基于人體ECG信號監測的汽車座椅研究

胡瑄

摘 要：設計了一種基于駕駛員生命信息個性化監測的汽車座椅，通過安裝在汽車座椅上的集成醫療傳感器系統，對駕駛員生命信號進行監測。使用容性耦合傳感器，對駕駛員運用電容式心電檢測技術，獲取人體ECG（心率）信號。設計了系統硬件結構，設計了包括數據采集和處理在內的電路，比較了傳感器組處于不同位置的下QRS（心電圖波群）值，解決了傳感器最佳安裝位置問題。實驗結果證明：該系統能夠較好的記錄駕駛員人體ECG信號，測試結果能夠在醫學上判斷出駕駛員身體狀況是否處于良好狀態。

關鍵詞：汽車座椅 智能化 生命信號 ECG信號 監測技術

近年來我國汽車行業發展日漸成熟，隨著家用汽車的不斷普及，人們關注汽車座椅的舒適性同時，也更加關注它的安全服務方面性能[1]。

人口結構的改變，社會上出現了越來越多的老年汽車司機，因此在汽車行駛過程中，對駕駛員的身體狀況進行實時監測勢在必行。傳統的汽車座椅控制系統已經無法滿足人們新的需求，更安全、更舒適、智能化及健康化體驗將成為未來汽車智能座椅的方向[2-3]。通過智能汽車座椅對駕駛員身體狀況實時監測，將有助于提高汽車行駛的安全性，避免由于駕駛員身體狀況變化而造成交通事故的發生。本文設計一種嵌入式結構智能汽車座椅，通過汽車集成醫療傳感器系統，對駕駛員ECG（心電信號）實時監測，在系統內進行數據分析，同時給出指標參數隨時間變化的特性曲線圖，自動識別駕駛員健康情況是否正常。

1 總體方案

傳統方式對人體生命特征監測的方法有很多種，例如人體呼吸監測方法有：電阻抗呼吸測量法、溫度傳感器法、壓力傳感器法等。脈搏跳動測量方法有：光電式脈搏波測量法[4]。由于有線連接式測量技術會影響汽車駕駛，上述裝置無法滿足汽車座椅對駕駛員生命體征監測，存在一定的局限性。

非接觸測量技術常用的有多普勒雷達生物信息傳感器，工作頻率有2.4GHz和5.8GHz兩種，但多普勒雷達傳感在射頻架構和多普勒信息解調等方面仍存在缺陷[5]，這一問題嚴重妨礙了多普勒雷達傳感在非接觸生命信號檢測中的實際應用。

1.1 系統結構框圖

本文運用電容耦合電測量方法對駕駛員生命信測量，其方法是心電信號通過電容耦合的方式進行數據采集，采集的信號經過濾波、放大、A/D轉換后，送到單片機中進行數據分析與處理，其系統方框圖如圖1所示。

2 嵌入式電容耦合心電監測系統設計

建立一個嵌入式結構系統，通過多個傳感器對駕駛員身體狀況進行數據采集，將采集到的電信號濾波，經過數模轉換（A/D），傳輸到中央處理器中進行數據分析與處理，通過無線藍牙實現數據通信[7]。通過上述系統對駕駛員生命信息ECG（心電信號）進行監測。

2.1 電容式心電監護ECG電路設計

ECG（心率）是指心臟在每個心動周期中，由起搏點、心房、心室相繼興奮，伴隨著心電圖生物電的變化，通過心電描記器從體表引出多種形式的電位變化的圖形。在本文中使用基于容性耦合原理的接觸式心電傳感器，其電路原理框圖及等效電路圖如圖2所示。

其中，電阻Rins、Rcloth分別表示絕緣層與織物層，圖中Cins表示絕緣層電容值，Rcloth則表示布料電容特性值，在本設計中絕緣層面積為Ains=4cm×8cm，厚度dins=0.2cm，電阻率ρins=5·1016Ωcm，系數εr=2.3[8]，假設絕緣層厚度均勻，Rins和Cins分別計算如下：

其中，系數ε0=8.854·10-12，織物厚度相對較小，通常純棉織物厚度大約平均為dcloth=0.25mm，其電極耦合面積為Acloth=32cm2，系數εb=1（主要考慮空氣）[9-10]，Ccloth可以計算出如下：

事實上，按照織物參數εb實際值計算，Ccloth值會有所增加，另一方面，附加織物層會使得Ccloth值有所增加，正常情況下由于Rcloth比較大（約幾個GΩ），所以上述情況可以被忽略掉[10]。然而，濕度的影響，例如人體大量出汗可能會導致Rcloth下降的比較多（下降到約幾個KΩ），因此電極耦合阻抗Zcouple可以計算如下：

Zcouple和ZE構成了一個分壓器，與所有的人體信號監測相同，ECG信號連續心電監測需要兩個有源電極，為了提供一個電位，這兩個信號后面接上運算放大器[9]。實踐中，任何環境電壓與人體耦合會產生共模電壓VCM，由于運算放大器的CMRR（共模抑制比）有限（在本設計中CMRR=115dB），共模電壓會對輸出信號電壓產生干擾（見圖3），必須盡可能的減小。

2.2 共模效應處理

為了最大限度地減少VCM，將電極不均勻性轉化為運算放大器輸入端的差分信號VD，通過虛擬電橋電路進行處理，其原理見圖4所示。

考慮到布料的不均勻性以及電極接觸不同人體的差異性，耦合阻抗Zcouple1和Zcouple2在無限共模抑制比情況下，ZE1≈ZE2=常數，輸入差值VD≠0。另外一個最大限度減小共模信號VCM的原因是，它在運算放大器輸入端會產生差分信號。

2.3 監測電路原理圖

在傳統電路中，為了減少共模效應，會通過參考電極的負反饋進行主動補償[10]。假設所有的電極耦合阻抗主要是容性（即C1和C2），見圖7所示，在本設計中采用一種電容式“驅動電路”進行ECG信號測量，其中Cp為虛擬耦合電容，活動電極的輸出信號通過反向放大反饋-2RF/RA，相當于絕緣金屬箔C3，VIM表示浮動電子與接地之間電位差，VG則表示身體與地之間的電位，其測量電路原理如圖5所示。

3 ECG智能檢測系統實現

3.1 數據采集

監測傳感器是一組帶有容性阻抗的線圈，通過傳感器對人體背部進行數據采集，實現ECG數據檢測，傳感器安裝在駕駛員座椅靠背上，與控制電路組成一體化監控系統。優化電極組合位置，可以很好的提高數據采集精度，通過實驗，我們研究了各種電極位置組合，得到了QRS數據（QRS波是心電圖上的一個波群，代表心室肌除極的電位變化，正常的QRS波群時間在0.06～0.10秒）[15]，位置組合情況見圖6所示。

我們測量了不同電極位置組合情況下QRS振幅，如表1所示，實驗表明電極傾斜排列比水平放置產生更高的靈敏度。事實上，相對橫軸，當正面測量在胸部上，典型心臟電軸在-300至+900之間變化，最佳監測值是300至600，這很適合背部測量。

3.2 硬件結構

智能監控系統安裝在汽車座椅背部，座椅上裝有容性耦合傳感器，使用墊片、線圈以機械方式連接安裝到金屬座椅骨架上，監測電路集成安裝在駕駛座椅靠背上，驅動平面由導電面積680cm2，每個電極表面間隙為1cm，厚度0.5mm的導電紡織品實現。主動電極被固定，到垂直中心的距離為12cm，水平距離為13cm如圖7所示。

感器監測的數據進行數模轉換，傳輸到微處理器MSP430，對數據進行處理，信號以1000HZ采樣頻率進行轉換，通過無線藍牙數據傳送方式，傳送到下位機（支持藍牙功能的筆記本），通過計算機應用程序用于數據處理和存儲。

4 實驗結果

在不同的駕駛場景下測試了汽車座椅ECG監測系統，在所有的試驗中，受試者都穿著正常的棉質襯衫厚度0.3mm，棉質褲厚度1mm。所有的測量結果都是在正常的呼吸條件下進行的，沒有任何高壓運動。用所設計的系統在不同汽車驅動狀態下獲得的ECG信號，如圖8所示。

實驗表明，汽車座椅監測系統在汽車不同工作狀態下：發動機關閉狀態（a）、怠速轉態（b）、行駛速度100Km/s狀態下，可以很好的記錄駕駛員人體ECG信號，測試結果能夠在醫學上判斷出駕駛員身體狀況是否處于良好狀態。

5 結語

本文提出了一種汽車智能座椅監測駕駛員生命信息概念，設計了嵌入式電容耦合心電監測汽車座椅系統，通過容性阻抗傳感器對駕駛員ECG數據采集，對比了傳感器位于不同測試位置所得到的數據，獲得傳感器最佳組合位置，即最佳監測值是兩個傳感器位置相對垂直中心300至600之間。建立了汽車座椅監測硬件結構，通過測試該系統能夠較好的記錄駕駛員ECG信號，測試結果能夠在醫學上判斷出駕駛員身體狀況是否處于良好狀態。一旦出現駕駛員身體異常情況，該系統裝置能夠通過告警方式提醒駕駛員停止駕駛，使得駕駛員對自己的身體情況動態了解，進一步提高汽車行駛安全性。

基金項目：江西省教育廳科學技術項目（GJJ212818）；景德鎮市科技計劃項目（20212GYZD001-01）。

參考文獻：

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