基于柔性电极的便携式心电监测系统研究

孙卫红， 常卫东,， 杨 兴， 朱灿林， 王 博， 贾炎燊

(1.北京建筑大学 电气与信息工程学院，北京 100044；2.清华大学 精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084)

近年来，中国心血管病患病率逐渐升高，心血管病死亡率已居首位[1]。而目前存在的大多心血管疾病具有突发性，需要长时监测才能发现，且死亡率较高[2]，而常规心电仪因体积大，价格昂贵，不能满足普通人长时间监测的需求。因此，制备小体积、低成本的便携式心电监测设备显得尤为重要，而心电监测装置的电极更是采集心电信号质量优劣的关键因素。21世纪以来，国外学者以及一些公司对心电设备的电极进行了诸多研究，推出了多款心电监测的产品，但这些产品使用的都是普通的金属或硅材料的电极[3-6]。普通金属电极以及硬壳封装的装置会对皮肤产生挤压，引起不适感，刚性较大的硅电极甚至可能会碎裂。基于上述情况，部分学者提出将柔性电极应用于心电监测设备来采集心电信号[7-9]，柔性电极易弯曲，能很好地贴合皮肤，接触阻抗优于干电极，同时不会对皮肤产生挤压，舒适性好。但目前相关研究设计的电极工艺相对复杂，不能满足商业化的需求。目前临床上使用的心电测量电极主要为Ag/AgCl湿电极，这种湿电极若长期使用可能会引起皮肤刺激或过敏反应。因此制备一种工艺简单并且性能良好的柔性电极是很有必要的。针对上述情况，笔者提出了一种基于PDMS基底的金字塔阵列柔性电极的心电监测系统，研究了金字塔阵列柔性电极的设计与制作工艺。同时，设计了基于AD8232的小体积低功耗的心电信号处理电路；考虑到便携式心电监测装置需满足小体积、实时性的需求，研发了一款基于安卓端的心电波形显示APP。

1 系统的组成和原理

便携式心电监测系统包括硬件和软件两部分，其中硬件包括柔性电极、心电信号处理电路、单片机与蓝牙模块三部分；软件则是通过蓝牙设备进行数据传输，并在手机APP上显示波形。系统的组成原理如图1所示。

下面将对心电监测装置的柔性电极、心电信号电路以及APP设计进行介绍。

图1 系统的组成原理图

2 柔性电极的设计、制作与测试

柔性电极能很好地贴近皮肤，不会造成不适感，可长时间用于心电监测，是便携式心电监测装置的关键部分，其设计与制备直接影响心电信号采集的质量，故对柔性电极的设计与制备进行研究，并测试该电极采集心电信号的质量。

2.1 柔性电极的设计

常用于电极的柔性衬底制作的材料有PDMS、Parylene、PI等，它们都具有良好的生物兼容性，因此广泛用于材料学领域。其中，PDMS由于价格低廉，制备工艺简单，且PDMS的刚度、弹性等性能与生物体的组织相近，能更好地贴近皮肤[10]，故PDMS材料很适合用于制作心电监测系统的柔性电极。但PDMS的热膨胀系数与金有较大差异[11]，因此在电极制备与储存的过程中，由于温度变化，PDMS基底上的金属容易产生裂纹，导致电极阻抗增大，而且PDMS具有多孔性质，有很好的通透性，电极在使用过程容易吸水，会导致电极的阻抗发生变化。

相比之下，Parylene与金的结合性更好，几乎不会产生裂纹，且水分很难穿透Parylene过渡层，能很好地减小电极阻抗的变化。基于上述情况，笔者在PDMS基底和金属膜中间制作一层较薄的Parylene薄膜，实现刚性和柔韧性的结合，来改善柔性电极易产生裂纹和易吸水引起阻抗变化的缺点。

同时，由于电极表面积为影响电极与组织之间接触阻抗的重要因素，电极表面积越大，接触阻抗就越小，而接触阻抗则直接影响到电极的性能，电极阻抗越小，采集到的心电信号质量越好[12]。为了减小电极与组织的接触阻抗，在PDMS基底上制作了金字塔微结构阵列，来增加电极的表面积[13]。

2.2 柔性电极的制作

PDMS在液态时具有很好的流动性，因此，将液态PDMS通过旋涂工艺旋涂在带有微金字塔结构的硅模具上，液态PDMS与硅模具紧密贴合从而复制其上的微金字塔结构。PDMS固化之后，形成一种无毒且生物相容性较好的带有微金字塔结构的柔性薄膜，具有很好的弹性，非常适合用于制作柔性电极。柔性电极的具体制备流程如下。

① 根据设计的微金字塔结构尺寸制作掩模版，并通过刻蚀的方法在硅片上加工出金字塔阵列，制成硅模具。

② 按照质量比为10:1的比例将PDMS液态弹性体和固化剂混合在一起，并搅拌15 min，得到PDMS混合物。

③ 将PDMS混合物放在真空干燥箱中抽气15 min，以充分排出混合物中的气泡。

④ 将硅模具放入丙酮溶液中，利用超声波清洗器进行超声清洗10 min，然后放入脱模剂中浸泡10 min进行脱膜处理，其目的是在硅片上施加一层隔离膜，方便将制得的PDMS基底从硅模具上脱离，最后将硅模具取出烘干即完成了硅模具表面的处理。将排完气泡的PDMS混合物浇注在表面处理好的硅模具上，同时利用匀胶机以500 r/min的转速旋转进行旋涂工艺，使PDMS混合物均匀地旋涂在硅模具上。

⑤ 将在硅模具旋涂得到的PDMS混合物放入真空干燥箱中以80 ℃的温度加热2 h，使PDMS混合物固化。将固化的PDMS从硅模具上揭下，进行裁剪完成PDMS柔性基底的制作。

PDMS基底制作流程如图2所示。

图2 PDMS基底的制作流程图

⑥ 在制作好的PDMS基底上通过沉积的方式制作一层3.5 μm的Parylene过渡层。

⑦ 通过磁控溅射的方式在柔性基底上溅射40 nm的金属膜，选择金作为金属层材料。

制备的基底和最终的电极如图3所示，在沉积完Parylene之后，基底的刚性增加，由于沉积的金属膜很薄，整个金层偏透明状，呈现暗红色。

图3 PDMS基底与电极实物图

2.3 柔性电极的测试

将制作好的柔性电极以及医用Ag/AgCl电极与后续电路连接，进行采集心电信号效果的测试实验。得到的心电信号波形如图4、图5所示。

图4 心电波形实测图(柔性电极)

图5 心电波形实测图(医用电极)

由心电波形实测图4、图5可知，柔性电极测到的心电信号质量更好，毛刺更少，噪声干扰更小，心电信号的相关特征如P波、T波和QRS波群等都明显可见。

3 心电信号电路的研究与设计

通过介绍心电信号的机理与特征，对信号处理电路进行设计。

3.1 心电信号机理与特征

心脏在每个周期中，由起搏点、心房、心室等位置相继产生兴奋，引起体内电信号的变化，这种变化传导至全身，引起全身不同位点的电势差变化，这种电势差变化的波形即心电图(简称ECG)。典型的心电信号图如图6所示，主要波段包括P波、QRS波群、T波以及U波。ECG信号的频率范围为0.05～100 Hz，但它的绝大部分能量(约占90%)都集中在0.05～40 Hz的范围[14]内，幅值一般在mV量级，故需设计频率范围为0.05～40 Hz、放大倍数为1000倍左右的信号处理电路。采集心电信号需要将电极片贴至体表特定的测试部位，电极片贴的位置不同会形成不同的心电导联方式，标准导联包括 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 导联，如图7所示。为了方便测试，采用医学上最常用的导联方式 Ⅰ[15]。

图6 典型心电信号图

图7 3种导联方式示意图

3.2 心电信号处理电路

本部分基于AD8232心电芯片设计与制作心电信号的放大滤波电路，AD8232尺寸仅为2 mm×1.7 mm，采用1.7～3.5 V的电源供电，静态工作电流仅为50 μA，满足便携式心电监测系统小体积、低功耗的需求。设计的信号处理电路主要包括截止频率为0.05 Hz的高通滤波器以及截止频率为40 Hz的低通滤波器，心电信号处理电路原理图如图8所示。

图8 心电信号处理电路原理图

AD8232中内置一个仪表放大器，该仪表放大器的增益为100倍，配置Sallen-Key滤波电路的增益G=11来获取1100倍的总增益。

在Multisim中进行仿真得到该系统的伯德图如图9所示。

图9 放大滤波电路仿真结果图

图9中显示系统的两个-3 dB增益点分别为0.0468 Hz、45.639 Hz，基本符合设计要求。同时系统有较好的平坦度，在超过45.639 Hz的截止频率后，系统增益迅速衰减，总的来说设计的电路满足需求。

在整个系统全部完成后，使用电池供电时，相对来说引入的工频干扰会变得比较小，为减小系统的体积与功耗，可以去除50 Hz陷波器的设计。

4 安卓端APP的开发与测试

便携式心电监测系统需满足小体积且长时间监测心电信号的要求，故研发了基于便携终端——手机APP来实现心电信号的实时监测。

4.1 基于Processing的安卓APP研发

利用Processing进行心电监测装置的APP研发，其程序部分设计主要由3部分组成：蓝牙配置、波形绘制，以及手机界面设置。整个程序设计的流程图如图10所示。

图10 程序设计流程图

① 蓝牙配置。导入ketai库关于蓝牙的相关文件，启动手机蓝牙，列举出手机配对的蓝牙列表供用户选择，用户选择蓝牙设备进行配对后，开始数据传输。

② 波形绘制。从单片机得到的数据范围是0～1023，但Processing语言规定一个字节的数据类型为byte，它所表达的数据范围是-128～127，故需利用map函数进行比例的变化，并利用vertex函数绘制波形。

③ 手机界面设置。即绘制适配手机屏幕大小的图形绘制区域，使其在手机合适的区域内显示波形。

4.2 APP测试

HC-05模块是一款常用的蓝牙模块，用于实现单片机与手机的通信。外接5 V的电源给蓝牙模块供电，将HC-05设置为主机模式并设置好波特率，启动手机蓝牙进行配对，配对完成后，即可直接打开APP使用。

使用医用电极片作为采集电极进行了测试，测试照片如图11所示。

图11 APP测试照片

由图11中手机端接收到的ECG信号波形可分辨出心电信号的基本特征，如P波、T波、QRS波群等，证明了该APP可实现实时显示心电波形的功能。

5 结束语

针对医用电极片以及普通干电极应用于心电监测系统中存在的弊端，研究了一种在PDMS基底上阵列金字塔结构的柔性电极制作方法。该方法通过金字塔结构增加电极表面积从而减少接触阻抗，制备的柔性电极采集到较好的心电信号。同时，采用AD8232芯片进行了ECG信号处理电路设计，进行了基于安卓端APP的研发和测试，最终制作了一种基于柔性电极的便携式心电监测装置。后续工作将会致力于进一步小型化设计、心电信号的平滑滤波以及解决柔性电极的引线封装等问题的研究。