基于電容耦合的多導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)測系統(tǒng)研究*

李天涵,徐效文,梁 瑩

(中南大學(xué)物理與電子學(xué)院,湖南 長沙 410083)

基于電容耦合的多導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)測系統(tǒng)研究*

李天涵,徐效文*,梁 瑩

(中南大學(xué)物理與電子學(xué)院,湖南 長沙 410083)

傳統(tǒng)的非接觸式心電監(jiān)測系統(tǒng)在硬質(zhì)印刷電路板構(gòu)建的電容電極基礎(chǔ)上,使用單導(dǎo)聯(lián)方式進(jìn)行心電監(jiān)測,且僅根據(jù)心率變化進(jìn)行心臟異常診斷,無法滿足當(dāng)前臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)。基于電容耦合原理,設(shè)計了一款多導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)測系統(tǒng),將3個由導(dǎo)電織布構(gòu)成的柔性電容電極集成于椅座背部,用于獲取標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)aVR、aVL、aVF等6導(dǎo)聯(lián)心電信號。借由導(dǎo)電織布式柔性電容電極與人體表面較好的接觸效應(yīng),可以有效減小運(yùn)動偽影的產(chǎn)生。通過與硬質(zhì)PCB電極輸出的心電波形相比,使用本系統(tǒng)的患者在移動情況下輸出的心電波形保持相對平穩(wěn)狀態(tài),無明顯運(yùn)動偽影。系統(tǒng)實(shí)驗證實(shí)了此新型多導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)測儀的有效性,不僅可以滿足個人日常心電監(jiān)測使用,而且適于長期動態(tài)心電監(jiān)測。

心電監(jiān)測;多導(dǎo)聯(lián);電容耦合;柔性電容電極;

目前造成國內(nèi)居民死亡的各類疾病中,40%以上來源于心血管疾病[1],常用的診斷心血管疾病的方法主要是心電圖[2]。傳統(tǒng)心電監(jiān)測系統(tǒng)所使用的電極需要直接接觸人體皮膚、不能重復(fù)使用、操作繁瑣,特別不適合應(yīng)用于長期的心電監(jiān)測,而基于電容耦合原理的心電監(jiān)測系統(tǒng)則能夠很好的解決這個問題。電容電極相比于傳統(tǒng)的電極,能夠避免直接與人體體表接觸,實(shí)現(xiàn)隔著衣服監(jiān)測心電信號的功能[3-4]。在1969年,Lopez等將電容耦合原理應(yīng)用于心電監(jiān)測方面[5];Aleksandrowicz等采用了兩個硬質(zhì)電容電極安裝在普通辦公椅,設(shè)計了能檢測人體心電信號的“亞探智能椅”[6];董永貴等采用一個反向接地的二極管作為高阻抗的偏置電阻,開發(fā)了基于電容耦合的穿戴式心電監(jiān)測系統(tǒng)[7]。電容電極可應(yīng)用于多種不同的生活場景中,比如日常家庭心電監(jiān)護(hù)[8]或者汽車駕駛監(jiān)護(hù)[9-10]等。由于基于電容耦合的穿戴式心電監(jiān)測系統(tǒng)都采用單導(dǎo)聯(lián)方式檢測心電信號,而且電容電極對外界環(huán)境特別敏感,因此檢測到的單通道心電信號極有可能因不準(zhǔn)確而導(dǎo)致誤診。

針對以上所述問題,本文設(shè)計了一種基于電容耦合的多導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng),使用者只需坐在椅子上隔著衣服即可長時間監(jiān)測人體心電信號,獲取6導(dǎo)聯(lián)心電信號,即標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)aVR、aVL、aVF。感應(yīng)電極中與人體接觸面部分使用的材料是導(dǎo)電織布,它能夠充分的貼合人體體表,從而有利于減小運(yùn)動偽影,促進(jìn)監(jiān)測的舒適度,特別適用于汽車駕駛、辦公環(huán)境或家庭環(huán)境中的心電監(jiān)護(hù)。如在駕駛環(huán)境中,能實(shí)現(xiàn)對駕駛員疲勞程度的檢測,防止疲勞駕駛;在辦公環(huán)境中,可長期監(jiān)測在電腦前工作的白領(lǐng)身體指標(biāo),避免工作過度疲勞導(dǎo)致暈厥或猝死。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示,本系統(tǒng)是由柔性電容電極、信號處理電路、信號采集和傳輸?shù)?部分構(gòu)成,信號處理電路注意包含威爾遜網(wǎng)絡(luò)、多路復(fù)用電路、差動放大電路、濾波電路、后級放大電路及電平抬升。

圖1 多導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 柔性電容電極布置位置圖

本系統(tǒng)將由導(dǎo)電織物和緩沖電路組成的3個柔性電容電極安放于椅座靠背,由導(dǎo)電織物構(gòu)成的參考電極作為右腿驅(qū)動反饋端放置于椅座上,如圖2所示。電極所采集到的信號通過威爾遜網(wǎng)絡(luò)分離出標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)軸RA、LA、LL,及加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)軸RR′、LL′、FF′,經(jīng)過多路復(fù)用電路選擇2路導(dǎo)聯(lián)軸信號到儀表放大器的正、反相端,通過微處理器控制可以輸出6通道不同導(dǎo)聯(lián)的信號。通過差動放大輸出的信號再經(jīng)濾波模塊、后級放大及電平抬升電路處理后,由信號采集和傳輸模塊對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和無線傳輸。信號采集和傳輸模塊由基于STM32F407處理器的最小系統(tǒng)和藍(lán)牙發(fā)送模塊兩部分構(gòu)成,可在液晶屏上操控輸出各個導(dǎo)聯(lián)心電波形和心電參數(shù)。各個心電數(shù)據(jù)可通過藍(lán)牙模塊發(fā)送至PC端或手持設(shè)備對心電數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲或上傳,記錄每天的身體狀況為醫(yī)生提供診斷信息。

2 多導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

2.1 柔性電容電極

針對傳統(tǒng)電極需要與體表直接接觸、不能重復(fù)使用、操作繁瑣以及一般非接觸式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用單導(dǎo)聯(lián)方式,使用硬質(zhì)的PCB板作為電極等缺陷。本文利用電容耦合原理設(shè)計了一種由導(dǎo)電織物和緩沖電路構(gòu)成的柔性電容電極。由于導(dǎo)電織物具有柔軟性又有導(dǎo)電性,在心電檢測時能夠非常貼合人體體表,大大提高使用的舒適度,特別有利于減小運(yùn)動偽影[11]。柔性電容電極的原理是人體體表與電極表面導(dǎo)電織物構(gòu)成耦合電容的兩極面,而中間的衣物則為絕緣介質(zhì),電容電極的外表面電位會隨體表電位的變化而變化,從而實(shí)現(xiàn)隔著衣物采集人體體表電位[12]。體表與導(dǎo)電織物構(gòu)成的耦合電容大小為:

Cc=ε0εrA/d

(1)

式中:A為導(dǎo)電織物的面積,d為衣物的厚度(在幾mm左右),εr為衣物的介電常數(shù),ε0為空氣的介電常數(shù)。根據(jù)以上的參數(shù)估算,耦合電容值大約在10 pF～100 pF的范圍變化。

圖3 電極結(jié)構(gòu)和緩沖電路

柔性電容電極的結(jié)構(gòu)和電路如圖3所示,它由導(dǎo)電織物、泡沫和印刷電路板構(gòu)成。導(dǎo)電織物是與人體衣物接觸部分,具有柔軟性和舒適性的特點(diǎn),能緊密貼合人體背部,有利于減小運(yùn)動偽影的干擾,而且中間的泡沫層也有助于人體表面與電極接觸的緊密性[13]。印刷電路板上電路為柔性電容電極的緩沖電路,若導(dǎo)電織物和緩沖電路之間的電氣連接過長會導(dǎo)致外界干擾與信號衰減,所以將緩沖電路與信號處理電路分開單獨(dú)放置于導(dǎo)電織物下。緩沖電路采用低噪聲、低配置電壓、軌到軌輸入輸出的精密運(yùn)放LMP7732。第一級運(yùn)算放大器1是比例放大器,Rs1與Rs3的數(shù)值決定了放大倍數(shù),該放大器既能放大體表電位,又能構(gòu)成阻抗變換,使其獲得高輸入阻抗,避免體表電位在電容耦合過程中衰減過多。運(yùn)放2為直流伺服電路,可去除體表電位中的電位偏置。一般電容電極輸入端需接高阻值的偏置電阻Rb,但偏置電阻與耦合電容會構(gòu)成高通濾波器,造成部分信號缺失現(xiàn)象。本文的柔性電容電極無需外接偏置電阻,依靠CMOS型LMP7732運(yùn)放內(nèi)部的ESD保護(hù)單元和其他的寄生漏電流即可實(shí)現(xiàn)自我偏置,使電極達(dá)到最佳的信噪比[14]。

2.2 信號處理電路

信號處理電路包含了威爾遜網(wǎng)絡(luò)、多路復(fù)用電路、差動放大電路、濾波電路、后級放大電路及電平抬升。威爾遜網(wǎng)絡(luò)是通過在3個肢體端分別串聯(lián)一個平衡電阻,使之跟心臟的電阻數(shù)值接近,再將3個點(diǎn)連接起來獲得穩(wěn)定的電位點(diǎn)即威爾遜中心端,從而分離出各個導(dǎo)聯(lián)軸如圖4所示。

圖4 導(dǎo)聯(lián)關(guān)系和威爾遜網(wǎng)絡(luò)

將各個導(dǎo)聯(lián)軸連接到多路復(fù)用電路,通過多路復(fù)用電路能夠控制輸出不同的導(dǎo)聯(lián)連接方式,可以省去多個心電處理電路,從而精簡儀器。本系統(tǒng)可以輸出標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)aVR、aVL、aVF,各個導(dǎo)聯(lián)信號通過式(2)和式(3)推算出。

Ⅰ=UR-UL
Ⅱ=UR-UF
Ⅲ=UL-UF

(2)

aVR=UR-(UL+UF)/2
aVL=UL-(UR+UF)/2
aVF=UF-(UL+UR)/2

(3)

差動放大電路選用了精密儀表放大器INA128進(jìn)行差動放大,具有高的共模抑制比。差動放大電路就是通過差分電路把雙端的心電差分信號轉(zhuǎn)變成對地的單端心電信號,最后再進(jìn)一步的放大心電信號。差分放大電路的共模干擾信號會與右腿驅(qū)動電路連接輸出,反饋到人體就能夠有效的減小共模干擾。但是電路中仍有一部分工頻干擾信號以差模方式的混入心電信號中,所以系統(tǒng)采用雙T型陷波器來進(jìn)一步濾除信號中的工頻干擾。為了保證陷波器中心頻率的穩(wěn)定性和陷波深度,選用了精度高、溫漂小的電容電阻。本系統(tǒng)在信號處理電路中加入有源低通、高通濾波器來進(jìn)一步消除低頻和高頻干擾,高、低通濾波器的截止頻率分別為0.5 Hz和100 Hz。差動放大電路的放大倍數(shù)只有10倍左右,而心電原始信號的幅值小于1 mV,所以信號需再經(jīng)過后級主放大電路放大100倍左右以滿足A/D轉(zhuǎn)換要求。微處理器的內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓是0～3.3 V,最后通過電平抬升電路對信號進(jìn)行抬升至0～3.3 V范圍內(nèi)。

2.3 信號采集與傳輸

信號的采集與傳輸是由基于STM32F407處理器的最小系統(tǒng)和藍(lán)牙模塊構(gòu)成的。為了實(shí)現(xiàn)家庭式心電儀交互界面的人性化,將uC/OSⅢ實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核移植到STM32F407處理器上,結(jié)合STemWin圖形庫,既可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)管理分配,又可以設(shè)計一個交互式圖形操作界面,更加貼合現(xiàn)代用戶操作習(xí)慣,圖5為信號的采集與傳輸?shù)囊壕溜@示界面。采用STM32F407自帶的ADC對心電信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,再對信號進(jìn)行濾波和數(shù)據(jù)處理得到心率值,最后在圖形化界面上操控按順序輸出各個導(dǎo)聯(lián)心電波形和心電參數(shù)。液晶屏上顯示的圖形操作界面,可通過觸摸屏控制采樣頻率、幅值大小等,系統(tǒng)輸出導(dǎo)聯(lián)方式也可通過實(shí)體按鍵控制。

圖5 液晶顯示屏操作界面

本系統(tǒng)可以通過藍(lán)牙模塊將心電數(shù)據(jù)和心率值傳輸至PC端或手持設(shè)備,對人體健康信息進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析,便于掌握用戶每天的身體狀況或可分享給醫(yī)生進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。

3 測試結(jié)果

本文設(shè)計的基于電容耦合多導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)集成于椅座泡沫靠背上,其中信號處理電路模塊嵌入泡沫靠背內(nèi)部,能夠自動獲取6導(dǎo)聯(lián)心電信號或通過實(shí)體按鍵切換選擇某一導(dǎo)聯(lián)信號,最后可通過藍(lán)牙發(fā)送至PC端或手持設(shè)備對數(shù)據(jù)收集和分析。

為了測試柔性電容電極的性能,利用柔性電容電極和一般的硬質(zhì)PCB電極做了一組單導(dǎo)聯(lián)式對比實(shí)驗。如圖6為采用硬質(zhì)PCB作為電極與導(dǎo)電織物式柔性電極的對比測試結(jié)果,圖6(a)為利用硬質(zhì)PCB電極測量到的心電信號,圖6(b)利用本文設(shè)計的柔性電容電極測量到的心電信號。圖6(a)前一部分時間段,在人體稍微移動情況下，心電波形產(chǎn)生了運(yùn)動偽影，波動較大,而圖6(b)的在移動情況下,心電波形則是依舊保持相對的平穩(wěn)狀態(tài),無明顯的運(yùn)動偽影。

圖6 硬質(zhì)PCB電極與柔性電容電極測試結(jié)果對比

除了上述的測試實(shí)驗,本系統(tǒng)為了驗證實(shí)際的檢測效果進(jìn)行了實(shí)際人體監(jiān)測,測試者為一名為男性,身穿一件長袖棉質(zhì)T恤,衣物厚度0.9 mm。將裝置固定于椅背上,測試者坐于椅子上,可自動獲取6導(dǎo)聯(lián)心電信號或通過按鍵切換選擇某一導(dǎo)聯(lián)通道。該系統(tǒng)整個過程無需使用者操作,只需坐于椅子上,幾秒鐘后就能在嵌入式終端實(shí)時觀察到心電波形,適合于長期心電監(jiān)測。

實(shí)驗結(jié)果如圖7所示，其中圖7(a)是用模擬儀作為輸入信號源，在輸出端檢測到的6導(dǎo)聯(lián)心電信號，圖7(b)為男性測試者隔著厚度為0.9 mm的衣物測量到的6導(dǎo)聯(lián)心電信號，即標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)aVR、aVL、aVF。從實(shí)驗測量結(jié)果可用看出，隔著衣服能夠測量到6導(dǎo)聯(lián)心電波形，能清晰地觀察到QRS波、T波、P波，能夠很好地檢測出人體心電信號的主要特征，各個導(dǎo)聯(lián)心電波形也比較平穩(wěn)。利用本文所設(shè)計的多導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)測系統(tǒng)，對人體進(jìn)行測量得到的6導(dǎo)聯(lián)心電波形特征，與利用模擬儀作為輸入信號源測量到的6導(dǎo)聯(lián)心電波形特征是一致的。

圖7 用人體作為測試對象與用模擬儀作為測試對象檢測到的心電信號對比

4 結(jié)論與展望

本文設(shè)計了基于電容耦合多導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)測系統(tǒng)，柔性電容電極集成于椅座靠背上，信號處理電路嵌入泡沫靠背內(nèi)部，能夠隔著厚度為0.9 mm的衣物測量到6導(dǎo)聯(lián)心電信號，即標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)I、II、III和加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)aVR、aVL、aVF，可用避免單導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)測系統(tǒng)提供的信息不夠全面的缺點(diǎn)。綜合6導(dǎo)聯(lián)心電信號可以獲得較為詳細(xì)的心臟活動信息，能夠全面地了解心臟活動狀況。本系統(tǒng)操作便捷、適合長期監(jiān)測，適用于汽車駕駛、辦公環(huán)境或家庭護(hù)理等場合。

[1] 陳偉偉,高潤霖,劉力生,等. 《中國心血管病報告2015》概要[J]. 中國循環(huán)雜志,2016,31(6):521-528.

[2] 劉彬. 心電信號特征識別及其在心血管疾病診斷中的應(yīng)用[D]. 吉林大學(xué),2014.

[3] 李鴻強(qiáng),崔佃銀,袁丹陽,等. 基于容性耦合電極的可穿戴心電信號檢測及其去噪算法研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2017,30(1):8-15.

[4] Lee K M,Lee S M,Park K S. Belt-Type Wireless and Non-Contact Electrocardiogram Monitoring System Using Flexible Active Electrode[J]. International Journal of Bioelectromagnetism,2010,12(4):153-157.

[5] Lopez A J,Richardson P C. Capacitive Electrocardiographic and Bioelectric Electrodes[J]. IEEE Trans Biomed Eng,1969,99(16):99.

[6] Aleksandrowicz A,Leonhardt S. Wireless and Non-Contact ECG Measurement System——The“Aachen SmartChair”[J]. Acta Polytechnica,2007,47(4):68-71.

[7] Yang B,Yu C,Dong Y. Capacitively-Coupled Electrocardiogram Measuring System and Noise Reduction by Singular Spectrum Analysis[J]. IEEE Sensors Journal,2016,16(10):3802-3810.

[8] Kim Y G,Kim K K,Park K S. ECG Recording on a Bed During Sleep Without Direct Skin-Contact[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering,2007,54(4):718-725.

[9] Leonhardt S,Aleksandrowicz A. Non-Contact ECG Monitoring for Automotive Application[C]//International Summer School and Symposium on Medical Devices and Biosensors,2008. Isss-Mdbs,2008:183-185.

[10] Minho C,Jin J J,Hun K S,et al. Reduction of Motion Artifacts and Improvement of R Peak Detecting Accuracy Using Adjacent Non-Intrusive ECG Sensors:[J]. Sensors,2016,16(5):715-733.

[11] 林視達(dá),朱紀(jì)軍. 基于織物電極的可穿戴式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2017,30(6):944-949.

[12] Sun Y,Yu X B. Capacitive Biopotential Measurement for Electrophysiological Signal Acquisition:A Review[J]. IEEE Sensors Journal,2016,16(9):2832-2851.

[13] Ottenbacher J,Rmer S,Kunze C,et al. Integration of a Bluetooth Based ECG System into Clothing[C]//The Eighth International Symposium on Wearable Computers(ISWC’04),2004,1:186-187.

[14] Chi Y M,Cauwenberghs G. Wireless Non-Contact EEG/ECG Electrodes for Body Sensor Networks[C]//International Conference on Body Sensor Networks. IEEE,2010:297-301.

李天涵(1991-),男,福建莆田人,碩士研究生,主要研究方向為生物醫(yī)學(xué)儀器,litianh@csu.edu.cn;

徐效文(1978-),男,江蘇徐州人,中南大學(xué)副教授,主要研究方向為生物醫(yī)學(xué)信號檢測、智能儀器研發(fā),xuxiaowen@csu.edu.cn;

梁瑩(1994-),女,湖南吉首人,碩士研究生,主要研究方向為生物醫(yī)學(xué)信號處理,370607223@qq.com。

AMulti-LeadECGMonitoringSystemUsingCapacitiveCoupledElectrodes*

LITianhan,XUXiaowen*,LIANGYing

(School of physical science and electronics,Central South University,Changsha 410083,China)

The traditional non-contact ECG monitoring system uses hard printed circuit board(PCB)as a capacitive electrode and has only one single-lead. The diagnosis standard for heart abnormality is merely based on heart rate changes,which is not suitable for clinical diagnosis. In order to improve the quality of heart rate detection,based on the principle of capacitive coupling,a multi-lead ECG monitoring system was designed. Three flexible capacitive electrodes composed of conductive woven fabric were integrated on the back of the chair to obtain 6-lead ECG signals,which include standard limb leads Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ and augmented unipolar limb leads aVR,aVL,aVF,etc.. Preliminary results demonstrated that the motion artifacts are effectively reduced due to the flexiblility of conductive fabric capacitive electrode. The experimental results also showed that the electrocardiographic waveform of the designed system is relatively stable compared with the ECG output of the hard PCB-based detection electrode in the case of patient movements,and there is no obvious motion artifacts. Thus,this novel monitoring system can meet the requirements of individual daily ECG monitoring usage and is suitable for long-term dynamic ECG monitoring.

ECG monitoring;multi-lead;capacitive coupling;flexible capacitor electrode

R540.4

A

1004-1699(2017)11-1752-06

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(2110127)

2017-02-27修改日期2017-07-26

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.11.023