电场感应式心电监护仪的研究

杜武松

摘 要随着社会的进步和科学技术的不断发展，人们对生活质量的要求日益提高，自身的健康状况成为了人们日益关注的重心和焦点。心脏类疾病是造成人类死亡的重大疾病之一，每年由于心脏类疾病引起的全球死亡人数一直居高不下。长期以来，对心脏类疾病的诊断与研究一直是医学界的一个重要课题。

【关键词】电场感应式 心电监护仪

1 项目目的

目前传统式的心电监护仪对患者的心电监测存在以下缺陷：

（1）粘贴式心电电极片（下文称作：心电电极片）容易对患者的皮肤造成损伤，特别是新生儿幼嫩的皮肤，并且某些患者还会产生不良过敏反应；

（2）心电电极片不易或者不能粘贴到某些患者皮肤上，例如：老人干燥的皮肤、严重烧伤的患者或是毛发较密的患者；

（3）由于心电电极片不能长时间接触患者皮肤，所以不能24小时不间断的监测患者心电情况。为了解决以上问题，我们尝试研发一种感应式的心电监护仪来进行患者的心电监测功能。

2 项目研制

2.1 高灵敏度电场传感器的设计

我司设计开发了电场感应式传感器（下文称作：传感器），传感器作为一个整体器件，可以在电路中进行直接焊接。传感器在结构上主要由两部分组成，一部分为TiO2金属氧化物，通过此部分特殊材质的金属物来感应空间中电场的细微变化，属于信号采集输入部分，另外一部分为电路基板：在电路基板上设计有信号放大调制电路，将感应到的电场细微变化转化为微弱的电压信号传输到电路后端进行进一步处理和分析。如图1所示。

整个传感器电路的工作原理如下：当把传感器靠近到人体表面时，由于人体皮肤表面带有部分电荷，当心脏的生物电信号传导至人体皮肤表面时，会引起人体皮肤表面电荷的增多或者减少，此时传感器附近空间电荷的增多或减少引起附近电场的变化，细微的电场变化耦合到TiO2金属氧化物上后变为的微小的电压信号，由于接收到的电压信号非常微弱，所以需要前级放大器进行信号的前期处理和放大，以便后续电路进行再处理。传感器的放大电路采用反馈电路，同时输出信号被调制为方波载波信号后输出，通过以上两种措施来增强信号的抗干扰能力，是的信号能够较长距离的传导。

在使用此传感器对人体心电信号进行监测时，可使用医用纱布将传感器与患者皮肤相隔开，无需直接接触患者皮肤，并且使用后只需要更换医用纱布即可，或使用医用酒精清洗传感器表面，如此之后便可重复使用，仅仅只有医用纱布的消耗，将有助于降低病患的医疗费用。

2.2 心电信号采集电路模块的设计

心电信号电路示意图请见图2。

三路传感器分别采集人体的RA、LA、LL三路心电导联信号，传感器输出信号经过RC滤波电路处理后送入Psoc芯片中，进一步完成信号处理。Psoc芯片接收到信号后通过内部搭建的后级运算放大器电路进行信号的放大以及滤波电路进行放大滤波处理，经过处理的信号再次进行AD采样，转换为数字信号后，再由Psoc芯片对此数字信号完成心电波形的提取与心率的计算。

2.3 心电导联脱落检测的实现

由于使用了高灵敏度电场感应式器件，能实时的感应到空间中的电荷产生信号，从而不能够实现传统心电的导联脱落检测功能，所以我们还必须解决心电导联脱落的检测问题。

最终导联脱落检测通过热释电红外传感器來实现，我们将热释电红外传感器和电场传感器一起设计在心电探头上。当心电探头接近人体皮肤时，由于人体体温一般都恒定在36℃左右，会对外发出特定波长的红外线，热释电红外传感器通过器件上的窗口探测到人体发射的红外线而进行工作，通过设置能使热释电传感器检测到人体恒定的36℃温度时，就会在信号输出引脚输出高电平信号给中继MCU芯片（底功耗STM32芯片）进行处理，当接收到高电平信号时，及表示电极探头与人体连接，反之，低电平信号为电极探头脱落，未连接人体。中继MCU再通过串口通讯将探头连接脱落信号发送给Psoc芯片，由Psoc芯片完成心电波形、心率计算及导联脱落的信号的整合工作。

3 人体心电测量的最终实现方案

心电信号采集电路模块设计完成后，在对患者进行人体心电监测时，三个心电探头分别连接人体RA、LA、LL导联，另外通过导电材料的软布垫在患者的床单或者座垫下作为右腿驱动导联，使用医用的绑带隔着衣物、纱布等物品对患者进行心电信号的采集，经过心电模块处理后，将心电波形、心率数值等等信息传输到显示仪器上进行显示，以便医护人员能对病患的心电状态进行监测和诊断。

4 结束语：电场感应式心电监护仪市场前景分析

电场感应式心电监护仪最大特点是在临床使用上可以取代传统粘贴式心电电极片，尤其适用于在新生儿科和烧伤科等科室。由于为非接触式，可以解决和克服多种不适于传统粘贴式心电电极片的场合，例如可以避免损伤皮肤，避免造成皮肤表面过敏反应，避免皮肤表面因粘贴撕裂而出血等等情况，甚至可以使用在宠物心电监测环境下，避免宠物的毛发被剔除。

所以电场感应式心电监护仪市场前景需求非常巨大，符合医患使用预期。相信在不久的将来，定能造福于更多的心脏病患者。

参考文献

[1]李运华，刘宝华，户鹏飞，甄龙.一种非接触心电测量方法的研究[J].传感器与微系统，2003（01）.

[2]黄志伟，林大全，郭柞达，何辉.心电信号的检测技术与临床应用[J].中国测试技术，2005（02）.

作者单位

深圳市杰纳瑞医疗仪器股份有限公司 广东省深圳市 518057