基于电容耦合的多导联心电监测系统研究*

李天涵,徐效文,梁 莹

(中南大学物理与电子学院,湖南 长沙 410083)

基于电容耦合的多导联心电监测系统研究*

李天涵,徐效文*,梁 莹

(中南大学物理与电子学院,湖南 长沙 410083)

传统的非接触式心电监测系统在硬质印刷电路板构建的电容电极基础上,使用单导联方式进行心电监测,且仅根据心率变化进行心脏异常诊断,无法满足当前临床诊断标准。基于电容耦合原理,设计了一款多导联心电监测系统,将3个由导电织布构成的柔性电容电极集成于椅座背部,用于获取标准肢体导联Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和加压单极肢体导联aVR、aVL、aVF等6导联心电信号。借由导电织布式柔性电容电极与人体表面较好的接触效应,可以有效减小运动伪影的产生。通过与硬质PCB电极输出的心电波形相比,使用本系统的患者在移动情况下输出的心电波形保持相对平稳状态,无明显运动伪影。系统实验证实了此新型多导联心电监测仪的有效性,不仅可以满足个人日常心电监测使用,而且适于长期动态心电监测。

心电监测;多导联;电容耦合;柔性电容电极;

目前造成国内居民死亡的各类疾病中,40%以上来源于心血管疾病[1],常用的诊断心血管疾病的方法主要是心电图[2]。传统心电监测系统所使用的电极需要直接接触人体皮肤、不能重复使用、操作繁琐,特别不适合应用于长期的心电监测,而基于电容耦合原理的心电监测系统则能够很好的解决这个问题。电容电极相比于传统的电极,能够避免直接与人体体表接触,实现隔着衣服监测心电信号的功能[3-4]。在1969年,Lopez等将电容耦合原理应用于心电监测方面[5];Aleksandrowicz等采用了两个硬质电容电极安装在普通办公椅,设计了能检测人体心电信号的“亚探智能椅”[6];董永贵等采用一个反向接地的二极管作为高阻抗的偏置电阻,开发了基于电容耦合的穿戴式心电监测系统[7]。电容电极可应用于多种不同的生活场景中,比如日常家庭心电监护[8]或者汽车驾驶监护[9-10]等。由于基于电容耦合的穿戴式心电监测系统都采用单导联方式检测心电信号,而且电容电极对外界环境特别敏感,因此检测到的单通道心电信号极有可能因不准确而导致误诊。

针对以上所述问题,本文设计了一种基于电容耦合的多导联心电监护系统,使用者只需坐在椅子上隔着衣服即可长时间监测人体心电信号,获取6导联心电信号,即标准肢体导联Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和加压单极肢体导联aVR、aVL、aVF。感应电极中与人体接触面部分使用的材料是导电织布,它能够充分的贴合人体体表,从而有利于减小运动伪影,促进监测的舒适度,特别适用于汽车驾驶、办公环境或家庭环境中的心电监护。如在驾驶环境中,能实现对驾驶员疲劳程度的检测,防止疲劳驾驶;在办公环境中,可长期监测在电脑前工作的白领身体指标,避免工作过度疲劳导致晕厥或猝死。

1 系统设计

系统整体框图如图1所示,本系统是由柔性电容电极、信号处理电路、信号采集和传输等3部分构成,信号处理电路注意包含威尔逊网络、多路复用电路、差动放大电路、滤波电路、后级放大电路及电平抬升。

图1 多导联心电监测系统结构框图

图2 柔性电容电极布置位置图

本系统将由导电织物和缓冲电路组成的3个柔性电容电极安放于椅座靠背,由导电织物构成的参考电极作为右腿驱动反馈端放置于椅座上,如图2所示。电极所采集到的信号通过威尔逊网络分离出标准肢体导联轴RA、LA、LL,及加压单极肢体导联轴RR′、LL′、FF′,经过多路复用电路选择2路导联轴信号到仪表放大器的正、反相端,通过微处理器控制可以输出6通道不同导联的信号。通过差动放大输出的信号再经滤波模块、后级放大及电平抬升电路处理后,由信号采集和传输模块对信号进行A/D转换和无线传输。信号采集和传输模块由基于STM32F407处理器的最小系统和蓝牙发送模块两部分构成,可在液晶屏上操控输出各个导联心电波形和心电参数。各个心电数据可通过蓝牙模块发送至PC端或手持设备对心电数据进行存储或上传,记录每天的身体状况为医生提供诊断信息。

2 多导联心电监护系统

2.1 柔性电容电极

针对传统电极需要与体表直接接触、不能重复使用、操作繁琐以及一般非接触式心电监护系统采用单导联方式,使用硬质的PCB板作为电极等缺陷。本文利用电容耦合原理设计了一种由导电织物和缓冲电路构成的柔性电容电极。由于导电织物具有柔软性又有导电性,在心电检测时能够非常贴合人体体表,大大提高使用的舒适度,特别有利于减小运动伪影[11]。柔性电容电极的原理是人体体表与电极表面导电织物构成耦合电容的两极面,而中间的衣物则为绝缘介质,电容电极的外表面电位会随体表电位的变化而变化,从而实现隔着衣物采集人体体表电位[12]。体表与导电织物构成的耦合电容大小为:

Cc=ε0εrA/d

(1)

式中:A为导电织物的面积,d为衣物的厚度(在几mm左右),εr为衣物的介电常数,ε0为空气的介电常数。根据以上的参数估算,耦合电容值大约在10 pF～100 pF的范围变化。

图3 电极结构和缓冲电路

柔性电容电极的结构和电路如图3所示,它由导电织物、泡沫和印刷电路板构成。导电织物是与人体衣物接触部分,具有柔软性和舒适性的特点,能紧密贴合人体背部,有利于减小运动伪影的干扰,而且中间的泡沫层也有助于人体表面与电极接触的紧密性[13]。印刷电路板上电路为柔性电容电极的缓冲电路,若导电织物和缓冲电路之间的电气连接过长会导致外界干扰与信号衰减,所以将缓冲电路与信号处理电路分开单独放置于导电织物下。缓冲电路采用低噪声、低配置电压、轨到轨输入输出的精密运放LMP7732。第一级运算放大器1是比例放大器,Rs1与Rs3的数值决定了放大倍数,该放大器既能放大体表电位,又能构成阻抗变换,使其获得高输入阻抗,避免体表电位在电容耦合过程中衰减过多。运放2为直流伺服电路,可去除体表电位中的电位偏置。一般电容电极输入端需接高阻值的偏置电阻Rb,但偏置电阻与耦合电容会构成高通滤波器,造成部分信号缺失现象。本文的柔性电容电极无需外接偏置电阻,依靠CMOS型LMP7732运放内部的ESD保护单元和其他的寄生漏电流即可实现自我偏置,使电极达到最佳的信噪比[14]。

2.2 信号处理电路

信号处理电路包含了威尔逊网络、多路复用电路、差动放大电路、滤波电路、后级放大电路及电平抬升。威尔逊网络是通过在3个肢体端分别串联一个平衡电阻,使之跟心脏的电阻数值接近,再将3个点连接起来获得稳定的电位点即威尔逊中心端,从而分离出各个导联轴如图4所示。

图4 导联关系和威尔逊网络

将各个导联轴连接到多路复用电路,通过多路复用电路能够控制输出不同的导联连接方式,可以省去多个心电处理电路,从而精简仪器。本系统可以输出标准肢体导联Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和加压单极肢体导联aVR、aVL、aVF,各个导联信号通过式(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)

差动放大电路选用了精密仪表放大器INA128进行差动放大,具有高的共模抑制比。差动放大电路就是通过差分电路把双端的心电差分信号转变成对地的单端心电信号,最后再进一步的放大心电信号。差分放大电路的共模干扰信号会与右腿驱动电路连接输出,反馈到人体就能够有效的减小共模干扰。但是电路中仍有一部分工频干扰信号以差模方式的混入心电信号中,所以系统采用双T型陷波器来进一步滤除信号中的工频干扰。为了保证陷波器中心频率的稳定性和陷波深度,选用了精度高、温漂小的电容电阻。本系统在信号处理电路中加入有源低通、高通滤波器来进一步消除低频和高频干扰,高、低通滤波器的截止频率分别为0.5 Hz和100 Hz。差动放大电路的放大倍数只有10倍左右,而心电原始信号的幅值小于1 mV,所以信号需再经过后级主放大电路放大100倍左右以满足A/D转换要求。微处理器的内置A/D转换的输入电压是0～3.3 V,最后通过电平抬升电路对信号进行抬升至0～3.3 V范围内。

2.3 信号采集与传输

信号的采集与传输是由基于STM32F407处理器的最小系统和蓝牙模块构成的。为了实现家庭式心电仪交互界面的人性化,将uC/OSⅢ实时操作系统内核移植到STM32F407处理器上,结合STemWin图形库,既可以实现多任务管理分配,又可以设计一个交互式图形操作界面,更加贴合现代用户操作习惯,图5为信号的采集与传输的液晶屏显示界面。采用STM32F407自带的ADC对心电信号进行A/D转换,再对信号进行滤波和数据处理得到心率值,最后在图形化界面上操控按顺序输出各个导联心电波形和心电参数。液晶屏上显示的图形操作界面,可通过触摸屏控制采样频率、幅值大小等,系统输出导联方式也可通过实体按键控制。

图5 液晶显示屏操作界面

本系统可以通过蓝牙模块将心电数据和心率值传输至PC端或手持设备,对人体健康信息进行数据收集和分析,便于掌握用户每天的身体状况或可分享给医生进行远程诊断。

3 测试结果

本文设计的基于电容耦合多导联心电监护系统集成于椅座泡沫靠背上,其中信号处理电路模块嵌入泡沫靠背内部,能够自动获取6导联心电信号或通过实体按键切换选择某一导联信号,最后可通过蓝牙发送至PC端或手持设备对数据收集和分析。

为了测试柔性电容电极的性能,利用柔性电容电极和一般的硬质PCB电极做了一组单导联式对比实验。如图6为采用硬质PCB作为电极与导电织物式柔性电极的对比测试结果,图6(a)为利用硬质PCB电极测量到的心电信号,图6(b)利用本文设计的柔性电容电极测量到的心电信号。图6(a)前一部分时间段,在人体稍微移动情况下，心电波形产生了运动伪影，波动较大,而图6(b)的在移动情况下,心电波形则是依旧保持相对的平稳状态,无明显的运动伪影。

图6 硬质PCB电极与柔性电容电极测试结果对比

除了上述的测试实验,本系统为了验证实际的检测效果进行了实际人体监测,测试者为一名为男性,身穿一件长袖棉质T恤,衣物厚度0.9 mm。将装置固定于椅背上,测试者坐于椅子上,可自动获取6导联心电信号或通过按键切换选择某一导联通道。该系统整个过程无需使用者操作,只需坐于椅子上,几秒钟后就能在嵌入式终端实时观察到心电波形,适合于长期心电监测。

实验结果如图7所示，其中图7(a)是用模拟仪作为输入信号源，在输出端检测到的6导联心电信号，图7(b)为男性测试者隔着厚度为0.9 mm的衣物测量到的6导联心电信号，即标准肢体导联Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和加压单极肢体导联aVR、aVL、aVF。从实验测量结果可用看出，隔着衣服能够测量到6导联心电波形，能清晰地观察到QRS波、T波、P波，能够很好地检测出人体心电信号的主要特征，各个导联心电波形也比较平稳。利用本文所设计的多导联心电监测系统，对人体进行测量得到的6导联心电波形特征，与利用模拟仪作为输入信号源测量到的6导联心电波形特征是一致的。

图7 用人体作为测试对象与用模拟仪作为测试对象检测到的心电信号对比

4 结论与展望

本文设计了基于电容耦合多导联心电监测系统，柔性电容电极集成于椅座靠背上，信号处理电路嵌入泡沫靠背内部，能够隔着厚度为0.9 mm的衣物测量到6导联心电信号，即标准肢体导联I、II、III和加压单极肢体导联aVR、aVL、aVF，可用避免单导联心电监测系统提供的信息不够全面的缺点。综合6导联心电信号可以获得较为详细的心脏活动信息，能够全面地了解心脏活动状况。本系统操作便捷、适合长期监测，适用于汽车驾驶、办公环境或家庭护理等场合。

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李天涵(1991-),男,福建莆田人,硕士研究生,主要研究方向为生物医学仪器,litianh@csu.edu.cn;

徐效文(1978-),男,江苏徐州人,中南大学副教授,主要研究方向为生物医学信号检测、智能仪器研发,xuxiaowen@csu.edu.cn;

梁莹(1994-),女,湖南吉首人,硕士研究生,主要研究方向为生物医学信号处理,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

项目来源:国家自然科学基金项目(2110127)

2017-02-27修改日期2017-07-26

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.11.023