，一方面，本实施例的电极复合层21相当于电容器，根据电容容值计算公式，增大极板间介质的介电常数，可以有效提高电容的容值。另一方面，通过控制盒1将第一电极211与外界电路连接，因此电荷在人体皮肤100表面极化后，根据非接触心电信号检测原理，在第一电极211的极板上会耦合出与人体皮肤100电信号相吸的异性电荷，该电荷经过第一电极211和第二电极212之间的极性层213时，由于极性层213中的介电常数大幅增加，在极性层213的电荷传导作用下，第二电极212的极板上的电荷得到增强，且由于第二电极212悬空设置，即第二电极212的引脚不接任何信号，既不与高电平相接，也不与低电平相连，因此第二电极212上的电荷反过来也会在极性层213的传导作用下对第一电极211上的电荷起到电荷增强作用，由此会在极性层213的电荷增强作用下，采集到第一电极211上得到增强的心电信号。由此，本实施例通过设置含有极性层213的电极复合层21，增大了皮肤与电极复合层21之间的耦合电容，使得容抗减小，进而总阻抗减小，从而降低心电信号在耦合过程中的衰减程度，提高心电信号的检测质量。再一方面，在非接触式心电信号检测系统中，人体皮肤100、绝缘的衣物和容性耦合电极所构成的结构具有一阶高通滤波器的功能，由于皮肤与电极复合层21之间的耦合电容增大，使得高通滤波器的截止频率降低，由于高通滤波器具有通高频、阻低频的特性，因此，从这一个层面看，由于皮肤与电极间耦合电容增大，使得截止频率降低，由此也可以有效检测到心电信号。

本实施例的传感电极2主要由电极复合层21、第一绝缘层22、电磁屏蔽层23和第二绝缘层24构成，其中，第一绝缘层22的材料可以采用PI材料，用于隔离电极复合层21与电磁屏蔽层23，避免电极复合层21和电磁屏蔽层23接触造成电路导通，优选地，如图1所示，第一绝缘层22的面积可以设置的较大一些，以提高隔绝效果。电磁屏蔽层23接地处理，用于屏蔽外界电磁干扰。第二绝缘层24用于保护电磁屏蔽层23，避免其磨损。由此，本实施例的传感电极从上至下依次为电极复合层21、第一绝缘层22、电磁屏蔽层23和第二绝缘层24，且电极复合层21的下表面与第一绝缘层22、电磁屏蔽层23和第二绝缘层24可以通过粘合剂粘接成一片。

其中一些实施方式中，为了更好地理解电极复合层21的结构，对其制备方法进行说明。如图2所示，所述电极复合层21的制备方法如下：

将重量百分比50％-74％的液态PDMS树脂材料、25％-45％的所述极性材料、1％-5％的固化剂、1％-2％的催化剂混合均匀，得到极性溶剂；

将所述极性溶剂覆盖在基板的上、下表面，并在所述极性溶剂的上、下表面分别覆盖所述第一电极211和所述第二电极212，经固化处理后得到所述电极复合层21。

其中，极性溶剂中的固化剂占总重量的1％-5％，优选为2％，具体含量可根据温湿度进行调整，固化剂优选为含氢硅氧烷。催化剂占总质量的1％-2％，优选为1.5％，用于加快固化速度，催化剂优选为铂金催化剂。液态PDMS(聚二甲基硅氧烷)树脂材料，用于调节成品的柔性程度，其决定了成品的延展性，使得本实施例的采集衣物拥有透气性，用于检测人体心电信号时，有助于排出人体湿气。

其中，基板可以为碳纤维板或玻璃纤维板，第一电极211和第二电极212可以为铜皮，将上述调配好的极性溶剂覆盖在碳纤维板或玻璃纤维板的上下两个表面，再在两个表面覆盖平整的铜皮，再将整个结构送入压板机中在高温(120-180℃)高压下固化成型(2h)。

本实施例中极性溶剂在固化过程中在基板表面形成固化层，并与基板共同构成极性层213。由于极性溶剂中含有高介电常数的极性材料钛酸钡、钛酸钙，且电极复合层21的制备工艺采用的是混合与固化的处理方式，属于一种物理变化，可以保持原有材料的性能，因此得到的混合物质极性溶剂也具有较高的介电常数，经固化处理后的极性层213也具有较高的介电常数。另外，本实施例的电极复合层21是在基板的上下表面涂覆极性溶剂后分别覆盖第一电极211和第二电极212，然后在压板机等设备中固化定型，形成具有多层结构的复合层，由于两个极板之间的距离较小，也有助于提高电容的容值，进而增大皮肤与电极复合层21之间的耦合电容。

其中一些实施方式中，传感电极2设置于衣物本体300的内侧，可以通过粘接或缝制等方式固定在衣物本体300上，所述衣物本体为紧身衣形式、背后束带式或两侧束带式中的一种。由此，穿戴时，用户事先穿戴好贴身衣物200，贴身衣物200可以为纯棉背心等，使得传感电极2的第一电极211与纯棉背心接触。另外，当进行多次检测时，这种方式也便于采集衣物的保养，传感电极2的表面由于镀金处理，因此日常保养可通过酒精擦拭，贴身衣物200直接更换即可，更有利于提高采集衣物的使用寿命。

本实施例中衣物本体300的款式可以不受限制，可以为背心、长袖长裤等衣服，供受试者穿戴，由此得到用于采集心电信号的背心、长袖衣服等多种款式的衣物。示例性地，如图3所示，展示了几种不同款式的背心，包括紧身衣形式(图3(a)所示)、背后束带式(图3(b)所示)、两侧束带式(图3(c)所示)等，几款背心各有优缺点，可以针对性选择，例如束带式背心的寿命更长，贴合性可以保证更良好，当然如果束带影响到了点位的检测效果，也可以选择一体的紧身衣形式。例如，对于18导联的情况优先选择紧身衣款式，因为左腋下以及左后背位置的检测点可能会受束带式影响。而对于使用频率比较高的单导联检测，采用束带式可以提高产品寿命，且性价比高。

其中一些实施方式中，所述衣物本体300上设置有多个接触位点，每个所述接触位点上均设置有一个所述传感电极2，所述接触位点的数量和位置是根据单导联或多导联的连接点位进行设置的。

导联是心电图中的专业名词，是指将记录心电图时电极在人体体表的放置位置及电极与放大器的连接方式称为心电图的导联，有单导联和多导联之分。单导心电图机是心电图机的一种，心电信号放大通道只有一路，各导联的心电波形要逐个描记，不能反映同一时刻各导联心电的变化。单导心电图机可以检查心律失常，初步筛查早搏、房颤及各种心律不齐的心电表现，主要意义在于未病早发现和术后随访。鉴于心脏病多有及时性、瞬发性，及时捕捉异常电信号，对后续医生的判断有很大意义。因此，单导联心电图可作为心律失常的初筛，以及心脏疾病的早期预警，以便早发现、早治疗、早控制。如图4所示，为根据单导联检测位点在紧身形式背心上设置传感电极2得到的采集背心。

多导联有二导联、三导联、12导联、15导联、18导联等的区分，一般根据实际情况来选择性使用。18导联是目前比较全面的导联连接方式，示例性地，根据18导联的接法确定采集衣物上传感电极2的分布。如图5是18导联的示意图，包括：肢体导联(4个)：右上肢，左上肢，左下肢，右下肢；胸导联(12个)：V1位于胸骨右缘第4肋间；V2位于胸骨左缘第4肋间；V3位于V2与V4两点连线的中点；V4位于左锁骨中线第5肋间；V5和V6与V4处于同一水平，分别位于左腋前线与左腋中线；V7位于左腋后线V4同一水平；V8位于左肩胛线V4同一水平；V9位于左脊柱旁线V4同一水平；V3R、V4R、V5R位于右前胸V3、V4、V5相对应位置。

本实施例中，根据导联连接点位在衣物本体300上设置接触位点，并在每个接触位点上设置一个传感电极2。如图6所示，为紧身衣式背心，其中，图6(a)为背心的正面，图6(b)为背心的背面，可以看到衣物本体300上传感电极2的分布与图中18导联连接点位分布相同，可以满足躯干上的所有点位，这样设置，可以实现精确检测，每个传感电极2都可以精确检测相应位置的心电信号。由于不同用户导联连接点位的位置有所差别，不可能完全吻合，导致衣物尺码上可能略有差异，因此这种采集衣物适合客制化制作，即私人订制。

如果想要实现同一尺码的大众化使用，可以设计成为如图7所示的形式，选择具体导联时可以进行设定，可以人工设定也可以通过智能化设定。其中，图7(a)为背心的正面，图7(b)为背心的背面。这种实施方式中，所述衣物本体300上设置有多个接触位点，所述接触位点的数量和位置是根据单导联或多导联的连接点位进行设置的，围绕所述接触位点设置多个所述传感电极2，多个所述传感电极2阵列分布。由此，由于衣物上在同一接触位点附近设置有多个传感电极2，检测点位增加，因此，不同用户穿戴时，可以手动或自动匹配正确的导联接触位点。

如图8所示，为根据18导联设置的可以完成全身版本的心电检测长袖全身紧身衣。图8(a)为紧身衣的正面，传感电极2分别布置在肢体导联检测位点和胸部导联检测位点处，图8(b)为紧身衣的背面。

其中一些实施方式中，所述采集衣物还包括通信模块，所述通信模块包括WiFi模块或蓝牙模块，所述控制盒1用于通过所述通信模块与终端连接。其中一些实施方式中，可以直接将采集的信号在控制盒进行处理，当然如果存在右腿驱动电路，也可以将信号处理放在终端进行。当在控制盒处进行信号处理时，所述控制盒1包括电源、信号采集与处理电路、发送电路，所述信号采集与处理电路用于对所述第一电极211检测的生物电信号进行处理，所述发送电路用于将处理后的信号发送至终端进行显示或上传至云端进行保存，例如转换成心电曲线的形式。本实施例中，控制盒1接收心电信号后将数据通过蓝牙或WiFi无线发送至终端，采集到的信息都将在终端进行显示。当然，数据可以保存在终端中，也可以同步上传到云端和监护医生处，方便后期的查看。后期心电数据甚至可以用人工智能来判断，若心电发生了问题，可以第一时间报警，还可以通知到家庭医生。

本发明实施例还提供一种心电信号检测方法，基于如上所述的非接触式心电信号采集衣物，包括：

利用所述非接触式心电信号采集衣物上的传感电极2获取生物电信号；

利用所述非接触式心电信号采集衣物上的控制盒1对所述生物电信号进行信号处理，并将处理后的信号发送至终端或上传至云端。

本实施例的采集衣物的使用过程如下：

工作时，如图1所示，用户穿着好贴身衣物200，例如背心或长袖，薄款更舒适，然后再穿上采集衣物，保证贴合良好。启动系统后，正常卧床静养，保证不压到腹部的控制盒1即可。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。