智能心電信號監(jiān)測設備研究現(xiàn)狀

馬 帥，侯世科，樊毫軍，范 斌

（天津大學災難醫(yī)學研究院，天津 300072）

0 引言

延遲檢測是心血管疾病患者死亡率高的主要原因，而大多數(shù)心律失常的診斷具有挑戰(zhàn)性，因為這種疾病是短暫的、陣發(fā)性的，有時是無癥狀的[1]。許多與心臟相關的并發(fā)癥，如心臟驟停、心律不齊、充血性心力衰竭、冠狀動脈疾病等可以通過實時監(jiān)測心電信號避免或預防。隨著科技發(fā)展和生活水平的提高，人們的健康意識也逐漸提高，持續(xù)監(jiān)測身體生理參數(shù)以了解自身健康狀況的需求不斷增加。而隨著電子設備小型化、低功耗微處理器性能的提高以及人工智能的發(fā)展，構建可穿戴式智能個人健康信息監(jiān)測系統(tǒng)成為可能。本文對國內外智能心電信號監(jiān)測電極及監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進行綜述，分析目前智能心電信號監(jiān)測設備的優(yōu)缺點，并提出發(fā)展展望。

1 國內外智能心電信號監(jiān)測電極研究現(xiàn)狀

心電信號監(jiān)測電極主要有濕電極、干電極、電容耦合電極和紡織電極等。傳統(tǒng)心電信號監(jiān)測電極（濕電極）通常是直接附著在患者皮膚上的銀或氯化銀電極，這類電極長期應用非常不方便，容易導致皮疹和過敏。干電極省略了對電解質凝膠的需要，雖然比濕電極更舒適，但由于皮膚和電極之間直接接觸，可能會危害使用者的安全。電容耦合電極是一種非接觸電極，根據(jù)患者皮膚和電極之間電荷電容耦合的原理工作[2]。目前，出現(xiàn)傳統(tǒng)干濕電極向基于紡織品電極、針織集成和平面時尚電路板等多種可穿戴式電極轉變的趨勢。與可穿戴傳感器的發(fā)展相對應，針織集成傳感器的使用也有了同樣的增長，此類傳感器將電子元件編織其中，提高了傳感器的舒適度。心電信號監(jiān)測電極的最新進展是使用平面時尚電路板，直接將電路通過銀漿印刷在織物上[3]。

1.1 國外智能心電信號監(jiān)測電極研究現(xiàn)狀

德國戴姆勒公司[4]使用5個附著在方向盤上的黃銅電極測量駕駛員的心電信號，并采用電極活性電路作為信號調節(jié)電路，以提高駕駛員駕駛車輛時電極的動態(tài)范圍和心電信號監(jiān)測的穩(wěn)定性。但是金屬干電極連接到彎曲的方向盤上時會出現(xiàn)靈活性差的問題，而且只有5個黃銅電極連接到方向盤的有限位置限制了心電信號的采集，干電極表面電阻的變化也可能導致心電信號監(jiān)測穩(wěn)定性差。為此，韓國研究人員[5]提出了一種電鍍法制造的導電織物電極材料覆蓋方向盤進行心電測量（如圖1所示），解決了上述問題。采用導電織物構成電極，可以提高附著靈活性，降低所需信號調節(jié)電路的成本和復雜性，比常規(guī)心電信號測量電極具有更高的信噪比和穩(wěn)定性。

圖1 方向盤心電信號測量電極[5]

英國愛丁堡研究者[6]首次將運動傳感器和紡織電極結合在一起，并專門設計柔性印刷電路板，將由三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁強計和數(shù)字運動處理器組成的MPU-9250多芯片模塊集成在一起。柔性印刷電路板由兩部分組成：第一部分是帶有電子元件的微型電路板；第二部分是印刷的將生物電位信號和運動數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C的傳輸線。

將可穿戴技術應用到心電信號測量中的目的是使心電信號監(jiān)測電極成為人類日常生活的一部分，這就要求用于制造心電信號監(jiān)測電極的材料必須保證足夠的舒適度[7]。Baek等[8]于2008年研制了一種基于聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）的干式電極，能夠改變其形狀以保持皮膚和電極之間的持續(xù)接觸，有助于實現(xiàn)便攜式可穿戴心電信號監(jiān)測設備的研發(fā)和使用。韓國研究人員借助不同類型的導電紗線無縫編織到織物中形成織物電極，類似于傳統(tǒng)的印刷電路板，將電路直接印刷在織物上而不是塑料上，結合傳感器電路構成心電信號監(jiān)測設備[9]。意大利卡利亞里大學研究者利用導電聚合物材料聚（3，4-乙撐二氧噻吩）：聚（4-苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT：PSS）材料形成新的織物電極，可以在干燥和潮濕環(huán)境下穩(wěn)定采集心電信號，具有更高的舒適度，制造工藝更為簡單，為可穿戴監(jiān)測領域提供了更好的實驗基礎[10]?？椢镫姌O心電信號監(jiān)測作為一種新型的心電信號采集手段，有效地解決了傳統(tǒng)電極所帶來的一系列缺點[11]。

1.2 國內智能心電信號監(jiān)測電極研究現(xiàn)狀

中國教育部生態(tài)紡織重點實驗室研究者[12]提出基于鍍銀錦綸絲束和滌綸的平紋及緞紋交織結構的4種導電織物電極，并從皮膚-電極接觸阻抗、舒適性以及織物方阻與穿戴壓力的關系等方面評價了織物電極的性能，還測試了不同穿戴壓力（2、5、10 kPa）下4種不同織物電極采集心電信號的性能。實驗結果表明，在不同穿戴壓力下，不同結構的織物電極表現(xiàn)出不同的心電信號采集能力和舒適性能：隨著穿戴壓力增加，所測試的導電織物方阻先呈下降趨勢，然后趨于穩(wěn)定，心電信號質量不斷增高；純導電緞紋結構織物具有更好的透氣透濕性，并且舒適性優(yōu)于平紋結構織物；在舒適的穿戴壓力（2、5 kPa）下，平紋結構織物電極表現(xiàn)出更好的心電信號監(jiān)測性能。

東南大學研究者[13]采用織物電極取代傳統(tǒng)銀或氯化銀電極進行心電采集，改善了長時間穿戴出現(xiàn)的信號不穩(wěn)定問題。使用織物電極能完成靜坐、行走和跑步狀態(tài)下的心電采集測試，且對比同步脈率驗證了檢測數(shù)據(jù)的準確性，可基本滿足個人日常心電監(jiān)測使用。

浙江工業(yè)大學研究者[14]采用一種應變力與輸出電荷成正比的柔性聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）壓電薄膜傳感器作為監(jiān)測電極（如圖2所示），研發(fā)信號采集與處理的現(xiàn)場檢測主機，構建非接觸式人體生理參數(shù)監(jiān)測的床墊系統(tǒng)，可采集人體心率、呼吸率。實驗結果表明，與標準醫(yī)用儀器相比，心率和呼吸率監(jiān)測結果基本一致，可滿足長期健康監(jiān)測應用中對數(shù)據(jù)準確度的要求。

2 國內外心電信號監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2.1 國外心電信號監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

法國巴黎研究者[15]提出了一種由13個紡織電極組成的智能T恤心電信號采集系統(tǒng)，如圖3所示，可以在短時間內實現(xiàn)12導聯(lián)心電信號采集，其心電信號監(jiān)測質量與Holter記錄儀相當。

美國加利福尼亞大學研究者[16]將生理狀態(tài)監(jiān)測器（physiological state monitor，PSM）嵌入到襯衫中，使心率等重要指標可測量、可視化、可記錄和傳輸，以幫助心血管疾病風險識別和緩解。PSM嵌入式襯衫由3個集成部件組成（如圖4所示）：（1）Zephyr Bio－Harness系統(tǒng)，包括一個可拆卸的圓盤狀生物模塊，其中包含傳感器、電源、發(fā)射器和存儲器；（2）一個球形插座和導電織物心電信號監(jiān)測胸帶；（3）由吸濕、抗菌和快干的高科技織物編織的無袖襯衫。實驗結果表明，與標準12導聯(lián)心電圖機相比，PSM嵌入式襯衫可有效測量使用者活動期間的心率。

圖2 PVDF壓電薄膜傳感器[14]

圖3 智能T恤心電信號采集系統(tǒng)[15]

圖4 PSM嵌入式襯衫[16]

英國阿爾斯特大學研究者[17]使用基于集成經(jīng)驗模式分解（ensemble empirical mode decomposition，EEMD）方法的數(shù)據(jù)驅動心電信號去噪算法，利用帶有高級生物電位傳感器的手臂可穿戴設備構建遠場心電信號檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對心率的連續(xù)無創(chuàng)長時間監(jiān)測，解決了從記錄在左手臂雙極導聯(lián)中的噪聲分量中提取遠場心電信號的問題[17]。

2.2 國內心電信號監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

天津大學研究者[18]提出了一種基于線性電光效應的可穿戴心電信號監(jiān)測系統(tǒng)（如圖5所示）有效應對復雜電磁環(huán)境下的心電信號監(jiān)測，系統(tǒng)的核心傳感元件是M-Z結構的鈮酸鋰電光調制器，通過電光效應將所需的心電信號調制為光信號，具有無源、靈敏度高、抗電磁干擾性好的優(yōu)點，可同時進行多導聯(lián)位置的心電信號監(jiān)測。

圖5 基于線性電光效應的可穿戴心電信號監(jiān)測系統(tǒng)[18]

東南大學研究者[19]提出了一種基于云架構的穿戴式心電監(jiān)護系統(tǒng)，利用智能手機端提供的智能心電信號監(jiān)測算法改善自動診斷技術的不足，從而提高監(jiān)護系統(tǒng)的效率。

山東師范大學研究者[20]設計了一種穿戴式在線心電監(jiān)測與心臟功能評價系統(tǒng)，可根據(jù)預設的預警心電特征進行分析，完成心電信號監(jiān)測與心臟功能評價，從而得到心臟功能評價結果。

天津工業(yè)大學研究者[21]提出了一種高性能小型化可穿戴多生理信號采集系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)能精確地獲取心電信號和脈搏血氧信號，快速、簡便、無創(chuàng)傷、無副作用、高精度地完成心血管功能監(jiān)測。實驗表明，在長時間穿戴過程中不會出現(xiàn)任何不適感覺，不影響使用者的正?；顒印?/p>

西安工業(yè)大學研究者[22]利用LabVIEW軟件設計了一種心電信號分析系統(tǒng)，利用小波變換算法對心電信號進行濾波并檢測Q、R、S、P、T波，實現(xiàn)對人體心臟狀況的監(jiān)測與顯示，且操作簡單、成本低、實用性強。

中北大學研究者[23]設計了一種基于LabVIEW和Android的遠程動態(tài)心電信號監(jiān)測系統(tǒng)，解決了常規(guī)心電圖機體積大、便攜性差、操作復雜、不能實現(xiàn)遠程監(jiān)測等問題。該系統(tǒng)由動態(tài)心電信號監(jiān)測終端、云端服務器和心電信號監(jiān)測平臺組成，采集的心電信號波形具有良好的醫(yī)學參考價值，并且與傳統(tǒng)的心電圖機相比成本低、小巧便攜、操作簡便，可為未來心血管疾病的遠程醫(yī)療提供一定的技術支持。

上海大學研究者[24]研制了一套心電及心振信號同步監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單導聯(lián)方式進行心電信號監(jiān)測，通過測量胸廓皮膚表面的三軸線加速度和三軸角速度來獲取心振信號，利用微控制器STM32作為主控芯片將數(shù)據(jù)存儲至SD卡，或通過低功耗藍牙將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機并進行數(shù)據(jù)處理及波形顯示。該系統(tǒng)能夠實時采集、傳輸、顯示具有較高信噪比的心電和心振信號，實現(xiàn)信號的長期離線記錄，具有便攜、操作簡單的特點，能夠長期、穩(wěn)定工作。

遼寧工業(yè)大學[25]設計了汽車駕駛員心電呼吸監(jiān)測系統(tǒng)，采用PVDF壓電薄膜傳感器采集駕駛員心電呼吸信號，可全面評估駕駛員心電、呼吸等生理狀況，為汽車主動安全領域提供了借鑒。

圖6 可穿戴多生理信號采集系統(tǒng)[21]

3 智能心電信號監(jiān)測設備存在的不足及展望

智能心電信號監(jiān)測設備有望徹底改變各種心血管疾病的治療方法，利用其持續(xù)監(jiān)測心電信號有助于在疾病早期采取預防措施。但目前智能心電監(jiān)測設備存在一些問題：

（1）皮膚-電極接觸阻抗不均勻。不同位置的皮膚-電極接觸阻抗不同，不同織物電極的皮膚-電極接觸阻抗也不相同。相同尺寸的織物電極中，緞紋織物電極的皮膚-電極接觸阻抗要比相同密度的平紋織物電極的皮膚-電極接觸阻抗小得多。因為平紋織物的交織點最多，與皮膚間大多為點接觸，而緞紋織物有一定長度的浮長，導致電極和皮膚間的有效接觸面積增大?？梢酝ㄟ^探究電極位置，織物大小、形狀、厚度對心電信號產(chǎn)生的影響，進而得到最優(yōu)的電極位置以及最佳的織物大小、形狀和厚度，減小皮膚-電極接觸阻抗不均勻性對心電信號采集準確性的影響。

（2）性能不穩(wěn)定。目前，部分智能心電信號監(jiān)測設備存在運動偽影的問題。人在運動狀態(tài)下監(jiān)測到的心電信號有很大噪聲，給數(shù)據(jù)分析帶來了很大挑戰(zhàn)。可采用心電信號采集電極配合外圍電路改變?yōu)V波方式，使用抗噪聲能力強、可適應信號不斷變化、在濾波過程中能夠盡最大程度保持心電信號特征的高效濾波器對人體在彎腰、走路、坐下、站起等運動狀態(tài)下采集的心電信號進行分析，去除信號中的基線漂移和運動偽影，并對濾波后信號的Q波、R波和S波進行檢測，有效去除心電信號中的噪聲，最大限度保持心電信號波形的形狀和波峰，提高數(shù)據(jù)采集準確性，提升醫(yī)生的診斷效率。

（3）智能化程度不高?，F(xiàn)有智能心電信號監(jiān)測設備的智能化程度不高。通過利用穩(wěn)定監(jiān)測心電信號的紡織電極，配合高效、抗噪聲能力強的濾波電路，構建適應性強的外部電路；結合深度學習人工智能算法改進心電信號分類方法，形成心電信號提取快、分析快的內部軟件模塊；利用物聯(lián)網(wǎng)、5G、云計算等信息通信技術，研制可穿戴式智能心電信號實時監(jiān)測設備，將有助于解決目前心電信號監(jiān)測設備智能化程度低的問題。

（4）便攜性差。目前，智能心電信號監(jiān)測設備整體較為笨重、集成性差。通過優(yōu)化設計方案，使用新型材料設計可穿戴式心電信號監(jiān)測設備，減小設備體積和質量，可滿足人們對健康生活便利化、智能化、穩(wěn)定化的追求；同時，可用于交通事故、地震、火災爆炸等突發(fā)事件狹小空間的危重傷員監(jiān)護，解決醫(yī)護人員難以到達、傳統(tǒng)設備不便于攜帶等難題，大大提高狹小空間危重傷員的救治成功率。

4 結語

智能心電信號監(jiān)測設備的設計重點在于監(jiān)測電極的設計創(chuàng)新以及其系統(tǒng)結構的設計。紡織電極將成為可穿戴式智能心電信號監(jiān)測電極的主流，特別是新興材料應用于電極設計中能夠大大增強心電信號采集的準確性和穩(wěn)定性；而集成性更高、智能化更強的系統(tǒng)設計將不斷推動可穿戴設備的發(fā)展。相信可穿戴技術的發(fā)展將進一步推進智能心電信號監(jiān)測設備的普及，有助于生理指標監(jiān)測、心腦血管疾病等預防，并為傷病情診斷提供決策依據(jù)，提升傷病員疾病診斷的時效性和救治成功率。