基于电容耦合的非接触式心电技术的实验研究

王文涛，徐浩然，全弘宇，冯自立，廖新华

基于电容耦合的非接触式心电技术的实验研究

王文涛，徐浩然，全弘宇，冯自立，廖新华

目的：研究一种非接触式心电监测方法，使电极不需要与人体直接接触就可以稳定地获取心电信号。方法：选取导电性能良好的导电纤维为材料制作电极，利用身体和电极平板相互靠近形成的电容将心电耦合到导电纤维上，通过前置放大、降噪、滤波、后级放大等处理后得到心电信号。结果：使用该系统对志愿者进行测试，能清楚地看到R波和T波，而且整体波形与心电图一致。结论：利用电容耦合原理可以非接触地获得心电信号，且对皮肤无损伤，适用于不方便在体表粘贴电极的患者。

非接触式；电容耦合；心电信号

0 引言

心血管疾病严重威胁着人类的生命健康，许多心血管疾病患者发病前心电图会有异常表现，根据心电图提示及时给予救治措施，对于提高抢救成功率具有重要意义。目前，临床监测心电的方法基本都是借助监护仪，把表面电极直接贴在人体上，使用粘贴式的电极难免产生皮肤刺激、操作繁琐等问题，对于一些胸背部有严重烧伤以及做完开胸手术后的患者也不适用。如果能够在探测电极不与皮肤直接接触的情况下也能够获得心电信号，也就是非接触测量，上述问题就可以解决。

非接触测量是指量具或仪器的感受元件无需与被测表面接触，即可获得测量信息的测量方法[1]。非接触测量生理信号可以基于光电、电磁感应、电容耦合等原理，实现无创、实时监测。这种方法以其易于实施、无不适感等特点，已成为现代医疗仪器的一个发展方向[2]。

从国内外的文献报道来看，非接触式心电都是基于电容耦合原理的，所以又称为“电容耦合式心电图（capacitive coupled ECG，CCECG）”[3]。

1 实验原理

人体表面可以看作一块能导电的平板A，再提供另外类似的极板B，使之尽量靠近A并在中间填充绝缘电介质后形成一个电容[4]，A和B是电容的2个极板。心电传播到体表，即极板A，再通过电容的耦合作用可以传播到B，如果在体表不同2点处分别放置这样的极板B1、B2，它们与身体间用空气、衣服、床单等物品隔离，将B1、B2耦合到的信号相减就可得到CCECG。这一过程可用图1表示。

图1 电容耦合式心电原理示意图

2 心电信号检测方法

2.1 整体设计方案

该系统可分为电容耦合电极、放大电路、滤波电路、驱动电路4个部分。系统的整体结构组成如图2所示。

图2 系统的整体框图

实验中电容耦合电极选用导电纤维，兼具普通布料的柔软和金属的导电能力。放大电路由前置放大电路和后级放大组成，目的是将心电信号进行足够的放大以便对其进行处理。滤波电路分别针对低频、高频、工频的噪声进行处理以得到清晰的心电波形。驱动电路的作用是将人体的共模信号放大后反馈回人体，以这个共模信号作为电路参考。

2.2 心电信号放大处理

通常，心电信号为0.05～5 mV[5]，要将心电信号进行A/D转换，则必须将心电信号放大至A/D转换器所能接收的电压，所以，心电信号放大器必须实现高增益放大，在本系统设计中，对心电信号进行了1 500倍的放大。

前置放大电路要能有效识别市区电极耦合到的电位变化，由于身体和容性极板形成的电容值在各种距离下都很小（大约1～100 pF）[6]，因此耦合阻抗可达109Ω的阻值。所以在这种情况下，合适阻抗匹配对于以最小缺失量提取信号非常关键。这就意味着比皮肤-电极电容更小的输入电容以及比皮肤接触更大的输入阻抗的前置放大器能优化信号耦合并减少信号衰减，本次实验前置放大由2个电压跟随器和仪表放大器构成。

后级放大的目的是将噪声处理后的心电信号放大至所需要的水平，所以采用单纯的放大电路即可实现。

2.3 心电信号的噪声处理

心电信号在检测过程中不可避免地受到各种噪声的干扰，来源主要有3类[7]：

（1）工频干扰。它是由供电网络及其设备产生的空间电磁干扰在人体的反映，由50Hz及其谐波构成。

（2）肌电干扰。它是由人体运动、肌肉收缩而引起的，频率为5～10 kHz。

（3）基线漂移。它是由测量电极的接触不良、呼吸等引起的低频干扰信号。

抑制基线漂移等低频噪声需要使用高通滤波器。本设计中使用6阶高通滤波器，衰减速度达到60 db/十倍频。抑制肌电干扰等高频噪声需要使用低通滤波器，我们采用4阶低通滤波器。抑制工频噪声常用双T陷波器，但其通带不平整，大量有用信号被滤除[8]，此次设计中采用了可调Q值的陷波器。

2.4 电极的实现形式

心电图测量是通过提取体表2点电位差来实现的，这两点距离越远电位差越大。从人体的卧姿特点来看，头与脚的连线方向上颈部、腰部、腘窝、脚踝等处是凹陷的，而背部、臀部和小腿凸出。背部面积较大，躺下时小腿的腓肠肌受下肢压迫变形后也形成较大的面积。

测试初期，采用文献中提出的使用背部和小腿腓肠肌提取出的信号作为心电信号[9]，将臀部位置定为驱动极板，但在实际实验测试中发现，小腿位置距离心脏距离较远，且由于小腿位置电容性不佳，用非接触电容式提取信号效果很差。因此，权衡距离心脏的距离和电容性等因素后，决定将驱动极板设置在小腿位置，而提取背部和腰部接近臀部位置的信号做差模作为心电信号（如图3所示）。

图3 非接触式心电床单示意图

这种结构的床单不仅能提高信噪比，而且对被测者的位置要求较低。后背极板B1比腰臀部极板B2略窄，因为后背本身距离心脏近，传播到表面的信号强，而传播到腰臀部的信号有所衰减，且腰臀部脂肪较多，电容效果不如背部，因此极板面积较大。

3 测试结果及影响因素

设计基于床单的电容电极存在一个问题，相对于电极B2，背部极板宽度应适当大小，最合适的宽度d未知，本次通过对比实验来解决此问题。为使实验条件相同，被测者为同一人（身高178 cm、体质量65 kg、男性），同时采集接触式心电和非接触式心电，认为CCECG和它所对应的ECG波形吻合度高者优先。

3.1 后背电极宽度d变化的情况

设定电极间距h=30 cm，d取不同值时得到图4所示的心电波形。

3.2 结果

从上述实验结果来看，基于电容耦合的非接触式电极能够采集到人的心电信号，在CCECG中能够清楚看到R波和T波，而且整体波形与ECG一致，足以实现一般的家庭监护。

图4 后背电极不同宽度时的电容耦合式心电图

从实验结果中可知，电容极板的面积对波形有影响，但并非面积越大信号质量越好。对于身高178cm的测试者，后背极板宽度取5～10 cm时能得到与ECG吻合度较高的CCECG波形。

本次实验中发现被测者的身高、体质量会影响后背电极的最佳宽度及电极间距，但本实验仅是对CCECG的初步研究，未涉及临床应用，并没有深入研究被测者的身高、体质量与后背电极宽度及电极间距的具体关系。

4 结论与展望

4.1 结论

本研究设计了一种基于电容耦合的心电监护设备，可以非接触地提取心电信号。由于避免了皮肤接触导电凝胶，这类电极不会引起皮肤刺激等长期监护中所面临的的问题。在实验中，本系统能非接触地实现心电监测，达到预期设计目的，然而本系统仍是一个纯模拟系统，进行的只是非接触式心电的提取及初步处理，仍有很大的发展空间。

4.2 前景展望

微型化、低功耗、智能化是现代医学电子仪器发展方向[10]。本仪器要得到推广和普及，缩小体积是必须经历的一步。除此之外，还可以增加单片机系统以及液晶屏，使它们不仅能够显示和存储心电信号，还可以对异常的心电给出报警，甚至可以增加无线通信功能，只需在病床上设计一个无线发射模块，同时在医生工作站设置相应的接收端即可以实现远程非接触心电监护，完全取消心电导联线。

非接触式心电监测的操作简便，长期、连续的监护不会对人体活动造成任何束缚，也不会伤害皮肤，这给那些卧床不起的患者提供了极大的便利。现代医学监护仪正朝着家庭网络化的方向发展[11]，在家庭监护需求日益增加的今天，非接触式心电监测技术必然有较大的前景。

[1]李运华，刘宝华，户鹏飞，等.一种非接触心电测量方法的研究[J].传感器与微系统，2013，32（1）：47-49.

[2]甄龙.基于主成分分析去噪的非接触心电测量[D].秦皇岛：燕山大学机械系，2012.

[3]Chamadiya B，Mankodiya K，Wagner M，et al.2011 5th international conference on pervasive computing technologies for healthcare，Dublin，23-26 May 2011[C].Oldenburg，IEEE，2011.

[4]Oehler M，Schilling M D，Esperer H.4th European conference of the international federation for medical and biological engineering[M/ OL].Berlin：Springer Berlin Heidelberg，2009.[2014-06-29].http：//link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-540-89208-39.

[5]卢喜烈，杨庭树，孟凡华，等.心电图基础理论[M].天津：天津科学技术出版社，2005.

[6]Park C，Chou P H，Bai Y，et al.Biomedical circucits and systems conference，London，Nov.29 2006-Dec.1 2006[C].UniversityofCalifornia：IEEE，2006.

[7]杨华，耿晶辉，宫鹤，等.人体心电信号检测系统的研究[J].电子世界，2014，11（2）：50-53.

[8]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[9]Chi Y M，Cauwenberghs G.2010 International conference on body sensor networks，Singapore，7-9 June 2010[C].Singapore：IEEE，2010.

[10]秦永清，王晓庆，朱晓伟，等.医疗器械产业现状及发展趋势[J].中国医疗器械信息，2007，12（1）：32-34.

[11]余奎，林国庆，耿俊佑，等.现代医学监护仪器的应用特点及发展趋势[J].医疗设备信息，2003，18（1）：41-43.

（收稿：2014-08-19 修回：2014-11-20）

Non-contact ECG monitoring study based on capacitive coupling

WANG Wen-tao,XU Hao-ran,QUAN Hong-yu,FENG Zi-li,LIAO Xin-hua
（School of Biomedical Engineering,the Third Military Medical University,Chongqing 400038,China）

ObjectiveTo study a mode of non-contact ECG monitoring to eliminate the need to stick electrodes on the patients'skin to obtain a steady ECG.MethodsConductive fabric with high electrical conductivity was used for electrodes.The capacitance generating due to the body getting close to the electrode coupled ECG to the conductive fabric, and ECG signals came into being after preamplification,noise reduction,filtration,postamplificatoin and etc.ResultsTrials proved that R wave and T wave were distinct with the waveform consistent with ECG.ConclusionCapacitive coupling can be used to acquire non-contact ECG signals with no injury to the skin.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（3）：21-23]

non-contact;capacitive coupling;ECG signal

R318；R540.4+1

A

1003-8868（2015）03-0021-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.03.021

王文涛（1992—），男，主要研究方向为医疗器械研发与管理，E-mail：569007429@qq.com。

400038重庆，第三军医大学生物医学工程学院（王文涛，徐浩然，全弘宇，冯自立，廖新华）

廖新华，E-mail：xhliao@tmmu.edu.cn