基于容性耦合电极的非接触式心电信号采集系统

王禹寒，谢 睿，孙世文，米海宁，丁文彬，李鸿强

（天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387）

1 引言

当今社会，科学技术不断发展，给人们带了更加优越的物质生活，同时随着社会发展，人们的生活节奏不断加快。环境的持续恶化、社会压力激增、人口老龄化程度不断提高，这些因素都使得我国心血管病发病率上升显著，在未来几年心血管病的发病人数任将持续增长[1]。

在心血管疾病的诊断和治疗中，心电图起着关键作用。心电信号的额长期实时监测，对于心血管疾病的早期预警和治疗都有着重要的意义[2]。在传统的临床心电信号检测系统中，被广泛使用的是Holter心电图检测系统[3，4]。Holter心电图检测系统需要使用数个Ag-AgCl电极并通过导电膏固定在人体的各个部位，诸如前胸、手臂和腿部等特殊部位。虽然这种检测系统能够采集到较好质量的心电信号，但操作复杂，普通使用者在没有医护人员帮助的情况下很难正确的操作设备并准确的采集到心电信号。并且由于导电膏的毒性可能会给使用者带来皮肤红肿或过敏等不良后果，湿式电极中水分会被人体温度蒸发，随着水分的蒸发采集到的心电信号质量会显著降低。因此，采用湿式电极的心电检测系统不适合用于长时间的心电检测。针对此类问题，我们研究出一种不含导电膏、操作方便的基于容性耦合电极的非接触式心电信号采集系统。

2 非接触式心电信号采集系统设计

2.1 硬件电路设计

本系统的硬件电路主要分为模拟单元和数字单元两大部分。其中模拟单元包括容性耦合电极、电源电路、50Hz陷波滤波器、低通滤波器、前置放大器和无线收发电路。数字单元包括微处理器、数模转换电路和串行通信模块。人体心电信号通过容性耦合织物电极提取，通过电压跟随器传至信号调理电路，最后通过信号处理电路最后发至上位机移动终端。电压跟随器得目的是隔离阻抗，避免前后级电路之间得影响。信号调理电路主要包括0.02Hz的高通滤波器，50Hz的陷波滤波器以及120Hz的低通滤波器组成。由于心电信号的频率范围大致为0.02Hz～120Hz之间，所以需要0.02Hz的高通滤波器以及120Hz的低通滤波器滤除非心电信号频率范围内的其它噪声干扰，由于市电频率为50Hz所以需要使用50Hz的陷波滤波器滤除工频干扰。最后通过信号处理电路将模拟信号转为数字信号通过蓝牙的方式发送至移动终端。非接触式心电信号采集系统硬件总体框图如图1所示。

硬件电路采用柔性PCB板，质量更轻且更加柔软，提高佩戴的舒适度。柔性电路如图2所示。

2.2 容性耦合电极设计

容性耦合电极的工作原理为：电极和人体皮肤之间存在较小的空隙，衣物和人体皮肤的角质层都可以等效成并联着的RC单元，每一个RC单元相应的阻抗可以表示为：

图1 非接触式心电信号采集系统硬件系统框图

图2 柔性PCB电路

电极部分还包括前置放大电路，心电信号前置放大电路采用运算放大器的电压跟随原理，增大信号的输入阻抗，降低其输出阻抗。前置放大电路输入阻抗可达100MΩ，共模抑制比大于128dB。其中，人体心电信号相当于电压源Vs，Cs是人体皮肤和柔性织物电极之间的等效耦合电容，心电信号由电压源Vs发出，经过耦合电容Cs输入到运算放大器中。Rb为偏置电阻，为运算放大器偏置电流提供回路，电容Cf用来给输入端提供反馈，以抑制输入电容的影响提高系统稳定性。Ra和Ca分别为运算放大器的输入电阻和输入电容。前置放大电路的增益可以表示为：

2.3 移动终端系统设计

Android移动端主要用于接收下位机发送过来的心电信号数据帧，并对接收到的数据帧进行校验，通过对数据进行移位拼接获取有效数字，最后完成心电信号的波形显示及存储、回放等功能。在Android平台中对信号进行特征提取和分类，并将分类结果显示在客户端供受测者参考，移动端界面如图3所示。

3 实验结果及分析

本文测试了在0.25mm的棉质衣物下容性耦合电极对心电信号的采集效果，如图4（a）所示，在静止状态下可以完整的采集到心电信号的QRS波满足心电检测算法的检测需求。图4（b）是在运动过程中采集到的人体心电信号，除去人体运动带来的基线扰动外，任然可以完整的观察到人体心电信号的QRS三个波段。相比于传统湿式Ag/AgCl电极，容性耦合电极在信号采集质量上存在差异但是任能对心电信号进行完整还原。

图3 移动端运行界面

图4 容性耦合电极在0.25mm厚度衣物条件下人体心电信号采集结果

4 结束语

本文对基于容性耦合电极的非接触式心电信号采集系统进行了研究和设计。本文设计的容性耦合电极以及柔性PCB电路可以实现长期实时的信号采集，在Android客户端中实现心电信号的实时在线监测，为人们提供及时的心律信息，使得一些突发的心脏不适得到良好的监测，在减少心脏疾病突发而导致的伤害方面具有重要的意义。