電場(chǎng)感應(yīng)式心電監(jiān)護(hù)儀的研究

杜武松

摘 要隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求日益提高，自身的健康狀況成為了人們?nèi)找骊P(guān)注的重心和焦點(diǎn)。心臟類疾病是造成人類死亡的重大疾病之一，每年由于心臟類疾病引起的全球死亡人數(shù)一直居高不下。長(zhǎng)期以來，對(duì)心臟類疾病的診斷與研究一直是醫(yī)學(xué)界的一個(gè)重要課題。

【關(guān)鍵詞】電場(chǎng)感應(yīng)式 心電監(jiān)護(hù)儀

1 項(xiàng)目目的

目前傳統(tǒng)式的心電監(jiān)護(hù)儀對(duì)患者的心電監(jiān)測(cè)存在以下缺陷：

（1）粘貼式心電電極片（下文稱作：心電電極片）容易對(duì)患者的皮膚造成損傷，特別是新生兒幼嫩的皮膚，并且某些患者還會(huì)產(chǎn)生不良過敏反應(yīng)；

（2）心電電極片不易或者不能粘貼到某些患者皮膚上，例如：老人干燥的皮膚、嚴(yán)重?zé)齻幕颊呋蚴敲l(fā)較密的患者；

（3）由于心電電極片不能長(zhǎng)時(shí)間接觸患者皮膚，所以不能24小時(shí)不間斷的監(jiān)測(cè)患者心電情況。為了解決以上問題，我們嘗試研發(fā)一種感應(yīng)式的心電監(jiān)護(hù)儀來進(jìn)行患者的心電監(jiān)測(cè)功能。

2 項(xiàng)目研制

2.1 高靈敏度電場(chǎng)傳感器的設(shè)計(jì)

我司設(shè)計(jì)開發(fā)了電場(chǎng)感應(yīng)式傳感器（下文稱作：傳感器），傳感器作為一個(gè)整體器件，可以在電路中進(jìn)行直接焊接。傳感器在結(jié)構(gòu)上主要由兩部分組成，一部分為TiO2金屬氧化物，通過此部分特殊材質(zhì)的金屬物來感應(yīng)空間中電場(chǎng)的細(xì)微變化，屬于信號(hào)采集輸入部分，另外一部分為電路基板：在電路基板上設(shè)計(jì)有信號(hào)放大調(diào)制電路，將感應(yīng)到的電場(chǎng)細(xì)微變化轉(zhuǎn)化為微弱的電壓信號(hào)傳輸?shù)诫娐泛蠖诉M(jìn)行進(jìn)一步處理和分析。如圖1所示。

整個(gè)傳感器電路的工作原理如下：當(dāng)把傳感器靠近到人體表面時(shí)，由于人體皮膚表面帶有部分電荷，當(dāng)心臟的生物電信號(hào)傳導(dǎo)至人體皮膚表面時(shí)，會(huì)引起人體皮膚表面電荷的增多或者減少，此時(shí)傳感器附近空間電荷的增多或減少引起附近電場(chǎng)的變化，細(xì)微的電場(chǎng)變化耦合到TiO2金屬氧化物上后變?yōu)榈奈⑿〉碾妷盒盘?hào)，由于接收到的電壓信號(hào)非常微弱，所以需要前級(jí)放大器進(jìn)行信號(hào)的前期處理和放大，以便后續(xù)電路進(jìn)行再處理。傳感器的放大電路采用反饋電路，同時(shí)輸出信號(hào)被調(diào)制為方波載波信號(hào)后輸出，通過以上兩種措施來增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力，是的信號(hào)能夠較長(zhǎng)距離的傳導(dǎo)。

在使用此傳感器對(duì)人體心電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，可使用醫(yī)用紗布將傳感器與患者皮膚相隔開，無需直接接觸患者皮膚，并且使用后只需要更換醫(yī)用紗布即可，或使用醫(yī)用酒精清洗傳感器表面，如此之后便可重復(fù)使用，僅僅只有醫(yī)用紗布的消耗，將有助于降低病患的醫(yī)療費(fèi)用。

2.2 心電信號(hào)采集電路模塊的設(shè)計(jì)

心電信號(hào)電路示意圖請(qǐng)見圖2。

三路傳感器分別采集人體的RA、LA、LL三路心電導(dǎo)聯(lián)信號(hào)，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過RC濾波電路處理后送入Psoc芯片中，進(jìn)一步完成信號(hào)處理。Psoc芯片接收到信號(hào)后通過內(nèi)部搭建的后級(jí)運(yùn)算放大器電路進(jìn)行信號(hào)的放大以及濾波電路進(jìn)行放大濾波處理，經(jīng)過處理的信號(hào)再次進(jìn)行AD采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，再由Psoc芯片對(duì)此數(shù)字信號(hào)完成心電波形的提取與心率的計(jì)算。

2.3 心電導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)

由于使用了高靈敏度電場(chǎng)感應(yīng)式器件，能實(shí)時(shí)的感應(yīng)到空間中的電荷產(chǎn)生信號(hào)，從而不能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)心電的導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)功能，所以我們還必須解決心電導(dǎo)聯(lián)脫落的檢測(cè)問題。

最終導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)通過熱釋電紅外傳感器來實(shí)現(xiàn)，我們將熱釋電紅外傳感器和電場(chǎng)傳感器一起設(shè)計(jì)在心電探頭上。當(dāng)心電探頭接近人體皮膚時(shí)，由于人體體溫一般都恒定在36℃左右，會(huì)對(duì)外發(fā)出特定波長(zhǎng)的紅外線，熱釋電紅外傳感器通過器件上的窗口探測(cè)到人體發(fā)射的紅外線而進(jìn)行工作，通過設(shè)置能使熱釋電傳感器檢測(cè)到人體恒定的36℃溫度時(shí)，就會(huì)在信號(hào)輸出引腳輸出高電平信號(hào)給中繼MCU芯片（底功耗STM32芯片）進(jìn)行處理，當(dāng)接收到高電平信號(hào)時(shí)，及表示電極探頭與人體連接，反之，低電平信號(hào)為電極探頭脫落，未連接人體。中繼MCU再通過串口通訊將探頭連接脫落信號(hào)發(fā)送給Psoc芯片，由Psoc芯片完成心電波形、心率計(jì)算及導(dǎo)聯(lián)脫落的信號(hào)的整合工作。

3 人體心電測(cè)量的最終實(shí)現(xiàn)方案

心電信號(hào)采集電路模塊設(shè)計(jì)完成后，在對(duì)患者進(jìn)行人體心電監(jiān)測(cè)時(shí)，三個(gè)心電探頭分別連接人體RA、LA、LL導(dǎo)聯(lián)，另外通過導(dǎo)電材料的軟布?jí)|在患者的床單或者座墊下作為右腿驅(qū)動(dòng)導(dǎo)聯(lián)，使用醫(yī)用的綁帶隔著衣物、紗布等物品對(duì)患者進(jìn)行心電信號(hào)的采集，經(jīng)過心電模塊處理后，將心電波形、心率數(shù)值等等信息傳輸?shù)斤@示儀器上進(jìn)行顯示，以便醫(yī)護(hù)人員能對(duì)病患的心電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷。

4 結(jié)束語：電場(chǎng)感應(yīng)式心電監(jiān)護(hù)儀市場(chǎng)前景分析

電場(chǎng)感應(yīng)式心電監(jiān)護(hù)儀最大特點(diǎn)是在臨床使用上可以取代傳統(tǒng)粘貼式心電電極片，尤其適用于在新生兒科和燒傷科等科室。由于為非接觸式，可以解決和克服多種不適于傳統(tǒng)粘貼式心電電極片的場(chǎng)合，例如可以避免損傷皮膚，避免造成皮膚表面過敏反應(yīng)，避免皮膚表面因粘貼撕裂而出血等等情況，甚至可以使用在寵物心電監(jiān)測(cè)環(huán)境下，避免寵物的毛發(fā)被剔除。

所以電場(chǎng)感應(yīng)式心電監(jiān)護(hù)儀市場(chǎng)前景需求非常巨大，符合醫(yī)患使用預(yù)期。相信在不久的將來，定能造福于更多的心臟病患者。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

深圳市杰納瑞醫(yī)療儀器股份有限公司 廣東省深圳市 518057