非接觸電極的便攜式心電測量系統(tǒng)

張旭東，劉 陳，崔強(qiáng)強(qiáng)

華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢市，430074

非接觸電極的便攜式心電測量系統(tǒng)

【作 者】張旭東，劉 陳，崔強(qiáng)強(qiáng)

華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢市，430074

心臟病是威脅人類健康的主要疾病，心電圖是診斷心臟疾病的重要工具。針對(duì)傳統(tǒng)心電測量設(shè)備的不足，設(shè)計(jì)了一種非接觸心電測量系統(tǒng)，基于耦合電容原理設(shè)計(jì)了一種非接觸電極，電極通過電容耦合方式采集心電信號(hào)并經(jīng)過放大、右腿驅(qū)動(dòng)、濾波處理后由單片機(jī)完成A/D轉(zhuǎn)換，由藍(lán)牙模塊將心電數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及顯示，同時(shí)終端可將測量結(jié)果發(fā)送到服務(wù)器，供使用者或醫(yī)生進(jìn)行健康監(jiān)測。測量結(jié)果表明，利用非接觸電極可精確采集心電信號(hào)，并在終端進(jìn)行心電關(guān)鍵參數(shù)提取。

電容耦合；心電；右腿驅(qū)動(dòng)；遠(yuǎn)程醫(yī)療

心臟病是威脅人類生命和健康的主要疾病之一，盡早地發(fā)現(xiàn)心臟病的征兆，及時(shí)了解心臟狀況，對(duì)心臟疾病的預(yù)防和及時(shí)診治具有重要的意義。心臟在心動(dòng)周期中，由起搏點(diǎn)、心室、心房相繼興奮，進(jìn)而引起體表電位變化，由心電傳感器引出這種電位變化的圖形就是心電圖。目前醫(yī)院或家庭使用的心電測量設(shè)備使用的都是濕電極，這種電極在使用前需要用酒精清潔皮膚以減小皮膚和電極之間的阻抗，但是濕電極不適用于嬰幼兒和皮膚過敏的人，并且不能重復(fù)使用，因而其使用范圍受到很大限制。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于非接觸電極的心電測量系統(tǒng)，不需要對(duì)皮膚進(jìn)行處理就可以采集心電信號(hào)。與濕電極相比，非接觸電極具有可重復(fù)使用、可靠、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用電池供電，具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，并可將心電信號(hào)發(fā)送到手機(jī)終端進(jìn)行顯示，利用手機(jī)與服務(wù)器進(jìn)行通信。與傳統(tǒng)設(shè)備相比，其便攜性和使用范圍得到了很大提高。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包含心電信號(hào)采集、心電信號(hào)處理、心電數(shù)據(jù)發(fā)送以及手機(jī)終端等功能模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 非接觸式心電測量系統(tǒng)框圖Fig.1 System diagram of non-contact ECG system

系統(tǒng)采用可充電鋰電池供電，通過穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生穩(wěn)定工作電壓。系統(tǒng)采用三導(dǎo)聯(lián)的方式測量心電信號(hào)，兩個(gè)非接觸電極分別放在左胸和右胸采集人體信號(hào)，經(jīng)緩沖電路后由儀表放大器做差分放大，得到人體心電信號(hào)。在儀表放大器端引出共模信號(hào)，經(jīng)右腿驅(qū)動(dòng)電路后由右腿驅(qū)動(dòng)電極反饋到人體以降低共模干擾。儀表放大器輸出的心電信號(hào)經(jīng)過高通濾波、低通濾波、后級(jí)放大處理后由單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并由

藍(lán)牙將心電數(shù)據(jù)傳到手機(jī)終端，最后終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后將心電圖顯示出來。利用手機(jī)，用戶可以將測量結(jié)果發(fā)送至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療功能。

2 信號(hào)采集處理

2.1 非接觸式電極

針對(duì)傳統(tǒng)電極有刺激性、不可重復(fù)使用等缺點(diǎn)，本文利用電容耦合原理設(shè)計(jì)制作了非接觸電極。電容耦合原理及非接觸電極實(shí)物圖如圖2所示。非接觸電極不需要對(duì)皮膚進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)皮膚表面不敏感并且可以植入到衣服里面，大大提高了病人的舒適度[1]。非接觸電極利用電極與人體皮膚形成的耦合電容來檢測人體體表電位變化，PCB板與人體皮膚構(gòu)成電容的兩極，空氣與衣物構(gòu)成絕緣介質(zhì)，電容電荷隨人體體表電場變化而變化，這樣就采集到了人體的心電信號(hào)。由于檢測到的心電信號(hào)大小與電容大小密切相關(guān)，因此電極面不能太小，電極與人體的距離不能太大。本文用直徑35 mm的PCB板作為心電電極，電極將采集到的心電信號(hào)送至緩沖電路。

圖2 電容耦合原理圖與非接觸式電極實(shí)物圖Fig.2 Capacitive coupling schematics and non-contact electrode

電極后接有兩級(jí)緩沖電路，第一級(jí)緩沖電路由電壓跟隨器電路構(gòu)成，可對(duì)采集到的微弱信號(hào)進(jìn)行緩沖[2]。第一級(jí)緩沖電路后接有RC高通濾波器以濾除低頻噪聲，第二級(jí)緩沖電路對(duì)此高通信號(hào)進(jìn)行緩沖并送至后續(xù)電路。經(jīng)緩沖電路輸出的信號(hào)仍很微弱，我們在電極上加了屏蔽層，以減小外部干擾的影響[3]。

2.2 儀表放大器與右腿驅(qū)動(dòng)

兩電極采集到的信號(hào)經(jīng)過緩沖電路后送入儀表放大器作差分放大，在儀表放大器輸出端得到心電信號(hào)[4]。本文選用INA333儀表放大器進(jìn)行差分放大，儀表放大器電路如圖3(a)所示。INA333是一種高共模抑制比、軌到軌輸出的精密儀表放大器，具有小尺寸、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，適合各種便攜式應(yīng)用。通過設(shè)置其外接電阻RG，可使其增益在1～1 000之間調(diào)節(jié)，增益表達(dá)式為：G = 1+100 kΩ/RG，本文將儀表放大器增益設(shè)置為4。利用自校準(zhǔn)技術(shù)，INA333保障了低噪聲密度，噪聲密度可達(dá)到50 nV/Hz。INA333在其輸入端還有RFI濾波器，能濾除輸入端的射頻干擾，適用于醫(yī)學(xué)信號(hào)放大。

心電信號(hào)是人體特定點(diǎn)之間的電位差，其幅值通常在mV量級(jí)，而信號(hào)中的共模干擾則可達(dá)到幾百mV，利用高共模抑制比儀表放大器可提高共模抑制比，但這樣對(duì)共模信號(hào)的抑制仍然不夠，因此需要用右腿驅(qū)動(dòng)電路來進(jìn)一步提高共模抑制比，如圖3(b)所示。右腿驅(qū)動(dòng)電路是從儀表放大器的增益調(diào)節(jié)電阻中間提取出共模信號(hào)，經(jīng)電壓跟隨器和反相放大器后連接到右腿驅(qū)動(dòng)電極。右腿驅(qū)動(dòng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，可有效衰減人體的共模干擾[5-6]。

圖3 電路原理圖Fig.3 Circuit diagram

2.3 濾波與后級(jí)放大

心電信號(hào)的頻率范圍在(0.1～100) Hz之間，90%的能量集中在(0.25～40) Hz之間，而人體呼吸、電極移動(dòng)會(huì)帶來諸如基線漂移等低頻信號(hào)，此外還有肌電干擾等高頻信號(hào)，這些信號(hào)的頻率范圍廣，通常與心電信號(hào)疊加在一起，這會(huì)使系統(tǒng)的信噪比降低，加入高通和低通濾波電路可消除這些高頻和低頻干擾[7]。通過對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行頻譜分析可以發(fā)現(xiàn)，心電波形的整體頻譜范圍在(0～40) Hz之間，各特征波如QRS波、P波、T波的能量集中在低頻段[8]，為了簡化電路結(jié)構(gòu)，減小系統(tǒng)功耗，本文沒有采用工頻陷波電路，而是將高通濾波器截止頻率設(shè)置為0.5 Hz，將低通濾波

器截止頻率設(shè)置為40 Hz。

經(jīng)儀表放大器與濾波電路處理后的信號(hào)的幅值只有20 mV左右，為滿足單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)化的需要，需加入后級(jí)放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行再次放大，后級(jí)放大電路的放大倍數(shù)設(shè)置為50，經(jīng)放大后的信號(hào)幅值為1 V左右。在后級(jí)放大輸出端由示波器讀出的波形如圖4所示，從圖4中可看出心電圖的QRS波、T波等特征波形，但是波形中還夾有部分噪聲，這部分噪聲用數(shù)字濾波方式濾除。

圖4 后級(jí)放大電路輸出端得到的心電圖Fig.4 The ECG taken at the amplif i er circuit

3 數(shù)據(jù)采集發(fā)送

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集工作由單片機(jī)完成，選用C8051F310單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。C8051F310內(nèi)部有一個(gè)10 bit SAR ADC，該ADC工作在200 ksps的最大采樣速率時(shí)可提供真正的10 bit精度，INL為±1 LSB。ADC系統(tǒng)包含一個(gè)可編程的模擬多路選擇器，用于選擇ADC的正輸入和負(fù)輸入。用戶固件可以將ADC置于關(guān)斷狀態(tài)以節(jié)省功耗[9]。后級(jí)放大電路輸出端與單片機(jī)P2.4引腳相連，將模擬心電信號(hào)送至單片機(jī)完成A/D轉(zhuǎn)換。

3.2 數(shù)據(jù)發(fā)送

心電信號(hào)在單片機(jī)中經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)與藍(lán)牙進(jìn)行通信，由藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)。藍(lán)牙模塊選用博陸科公司的BLK-MD-BC04，如圖5所示。藍(lán)牙模塊的的UART口與單片機(jī)的UART連接，實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。BLK-MD-BC04藍(lán)牙模塊支持軟/硬件設(shè)置主從模式，本文將藍(lán)牙模塊的PIO(5)懸空，使其工作在從模式。在藍(lán)牙模塊上加上了LED狀態(tài)指示燈，等待配對(duì)過程中LED均勻慢速閃爍，連接建立后LED長亮。連接建立后，藍(lán)牙即可將心電數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)終端。

4 移動(dòng)終端處理與顯示

本系統(tǒng)開發(fā)了一個(gè)基于安卓的手機(jī)客戶端，終端可將由藍(lán)牙發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在前述的心電處理過程中，通過加右腿驅(qū)動(dòng)和濾波電路，已經(jīng)濾除了大部分噪聲，但是仍有部分噪聲無法使用硬件電路來消除，因此用數(shù)字濾波的方法對(duì)數(shù)據(jù)做了進(jìn)一步處理。終端也有心電檢測算法，其流程如圖6所示。低通濾波、高通濾波算法產(chǎn)生通頻帶為(8～16) Hz的帶通濾波器。波形檢測算法可對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，判斷某波峰是否為QRS波。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得到用戶的心率、心電圖的QT間距、PR間距等關(guān)鍵參數(shù)。用戶可選擇單次測量和動(dòng)態(tài)測量，并可根據(jù)自己的身體狀況選擇將測量結(jié)果發(fā)送到服務(wù)器，請(qǐng)求醫(yī)生幫助。

圖5 藍(lán)牙模塊實(shí)物圖與應(yīng)用電路Fig.5 Bluetooth module and application circuit

圖6 心電檢測算法流程圖Fig.6 Flowchart of ECG detection algorithm

我們用非接觸心電測量系統(tǒng)對(duì)測試者進(jìn)行了測量，在手機(jī)終端得到了測試者的心電圖，如圖7所示。

圖7 手機(jī)客戶端得到的心電圖Fig.7 The ECG shown on the mobile

圖7(a)是電極貼著皮膚測量得到的心電圖，可觀察到清晰的QRS波，其他特征波形也比較清晰，圖7(b)是電極隔著衣服測量得到的心電圖，與圖7(a)相比，波形幅值有所減小，而且也引入了部分噪聲，但QRS波仍較清晰，滿足日常心電監(jiān)護(hù)的需求。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)提供用戶、醫(yī)生、管理員三個(gè)入口，用戶可在平臺(tái)上完善自己的信息，將手機(jī)端得到的數(shù)據(jù)同步至服務(wù)平臺(tái)，醫(yī)生可在服務(wù)平臺(tái)上查看用戶的測量結(jié)果，并接收用戶的求助提示，根據(jù)用戶測量結(jié)果可給出相應(yīng)的建議和幫助。

5 總結(jié)

本文基于電容耦合原理設(shè)計(jì)制作了非接觸式電極，設(shè)計(jì)了放大、濾波、處理電路，在貼著人體和隔著衣物的情況下對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行精確測量，利用開發(fā)的手機(jī)終端軟件對(duì)信號(hào)做了數(shù)字濾波及波形特征參數(shù)提取。后續(xù)工作重點(diǎn)是進(jìn)一步減小功耗、提高系統(tǒng)的便攜性，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間心電監(jiān)測。

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Portable ECG Measuring System with Non-contact Electrode

【 Writers 】Zhang Xudong, Liu Chen, Cui Qiangqiang
School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074

【 Abstract 】Heart disease is the major disease that threaten human health. ECG is an important tool for the diagnosis of cardiac disease. As traditional ECG measurement devices have many disadvantages, a non-contact ECG measurement system was designed. With the non-contact electrode based on capacitive coupling, the signals were collected and then they were ampli fi ed and fi ltered. The conditioned analog signal was converted to digital data which was sent to the mobile terminal through bluetooth. Finally, the ECG data was analyzed to extract the key ECG parameters. The results showed that the precise ECG signals can be got with the non-contact electrode and the key ECG parameters can be acquired accurately.

capacitive coupling, electrocardiogram (ECG), driven-right-leg, telemedicine

TH789；TP274

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.03.003

2013-11-29

國家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAJ05B07)

劉陳，副教授，E-mail: liuchen@hust.edu.cn

1671-7104(2014)03-0168-04