基于容性耦合電極的非接觸式心電信號采集系統(tǒng)

王禹寒，謝 睿，孫世文，米海寧，丁文彬，李鴻強(qiáng)

（天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387）

1 引言

當(dāng)今社會，科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，給人們帶了更加優(yōu)越的物質(zhì)生活，同時(shí)隨著社會發(fā)展，人們的生活節(jié)奏不斷加快。環(huán)境的持續(xù)惡化、社會壓力激增、人口老齡化程度不斷提高，這些因素都使得我國心血管病發(fā)病率上升顯著，在未來幾年心血管病的發(fā)病人數(shù)任將持續(xù)增長[1]。

在心血管疾病的診斷和治療中，心電圖起著關(guān)鍵作用。心電信號的額長期實(shí)時(shí)監(jiān)測，對于心血管疾病的早期預(yù)警和治療都有著重要的意義[2]。在傳統(tǒng)的臨床心電信號檢測系統(tǒng)中，被廣泛使用的是Holter心電圖檢測系統(tǒng)[3，4]。Holter心電圖檢測系統(tǒng)需要使用數(shù)個(gè)Ag-AgCl電極并通過導(dǎo)電膏固定在人體的各個(gè)部位，諸如前胸、手臂和腿部等特殊部位。雖然這種檢測系統(tǒng)能夠采集到較好質(zhì)量的心電信號，但操作復(fù)雜，普通使用者在沒有醫(yī)護(hù)人員幫助的情況下很難正確的操作設(shè)備并準(zhǔn)確的采集到心電信號。并且由于導(dǎo)電膏的毒性可能會給使用者帶來皮膚紅腫或過敏等不良后果，濕式電極中水分會被人體溫度蒸發(fā)，隨著水分的蒸發(fā)采集到的心電信號質(zhì)量會顯著降低。因此，采用濕式電極的心電檢測系統(tǒng)不適合用于長時(shí)間的心電檢測。針對此類問題，我們研究出一種不含導(dǎo)電膏、操作方便的基于容性耦合電極的非接觸式心電信號采集系統(tǒng)。

2 非接觸式心電信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路主要分為模擬單元和數(shù)字單元兩大部分。其中模擬單元包括容性耦合電極、電源電路、50Hz陷波濾波器、低通濾波器、前置放大器和無線收發(fā)電路。數(shù)字單元包括微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和串行通信模塊。人體心電信號通過容性耦合織物電極提取，通過電壓跟隨器傳至信號調(diào)理電路，最后通過信號處理電路最后發(fā)至上位機(jī)移動終端。電壓跟隨器得目的是隔離阻抗，避免前后級電路之間得影響。信號調(diào)理電路主要包括0.02Hz的高通濾波器，50Hz的陷波濾波器以及120Hz的低通濾波器組成。由于心電信號的頻率范圍大致為0.02Hz～120Hz之間，所以需要0.02Hz的高通濾波器以及120Hz的低通濾波器濾除非心電信號頻率范圍內(nèi)的其它噪聲干擾，由于市電頻率為50Hz所以需要使用50Hz的陷波濾波器濾除工頻干擾。最后通過信號處理電路將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號通過藍(lán)牙的方式發(fā)送至移動終端。非接觸式心電信號采集系統(tǒng)硬件總體框圖如圖1所示。

硬件電路采用柔性PCB板，質(zhì)量更輕且更加柔軟，提高佩戴的舒適度。柔性電路如圖2所示。

2.2 容性耦合電極設(shè)計(jì)

容性耦合電極的工作原理為：電極和人體皮膚之間存在較小的空隙，衣物和人體皮膚的角質(zhì)層都可以等效成并聯(lián)著的RC單元，每一個(gè)RC單元相應(yīng)的阻抗可以表示為：

圖1 非接觸式心電信號采集系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖

圖2 柔性PCB電路

電極部分還包括前置放大電路，心電信號前置放大電路采用運(yùn)算放大器的電壓跟隨原理，增大信號的輸入阻抗，降低其輸出阻抗。前置放大電路輸入阻抗可達(dá)100MΩ，共模抑制比大于128dB。其中，人體心電信號相當(dāng)于電壓源Vs，Cs是人體皮膚和柔性織物電極之間的等效耦合電容，心電信號由電壓源Vs發(fā)出，經(jīng)過耦合電容Cs輸入到運(yùn)算放大器中。Rb為偏置電阻，為運(yùn)算放大器偏置電流提供回路，電容Cf用來給輸入端提供反饋，以抑制輸入電容的影響提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。Ra和Ca分別為運(yùn)算放大器的輸入電阻和輸入電容。前置放大電路的增益可以表示為：

2.3 移動終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Android移動端主要用于接收下位機(jī)發(fā)送過來的心電信號數(shù)據(jù)幀，并對接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行移位拼接獲取有效數(shù)字，最后完成心電信號的波形顯示及存儲、回放等功能。在Android平臺中對信號進(jìn)行特征提取和分類，并將分類結(jié)果顯示在客戶端供受測者參考，移動端界面如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文測試了在0.25mm的棉質(zhì)衣物下容性耦合電極對心電信號的采集效果，如圖4（a）所示，在靜止?fàn)顟B(tài)下可以完整的采集到心電信號的QRS波滿足心電檢測算法的檢測需求。圖4（b）是在運(yùn)動過程中采集到的人體心電信號，除去人體運(yùn)動帶來的基線擾動外，任然可以完整的觀察到人體心電信號的QRS三個(gè)波段。相比于傳統(tǒng)濕式Ag/AgCl電極，容性耦合電極在信號采集質(zhì)量上存在差異但是任能對心電信號進(jìn)行完整還原。

圖3 移動端運(yùn)行界面

圖4 容性耦合電極在0.25mm厚度衣物條件下人體心電信號采集結(jié)果

4 結(jié)束語

本文對基于容性耦合電極的非接觸式心電信號采集系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的容性耦合電極以及柔性PCB電路可以實(shí)現(xiàn)長期實(shí)時(shí)的信號采集，在Android客戶端中實(shí)現(xiàn)心電信號的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，為人們提供及時(shí)的心律信息，使得一些突發(fā)的心臟不適得到良好的監(jiān)測，在減少心臟疾病突發(fā)而導(dǎo)致的傷害方面具有重要的意義。