采用新型干电极的心电监护系统

龚奇 李斌 刘鸣 郭旭宏 张旭

摘 要： 为了提高个人健康的监护水平，降低人体病变的几率，提出并设计一种无线智能监护系统。此系统由采集前端、无线路由和上位机组成。针对湿电极与传统干电极的缺点，采集前端采用低成本新型干电极，增加了贴附的舒适度和佩戴时间。为了解决干电极引起的基线漂移和运动伪迹干扰，设计专门的自适应阈值R波提取算法，在较低计算复杂度的情况下提高了R波检测率。实验结果表明，该系统功能完善，且能够监测心电信号并准确地提取心率信息。

关键词： 心电信号； 无线通信； 干电极； 嵌入式系统； 智能监护； R波提取

中图分类号： TN103?34； TH776 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）08?0125?04

Abstract： To improve the nursing level of personal health and reduce the probability of human body lesion， an intelligent wireless electrocardiographic （ECG） monitoring system is proposed and designed. The system is composed of acquisition front?end， wireless router and host computer. In allusion to the disadvantages of wet electrodes and conventional dry electrodes， a new and low?cost dry electrode is used for the acquisition front?end to improve contact comfort and increase wearing time. To resolve the interference of baseline wander and motion artifact caused by dry electrodes， a special adaptive threshold R wave extraction algorithm is designed to improve R wave detection rate in the condition of relatively low computation complexity. The experimental results show that the system has complete functions and can monitor ECG signals to extract heart rate information accurately.

Keywords： ECG signal； wireless communication； dry electrode； embedded system； intelligent monitoring； R wave extraction

可穿戴设备的普及为各种场合的生理监护带来了可能。在医院中，目前对病人的心脏进行实时动态监护的设备主要以Holter等大型设备为主，这些设备虽然监测准确，但是使用复杂，影响患者的日常生理活动与佩戴的舒适度。在家庭中，对亚健康人群的监护，以及在养老院中，对老人的生理状态进行实时监测，能及早发现病情也是一个亟待解决的问题。

文献[1]中分析并对比了单导联下心电监护的可行性与优缺点，已有的心电监护设备包括快速心电检测仪和穿戴式心电贴两种。快速心电检测仪需要多根导联线，影响被试者的穿戴体验。可穿戴心电贴能动态监测心电信号，并且提供较好的舒适度，但是设备价格很高且以湿电极为主，不适合市场普及与长期监测。针对上述问题，本文研究并設计了一种智能监护系统，用于各类人群的ECG监护。此系统采用新型干电极：自润湿纸电极作为心电采集电极，解决了湿电极不适合长期监测的问题，提高了佩戴的舒适度。与传统干电极相比，纸电极与皮肤接触阻抗更低，采集的心电信号质量更高。系统采用改进的自适应阈值算法进行R波提取，与传统的时域检波方法相比，在同等R波检测率下，计算复杂度更低。

1 系统总体架构

图1为系统硬件框架，采集前端主要由信号调理模块、信号处理模块、无线模块和电源管理模块组成。采集前端对原始心电信号进行软硬件处理后由无线模块将结果转发出去。用户通过移动终端如Android设备查看实时信息或在上位机观察ECG信号。

系统通过纸电极与人体接触，原始ECG经AD8232调理后由STM8L单片机数字化并进行数字信号处理。在STM8L中采用改进的Pan?Tompkins（PT）算法提取R波，最终的结果和ECG序列数据通过无线模块传入其他终端设备。

2 智能采集贴设计

2.1 新型干电极

传统的ECG监护系统主要使用湿电极。这种电极使用银?氯化银（Ag/AgCl）作为电解质。湿电极的优点是导电性好，与人体皮肤接触阻抗小。但是湿电极随着使用时间的增加，凝胶电解质逐渐干燥，导致采集到的信号衰减，同时长时间佩戴湿电极也会影响用户的舒适度[2]。

本文采用一种新型电极——自湿润纸电极作为心电信号采集的前端电极。人体汗腺分泌的汗液含有一定浓度的电解质，能作为电极之间的导电材料。电极具有保湿功能并且具有多孔的表面结构来长时间保存电解质，能保证界面材料和皮肤紧密接触，减小电极与皮肤的接触阻抗，从而提高ECG的信号质量。图2为三种电极示意图，其中图2a）为3M公司产的Red Dot系列湿电极，图2b）为中科院半导体研究所研究的一种用于心电监测的干电极[3]，图2c）为本文使用的纸电极。相对于湿电极和干电极，纸电极柔性更强、更薄、更加适用于可穿戴设备。文献[4]做了关于纸电极阻抗的测试，结果表明在5 Hz～1.5 kHz的频率范围内，纸电极和皮肤的接触阻抗为100 Ω ～1 kΩ，达到了湿电极的级别。

2.2 模拟前端设计

模拟前端信号调理电路如图3所示。ECG信号是微弱生物电信号，幅值为0.5～5 mV，频谱分布为0.05～100 Hz，主要能量[5]集中在0.05～40 Hz，模拟滤波通频段设定为0.5～40 Hz。 AD8232内置的仪表放大器（IA）将ECG信号固定放大100倍，低通滤波放大电路采用Sallen?Key滤波器拓扑结构，截止频率为40 Hz，增益为11，最终系统总增益[6]为1 100。

2.3 MCU和无线方案

本文采用STC公司的STM8L单片机进一步处理AD8232调理后的ECG信号，进一步地去除工频干扰，基线漂移和运动伪迹。STM8L单片机不仅完成ECG信号的处理，还负责管理各个模块的工作，包括根据自定义协议对数据打包，控制无线模块进行数据收发，根据上位机指令控制其他模块的工作等。无线模块采用TI公司的CC2541蓝牙4.0低功耗片上系统，CC2541具有多种运行模式、功耗低、适合用于可穿戴设备[7]。考虑到蓝牙通信的丢包情况，在CC2541上完成数据帧的校验工作，保证较高的通信质量。为了增加终端设备的访问能力，采用蓝牙WiFi模块处理采集前端的数据，终端设备通过WiFi可以获取多个采集前端的数据。

3 ECG特征提取算法

QRS检波算法可通过时域、频域或时频算法提取，频率或时频方法计算复杂度较高，不适合实时监测[8]。PT算法[9]是一种经典的实时提取QRS波的算法，由级联的带通滤波、微分、平方、 滑动积分、自适应阈值和搜索几个步骤构成。由于干电极采集到的信号受运动伪迹影响很大，P波和T波会对R波的判决产生影响，而且PT算法在搜索过程中的回溯过程也增加了时间的复杂度。在采集前端中，模拟前端已经对心电信号进行了一次滤波处理，高频噪声和工频干扰已经得到了较好的抑制。本文对信号预处理部分进行简化，并采用新的R波检测算法，如图4所示为R波检测算法原理图。

预处理阶段分为三个部分，分别为微分，积分和非线性滤波。微分过程是为了消除基线漂移的干扰，相当于一个高通滤波器，见式（1）；积分过程是一个滑窗积分过程，能进一步消除高频干扰，使ECG能量集中在R波上，见式（2）；非线性滤波则为了减小运动伪迹造成的P波，T波对R波检测形成的干扰，见式（3）。

自适应阈值R波提取算法分为三部分[10]，具体步骤如下：

1） 在可能的最小RR间隔时间（RRmin，一般取200 ms，对应300 BPM的心率）加上QRS波群时间QRSint（典型值为60 ms）上寻找最大值，并将该最大值设为R峰。此时更新阈值为当前R峰和所有已检R峰的均值。

2） 等待。等待时间为R峰位置和第一阶段时间结束的差值，目的是避免运动伪迹对R波检测形成的干扰。

3） 阈值下降。步骤2）完成后，初始阈值为所有已检测R峰的均值。在该阶段，每一个采样值后阈值按照式（4）呈指数下降，其中[FS]为采样率，[PTh]为下降系数，与采样率相关。根据经验，本文取[PTh]=2。当前的值大于阈值时循环进入步骤1）阶段。

4 系统测试与结果

图5a）为系统实物图和人体佩戴图，图5b）为PCB实物图。PCB分为两部分，左边PCB为整个系统的主要部分，包括AD8232，STM8L，CC2541和外围电路，尺寸为3.4 cm[×]2.4 cm；右边PCB为与电源相关的电路，包括稳压电路、充电电路、电源管理电路等，尺寸为1.4 cm[×]2.4 cm。

图6为实际采集的ECG信号在Matlab上的R波检测验证结果。“*”为检测到的R波；红色线条表示阈值的变化；红色圆圈标注的是运动伪迹产生的伪R峰。可以看出，R波检测算法中的步骤2）能有效避免这种干扰。

图8为测试者在走动时用三种设备测试的心率结果。曲线A，B，C分别为yuwell（鱼跃）公司的心率血氧监测仪，北京东方泰华有限公司的单导联心电记录仪的测试结果和本系统测试结果。曲线B和C为通过ECG计算的心率，曲线A为利用光电容积描记（PPG）方法实时计算的心率。结果表明，使用PPG得到的测试结果波动相对较大，本系統的测试结果与商用产品误差在[±]3 BPM以内。

5 结 语

本文以AD8232模拟前端芯片为基础，采用一种自润湿纸电极设计一套可穿戴的心电监护系统。纸电极的柔软特性提高了人体佩戴的舒适度。心电信号处理采用改进的PT算法，有利于在单片机上的实现。该系统还具有体积小、功耗低的优点，实现了移动监测的功能。通过与其他商用产品进行对比发现本系统对心率计算的准确度已经达到商用级别。本系统对住院病人生理状态的长期监护有着广阔的发展前景和上升空间。

参考文献

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