共享電極的心電和皮膚電導(dǎo)電路的研制

羅倩倩

摘要：本文描述了一種使用金屬電極的生物電勢(shì)測(cè)量電路的研制，將心電圖測(cè)量和皮膚電導(dǎo)、皮膚電生理參數(shù)測(cè)量電路融合在一起，提供一種小尺寸、低功耗的便攜式電路設(shè)計(jì)。同時(shí)，考慮到對(duì)人體的安全方面保護(hù)的功能。

關(guān)鍵字：心電；皮膚電生理；呼吸檢測(cè)；生命體征傳感器

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）31-0202-02

Research Based on Shared Electrode Bio-potential Signal Acquisition

LUO Qian-qian

（ IOT Department， Wuxi Vocational Institute of Commerce，Wuxi 214000，China）

Abstract： his article describe one kind of bio-potential signal acquisition circuit with shared electrode. It could be used for ECG， skin conductive（GSR） measurement and provide one kind of smaller size， low power design for portable device Meanwhile， it also consider the safety mechanism for user.

Key words： ECG； GSR； RESP； VSM

隨著社會(huì)的發(fā)展、生活水平的提高，人們對(duì)于健康保健的需求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的院級(jí)醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀器已不能完全滿足要求，因此對(duì)新的傳感器技術(shù)以及多傳感器融合的需求也越來(lái)越多。近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用刺激了市場(chǎng)對(duì)小體積、低功耗傳感器的設(shè)計(jì)需求，多傳感器融合用或者傳感器復(fù)用是研究的重點(diǎn)之一。

心電檢測(cè)一直是生命體征傳感器中最重要的部分，已經(jīng)持續(xù)了上百年的研究積累，并且有越來(lái)越多的公司已經(jīng)能夠提供心電圖檢測(cè)方案，一個(gè)經(jīng)典的傳感器復(fù)用的案例是醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀中將心電和呼吸檢測(cè)復(fù)用同一個(gè)電極，這能最大程度地減少設(shè)備體積、方便用戶使用。皮膚電導(dǎo)的研究已經(jīng)持續(xù)了上百年，目前比較成熟的應(yīng)用是檢測(cè)身體中的水分、脂肪及肌肉各成分的含量，皮膚電生理的研究也一直在持續(xù)，目前已有公司能夠檢測(cè)出簡(jiǎn)單的情緒波動(dòng)及疲勞等情況。

心臟本身的生物電變化通過(guò)心臟周圍的導(dǎo)電組織和體液，反映到身體表面上來(lái)，使身體各部位在每一心動(dòng)周期中也都發(fā)生有規(guī)律的電變化活動(dòng)。將測(cè)量電極放置在人體表面的一定部位記錄出來(lái)的心臟電變化曲線，就是目前臨床上常規(guī)記錄的心電圖（用ECG表示）。普通心電圖是在人安靜狀態(tài)下記錄的心電圖，因?yàn)橛涗洉r(shí)間很短，因此，有些發(fā)作性心臟事件（如早博）常不能反映出來(lái)，也不能正確反應(yīng)人在正?；顒?dòng)中一段時(shí)間內(nèi)的心電狀況。這就要用動(dòng)態(tài)心電圖，動(dòng)態(tài)心電記錄儀體積很小，可以帶在身上，記錄24小時(shí)心電變化，有助于疾病診斷。

人的情緒變化總是伴隨著一系列生理變化。如呼吸、血壓、脈搏、血管容積和腺體分泌等。皮膚電傳導(dǎo)的變化與汗液分泌相關(guān)，而汗腺活動(dòng)又受到中樞神經(jīng)系統(tǒng)和交感神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制。因此皮膚電反應(yīng)間接地反映了神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)狀態(tài)。許多心理現(xiàn)象與皮膚電水平有密切關(guān)系。人在情緒狀態(tài)時(shí)，皮膚內(nèi)血管的舒張和收縮以及汗腺分泌等的變化，能引起皮膚電阻的變化。例如，當(dāng)你感到鎮(zhèn)定和放松時(shí)，皮膚電阻會(huì)增大（電流減?。欢?dāng)緊張、興奮、心煩意亂時(shí)皮膚電阻會(huì)降低，使電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這種由刺激引起的心理興奮或抑制產(chǎn)生的皮膚電傳導(dǎo)變化的現(xiàn)象、稱為皮膚電反射，簡(jiǎn)稱GSR。皮膚電傳導(dǎo)的變化受刺激強(qiáng)度、工作進(jìn)程、工作性質(zhì)、適應(yīng)水平、情緒強(qiáng)度等因素的影響。

由于ECG和皮膚電生理都是基于導(dǎo)電電極的生物電勢(shì)檢測(cè)方法，本文將重點(diǎn)研究一種復(fù)合傳感器的電路，該平臺(tái)能兼容上述各種基于生物電勢(shì)測(cè)量的功能，即使用同一種電路實(shí)現(xiàn)心電、呼吸、身體成分及皮膚電生理等指標(biāo)的測(cè)量，已實(shí)現(xiàn)小型化、低功耗、省成本的最終目的，數(shù)據(jù)的分析可以由大數(shù)據(jù)平臺(tái)來(lái)統(tǒng)一完成，設(shè)備端將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、剔除無(wú)效數(shù)據(jù)等預(yù)處理后由無(wú)線方式傳輸至后端。

1系統(tǒng)架構(gòu)

傳感器電極采用多電極，包括兩個(gè)或多個(gè)采集電極和一個(gè)參考電極，為了兼容多種生物電勢(shì)測(cè)量，在采集前端上統(tǒng)一放置保護(hù)單元和功能切換開(kāi)關(guān)，這種架構(gòu)能保證在只有一套模數(shù)轉(zhuǎn)換核心單元的情況下完成所有的生物電勢(shì)測(cè)量。采集的控制和數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作主要由處理器來(lái)完成，處理器處理完數(shù)據(jù)后可將數(shù)據(jù)經(jīng)藍(lán)牙傳輸至智能手機(jī)應(yīng)用程序處理，智能手機(jī)的應(yīng)用程序可與后臺(tái)的大數(shù)據(jù)連接?；蛘撸K端硬件可搭載GPRS/3G模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)直接上傳至服務(wù)器數(shù)據(jù)服務(wù)中心，具體取決于用戶需求及商業(yè)模式的需要。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 電路原理

保護(hù)用戶安全是設(shè)計(jì)生命體征傳感、監(jiān)護(hù)設(shè)備的關(guān)鍵，所有的設(shè)計(jì)都應(yīng)該在按照醫(yī)療器械的漏電流標(biāo)準(zhǔn)即正常情況下小于100uA，單一故障情況下小于500uA。下圖1所示，我們?cè)陔姌O的輸入（下圖1節(jié)點(diǎn)a和b）與后端信號(hào)調(diào)理、采集電路之間加了如下圖1所示的隔離阻容即CISO和RACCESS，CISO起到隔直的作用RACCESS起到限流的作用，兩者合一的阻容網(wǎng)絡(luò)可以有效限定給定頻域的信號(hào)電流。下圖1中VAC給未知阻抗的測(cè)試樣本Unknown Z一個(gè)激勵(lì)電壓，IMETER測(cè)量整個(gè)回路的電流，從而計(jì)算出整個(gè)回路的阻抗，這里的阻抗是待測(cè)樣本Unknown Z的復(fù)阻抗。為了消除隔離阻容即CISO和RACCESS引入的誤差，我們又加入了VMETER來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)a和b間的電壓差（如下圖1中的紅框所示）。

圖1 具體電路設(shè)計(jì)

2.2 具體測(cè)試方法

通過(guò)對(duì)待測(cè)樣本測(cè)得的數(shù)據(jù)及激勵(lì)頻率分析，我們能獲得測(cè)試樣本Unknown Z的復(fù)阻抗值，進(jìn)而可以獲得待測(cè)復(fù)阻抗的各項(xiàng)系數(shù)。下面的RCAL指的是用于校準(zhǔn)的精密電阻，使用時(shí)先用同樣的電路測(cè)量校準(zhǔn)電阻然后再測(cè)試待測(cè)樣本，這樣可以消除由電路板本身寄生電容和走線電容引起的誤差。

在節(jié)點(diǎn)a和b間加VMETER來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)電壓差的同時(shí)也要在采集通路上加隔離阻容即CISO和RACCESS。這個(gè)電路的好處是可以同時(shí)用來(lái)采集心電信號(hào)，心電測(cè)量電極連接于節(jié)點(diǎn)a和b處。這使得這套電路可以實(shí)現(xiàn)采集心電和皮膚電導(dǎo)，但是并不是同時(shí)測(cè)量，處理器決定什么時(shí)候采集ECG什么時(shí)候采集皮膚電導(dǎo)。ECG信號(hào)也可在節(jié)點(diǎn)a和b處獲得，這里的CISO和RCM有兩個(gè)作用。一個(gè)作用是構(gòu)成了一個(gè)高通濾波器以濾除心電心號(hào)中的低頻部分，另一個(gè)作用是RCM也給后面的運(yùn)放提供了一個(gè)電流泄放回路，保證運(yùn)放正常工作。IMETER實(shí)際是利用ADC資源來(lái)轉(zhuǎn)換ECG模擬信號(hào)至數(shù)字域。

3測(cè)試結(jié)果

3.1 模擬復(fù)阻抗測(cè)試結(jié)果

為了標(biāo)定系統(tǒng)電路的性能，我們選取標(biāo)準(zhǔn)的精密阻容構(gòu)成不同的串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，然后用該電路進(jìn)行測(cè)試以標(biāo)定電路系統(tǒng)的性能，表1測(cè)試結(jié)果證明絕對(duì)誤差小于0.2%。這個(gè)精度已經(jīng)達(dá)到了醫(yī)療級(jí)檢測(cè)呼吸率的要求，因?yàn)槿梭w呼吸時(shí)會(huì)引起胸腔肺活量的變化，這個(gè)變化也體現(xiàn)在復(fù)阻抗的變化，只不過(guò)激勵(lì)頻率在測(cè)量呼吸時(shí)我們使用50KHz。

表1 復(fù)阻抗測(cè)試結(jié)果

[測(cè)試＼&待測(cè)樣本＼&最大絕對(duì)誤差＼&最大可重復(fù)誤差＼&1＼&10k? 精度0.1%＼&0.169%＼&0.0239%＼&2.392?＼&2＼&10k? + 478pF

10k? 精度0.1%

478pF精度0%＼&0.083%＼&0.0242%＼&4.046?＼&3＼&（10k?+478pF） || 1M?

10k? 精度0.1%

478pF精度0%

1M? 精度0.1%＼&0.080%＼&0.014%＼&2.333?＼&4＼&（10k?+478pF） || 10M?

10k? 精度0.1%

478pF精度0%

10M? 精度1%＼&0.073%＼&0.0242%＼&4.031?＼&]

3.2 ECG測(cè)試結(jié)果

同樣的電路也可以用來(lái)測(cè)量心電圖，將節(jié)點(diǎn)a和b接心電電極片，用雙手接觸檢測(cè)電極即可記錄波形，由于心電電路是交流耦合的連接方法，測(cè)試的波形如下，ST段波形有明顯抬升，這并不是“病態(tài)”，是由硬件的高通濾波器造成的，但由于便攜式心電并不追求精密的心電診斷功能，所以這樣的波形基本能滿足要求。

3.3 皮膚電導(dǎo)測(cè)試結(jié)果

利用上述測(cè)試電路設(shè)定DAC的輸出激勵(lì)信號(hào)為80Hz或更低，將此信號(hào)加到測(cè)試電路上檢測(cè)待測(cè)樣本或電極間的，然后讓待測(cè)者默默地想象一下另自己悲傷的事情或者高興的事情，從結(jié)果上看波形有明顯的“凹坑”或“凸起”，這說(shuō)明情緒的變化會(huì)引起神經(jīng)活動(dòng)的變化，而神經(jīng)傳遞信息的變化體現(xiàn)為電信號(hào)的變化，這被儀器記錄了下來(lái)，但遺憾的是我們目前只能捕捉到這些“變化”，反過(guò)來(lái)如果知道這些變化并不知道具體是什么情緒波動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文描述了一種共享電極的心電和皮膚電導(dǎo)電路的設(shè)計(jì)，具體描述了電路的構(gòu)成及工作原理，多參數(shù)測(cè)量分時(shí)復(fù)用同一個(gè)傳感器有利于降低設(shè)計(jì)成本及設(shè)計(jì)尺寸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明測(cè)試精度及實(shí)用性都能滿足要求，在皮膚電生理方面我們的實(shí)驗(yàn)電路雖然能捕獲一些由于情緒波動(dòng)引起的“波動(dòng)”，但反過(guò)來(lái)并不能由“波動(dòng)”推測(cè)出具體是什么情緒分類，這需要在后續(xù)的研究中進(jìn)一步結(jié)合大數(shù)據(jù)分析。

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