基于容性耦合電極的非接觸式心電信號采集系統

王禹寒，謝 睿，孫世文，米海寧，丁文彬，李鴻強

（天津工業大學電子與信息工程學院，天津 300387）

1 引言

當今社會，科學技術不斷發展，給人們帶了更加優越的物質生活，同時隨著社會發展，人們的生活節奏不斷加快。環境的持續惡化、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病率上升顯著，在未來幾年心血管病的發病人數任將持續增長[1]。

在心血管疾病的診斷和治療中，心電圖起著關鍵作用。心電信號的額長期實時監測，對于心血管疾病的早期預警和治療都有著重要的意義[2]。在傳統的臨床心電信號檢測系統中，被廣泛使用的是Holter心電圖檢測系統[3，4]。Holter心電圖檢測系統需要使用數個Ag-AgCl電極并通過導電膏固定在人體的各個部位，諸如前胸、手臂和腿部等特殊部位。雖然這種檢測系統能夠采集到較好質量的心電信號，但操作復雜，普通使用者在沒有醫護人員幫助的情況下很難正確的操作設備并準確的采集到心電信號。并且由于導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，隨著水分的蒸發采集到的心電信號質量會顯著降低。因此，采用濕式電極的心電檢測系統不適合用于長時間的心電檢測。針對此類問題，我們研究出一種不含導電膏、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。

2 非接觸式心電信號采集系統設計

2.1 硬件電路設計

本系統的硬件電路主要分為模擬單元和數字單元兩大部分。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電路。數字單元包括微處理器、數模轉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理電路，最后通過信號處理電路最后發至上位機移動終端。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為數字信號通過藍牙的方式發送至移動終端。非接觸式心電信號采集系統硬件總體框圖如圖1所示。

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

2.2 容性耦合電極設計

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層都可以等效成并聯著的RC單元，每一個RC單元相應的阻抗可以表示為：

圖1 非接觸式心電信號采集系統硬件系統框圖

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100MΩ，共模抑制比大于128dB。其中，人體心電信號相當于電壓源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發出，經過耦合電容Cs輸入到運算放大器中。Rb為偏置電阻，為運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穩定性。Ra和Ca分別為運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 移動終端系統設計

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

3 實驗結果及分析

本文測試了在0.25mm的棉質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，在靜止狀態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）是在運動過程中采集到的人體心電信號，除去人體運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三個波段。相比于傳統濕式Ag/AgCl電極，容性耦合電極在信號采集質量上存在差異但是任能對心電信號進行完整還原。

圖3 移動端運行界面

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果

4 結束語

本文對基于容性耦合電極的非接觸式心電信號采集系統進行了研究和設計。本文設計的容性耦合電極以及柔性PCB電路可以實現長期實時的信號采集，在Android客戶端中實現心電信號的實時在線監測，為人們提供及時的心律信息，使得一些突發的心臟不適得到良好的監測，在減少心臟疾病突發而導致的傷害方面具有重要的意義。