基于柔性電極的便攜式心電監測系統研究

孫衛紅， 常衛東,， 楊 興， 朱燦林， 王 博， 賈炎燊

(1.北京建筑大學 電氣與信息工程學院，北京 100044；2.清華大學 精密儀器系精密測試技術及儀器國家重點實驗室，北京 100084)

近年來，中國心血管病患病率逐漸升高，心血管病死亡率已居首位[1]。而目前存在的大多心血管疾病具有突發性，需要長時監測才能發現，且死亡率較高[2]，而常規心電儀因體積大，價格昂貴，不能滿足普通人長時間監測的需求。因此，制備小體積、低成本的便攜式心電監測設備顯得尤為重要，而心電監測裝置的電極更是采集心電信號質量優劣的關鍵因素。21世紀以來，國外學者以及一些公司對心電設備的電極進行了諸多研究，推出了多款心電監測的產品，但這些產品使用的都是普通的金屬或硅材料的電極[3-6]。普通金屬電極以及硬殼封裝的裝置會對皮膚產生擠壓，引起不適感，剛性較大的硅電極甚至可能會碎裂。基于上述情況，部分學者提出將柔性電極應用于心電監測設備來采集心電信號[7-9]，柔性電極易彎曲，能很好地貼合皮膚，接觸阻抗優于干電極，同時不會對皮膚產生擠壓，舒適性好。但目前相關研究設計的電極工藝相對復雜，不能滿足商業化的需求。目前臨床上使用的心電測量電極主要為Ag/AgCl濕電極，這種濕電極若長期使用可能會引起皮膚刺激或過敏反應。因此制備一種工藝簡單并且性能良好的柔性電極是很有必要的。針對上述情況，筆者提出了一種基于PDMS基底的金字塔陣列柔性電極的心電監測系統，研究了金字塔陣列柔性電極的設計與制作工藝。同時，設計了基于AD8232的小體積低功耗的心電信號處理電路；考慮到便攜式心電監測裝置需滿足小體積、實時性的需求，研發了一款基于安卓端的心電波形顯示APP。

1 系統的組成和原理

便攜式心電監測系統包括硬件和軟件兩部分，其中硬件包括柔性電極、心電信號處理電路、單片機與藍牙模塊三部分；軟件則是通過藍牙設備進行數據傳輸，并在手機APP上顯示波形。系統的組成原理如圖1所示。

下面將對心電監測裝置的柔性電極、心電信號電路以及APP設計進行介紹。

圖1 系統的組成原理圖

2 柔性電極的設計、制作與測試

柔性電極能很好地貼近皮膚，不會造成不適感，可長時間用于心電監測，是便攜式心電監測裝置的關鍵部分，其設計與制備直接影響心電信號采集的質量，故對柔性電極的設計與制備進行研究，并測試該電極采集心電信號的質量。

2.1 柔性電極的設計

常用于電極的柔性襯底制作的材料有PDMS、Parylene、PI等，它們都具有良好的生物兼容性，因此廣泛用于材料學領域。其中，PDMS由于價格低廉，制備工藝簡單，且PDMS的剛度、彈性等性能與生物體的組織相近，能更好地貼近皮膚[10]，故PDMS材料很適合用于制作心電監測系統的柔性電極。但PDMS的熱膨脹系數與金有較大差異[11]，因此在電極制備與儲存的過程中，由于溫度變化，PDMS基底上的金屬容易產生裂紋，導致電極阻抗增大，而且PDMS具有多孔性質，有很好的通透性，電極在使用過程容易吸水，會導致電極的阻抗發生變化。

相比之下，Parylene與金的結合性更好，幾乎不會產生裂紋，且水分很難穿透Parylene過渡層，能很好地減小電極阻抗的變化。基于上述情況，筆者在PDMS基底和金屬膜中間制作一層較薄的Parylene薄膜，實現剛性和柔韌性的結合，來改善柔性電極易產生裂紋和易吸水引起阻抗變化的缺點。

同時，由于電極表面積為影響電極與組織之間接觸阻抗的重要因素，電極表面積越大，接觸阻抗就越小，而接觸阻抗則直接影響到電極的性能，電極阻抗越小，采集到的心電信號質量越好[12]。為了減小電極與組織的接觸阻抗，在PDMS基底上制作了金字塔微結構陣列，來增加電極的表面積[13]。

2.2 柔性電極的制作

PDMS在液態時具有很好的流動性，因此，將液態PDMS通過旋涂工藝旋涂在帶有微金字塔結構的硅模具上，液態PDMS與硅模具緊密貼合從而復制其上的微金字塔結構。PDMS固化之后，形成一種無毒且生物相容性較好的帶有微金字塔結構的柔性薄膜，具有很好的彈性，非常適合用于制作柔性電極。柔性電極的具體制備流程如下。

① 根據設計的微金字塔結構尺寸制作掩模版，并通過刻蝕的方法在硅片上加工出金字塔陣列，制成硅模具。

② 按照質量比為10:1的比例將PDMS液態彈性體和固化劑混合在一起，并攪拌15 min，得到PDMS混合物。

③ 將PDMS混合物放在真空干燥箱中抽氣15 min，以充分排出混合物中的氣泡。

④ 將硅模具放入丙酮溶液中，利用超聲波清洗器進行超聲清洗10 min，然后放入脫模劑中浸泡10 min進行脫膜處理，其目的是在硅片上施加一層隔離膜，方便將制得的PDMS基底從硅模具上脫離，最后將硅模具取出烘干即完成了硅模具表面的處理。將排完氣泡的PDMS混合物澆注在表面處理好的硅模具上，同時利用勻膠機以500 r/min的轉速旋轉進行旋涂工藝，使PDMS混合物均勻地旋涂在硅模具上。

⑤ 將在硅模具旋涂得到的PDMS混合物放入真空干燥箱中以80 ℃的溫度加熱2 h，使PDMS混合物固化。將固化的PDMS從硅模具上揭下，進行裁剪完成PDMS柔性基底的制作。

PDMS基底制作流程如圖2所示。

圖2 PDMS基底的制作流程圖

⑥ 在制作好的PDMS基底上通過沉積的方式制作一層3.5 μm的Parylene過渡層。

⑦ 通過磁控濺射的方式在柔性基底上濺射40 nm的金屬膜，選擇金作為金屬層材料。

制備的基底和最終的電極如圖3所示，在沉積完Parylene之后，基底的剛性增加，由于沉積的金屬膜很薄，整個金層偏透明狀，呈現暗紅色。

圖3 PDMS基底與電極實物圖

2.3 柔性電極的測試

將制作好的柔性電極以及醫用Ag/AgCl電極與后續電路連接，進行采集心電信號效果的測試實驗。得到的心電信號波形如圖4、圖5所示。

圖4 心電波形實測圖(柔性電極)

圖5 心電波形實測圖(醫用電極)

由心電波形實測圖4、圖5可知，柔性電極測到的心電信號質量更好，毛刺更少，噪聲干擾更小，心電信號的相關特征如P波、T波和QRS波群等都明顯可見。

3 心電信號電路的研究與設計

通過介紹心電信號的機理與特征，對信號處理電路進行設計。

3.1 心電信號機理與特征

心臟在每個周期中，由起搏點、心房、心室等位置相繼產生興奮，引起體內電信號的變化，這種變化傳導至全身，引起全身不同位點的電勢差變化，這種電勢差變化的波形即心電圖(簡稱ECG)。典型的心電信號圖如圖6所示，主要波段包括P波、QRS波群、T波以及U波。ECG信號的頻率范圍為0.05～100 Hz，但它的絕大部分能量(約占90%)都集中在0.05～40 Hz的范圍[14]內，幅值一般在mV量級，故需設計頻率范圍為0.05～40 Hz、放大倍數為1000倍左右的信號處理電路。采集心電信號需要將電極片貼至體表特定的測試部位，電極片貼的位置不同會形成不同的心電導聯方式，標準導聯包括 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 導聯，如圖7所示。為了方便測試，采用醫學上最常用的導聯方式 Ⅰ[15]。

圖6 典型心電信號圖

圖7 3種導聯方式示意圖

3.2 心電信號處理電路

本部分基于AD8232心電芯片設計與制作心電信號的放大濾波電路，AD8232尺寸僅為2 mm×1.7 mm，采用1.7～3.5 V的電源供電，靜態工作電流僅為50 μA，滿足便攜式心電監測系統小體積、低功耗的需求。設計的信號處理電路主要包括截止頻率為0.05 Hz的高通濾波器以及截止頻率為40 Hz的低通濾波器，心電信號處理電路原理圖如圖8所示。

圖8 心電信號處理電路原理圖

AD8232中內置一個儀表放大器，該儀表放大器的增益為100倍，配置Sallen-Key濾波電路的增益G=11來獲取1100倍的總增益。

在Multisim中進行仿真得到該系統的伯德圖如圖9所示。

圖9 放大濾波電路仿真結果圖

圖9中顯示系統的兩個-3 dB增益點分別為0.0468 Hz、45.639 Hz，基本符合設計要求。同時系統有較好的平坦度，在超過45.639 Hz的截止頻率后，系統增益迅速衰減，總的來說設計的電路滿足需求。

在整個系統全部完成后，使用電池供電時，相對來說引入的工頻干擾會變得比較小，為減小系統的體積與功耗，可以去除50 Hz陷波器的設計。

4 安卓端APP的開發與測試

便攜式心電監測系統需滿足小體積且長時間監測心電信號的要求，故研發了基于便攜終端——手機APP來實現心電信號的實時監測。

4.1 基于Processing的安卓APP研發

利用Processing進行心電監測裝置的APP研發，其程序部分設計主要由3部分組成：藍牙配置、波形繪制，以及手機界面設置。整個程序設計的流程圖如圖10所示。

圖10 程序設計流程圖

① 藍牙配置。導入ketai庫關于藍牙的相關文件，啟動手機藍牙，列舉出手機配對的藍牙列表供用戶選擇，用戶選擇藍牙設備進行配對后，開始數據傳輸。

② 波形繪制。從單片機得到的數據范圍是0～1023，但Processing語言規定一個字節的數據類型為byte，它所表達的數據范圍是-128～127，故需利用map函數進行比例的變化，并利用vertex函數繪制波形。

③ 手機界面設置。即繪制適配手機屏幕大小的圖形繪制區域，使其在手機合適的區域內顯示波形。

4.2 APP測試

HC-05模塊是一款常用的藍牙模塊，用于實現單片機與手機的通信。外接5 V的電源給藍牙模塊供電，將HC-05設置為主機模式并設置好波特率，啟動手機藍牙進行配對，配對完成后，即可直接打開APP使用。

使用醫用電極片作為采集電極進行了測試，測試照片如圖11所示。

圖11 APP測試照片

由圖11中手機端接收到的ECG信號波形可分辨出心電信號的基本特征，如P波、T波、QRS波群等，證明了該APP可實現實時顯示心電波形的功能。

5 結束語

針對醫用電極片以及普通干電極應用于心電監測系統中存在的弊端，研究了一種在PDMS基底上陣列金字塔結構的柔性電極制作方法。該方法通過金字塔結構增加電極表面積從而減少接觸阻抗，制備的柔性電極采集到較好的心電信號。同時，采用AD8232芯片進行了ECG信號處理電路設計，進行了基于安卓端APP的研發和測試，最終制作了一種基于柔性電極的便攜式心電監測裝置。后續工作將會致力于進一步小型化設計、心電信號的平滑濾波以及解決柔性電極的引線封裝等問題的研究。