基于石墨烯织物电极的七导联心电监测系统

李瑞凯， 李瑞昌， 朱 琳， 刘向阳

(1. 河北大学 质量技术监督学院， 河北 保定 071000； 2. 河北大学 附属医院， 河北 保定 071000； 3. 河北工业大学 经济管理学院， 天津 300401； 4.厦门大学 海洋与地球学院， 福建 厦门 361005)

我国心血管病死亡人数占城乡居民总死亡人数的首位[1]，而心电信号实时监测是患者心脏状态最直接有效的预警方式，可穿戴式心电监测设备将成为未来居家医疗的重要组成部分[2]。据英国心脏基金会调查，87%的人对心脏疾病认识不足，意识不到病发症状，从而，延误了治疗的最佳时期。目前，医院使用的心电图机和动态心电图机(Holter)普遍存在便携性不足或实时性不足的缺陷。可穿戴式心电监护设备因其在舒适性、便携性、实时性等方面的突出优势而成为关注热点[3]。

目前临床通用的心电电极为一次性Ag/AgCl凝胶电极，该电极通过导电膏和凝胶与皮肤直接接触，长期使用会造成皮肤一定程度的过敏。同时，随着使用时间的延长该电极逐渐脱水，阻抗明显增大，采集的心电信号质量随之下降，不适合于心电信号的长期检测，因此，国内外的学者现今均致力于新型心电电极的研发。

现有的穿戴式监测设备形态上大致分为手环(小米、华为手环等)、手表(苹果、华为等)[4]、胸带(天鹏宇、博能)、背心(阿木)、粘贴式单导联心电监护仪(果实健康、乐普)等[5]。其中，手环、手表通过光反射与吸收原理测定血氧浓度和心率，而并非真正意义的心电，因此不能获得具有医学参考价值的心电信号[6]。胸带、背心等产品多数仅测试单导联心电，而单导联心电数据用于心脏疾病的分析非常有限[7]，因此突显了多导联心电精准监测的必要性[8]。然而，导联数越多，需要连接的导联线越多，对佩戴者动作幅度范围及姿态的要求越严格，增加了穿戴式多导心电监测的难度[9]，这也是市场上家用单导联心电设备很多但三导联及以上导联心电设备较少的原因[10]，因此，具备低功耗、可穿戴、舒适性及数据准确性的多导联心电监测设备的设计已成为科研人员的研究重点[11-12]。

针对以上问题及现状，本文设计了一套基于石墨烯织物电极的七导联穿戴式心电监测系统，并进行了功耗测试和多使用场景测试。该设备具备功耗低和可长期穿戴的优势，能够在常规场景中采集得到稳定并准确的心电信号。

1 穿戴式心电衣设计

七导联穿戴式心电监测系统主要由心电衣主体、石墨烯织物电极、七导联心电采集终端以及手机应用程序(APP)组成。本文选择棉/T400(95/5)高弹面料，T400纤维是由聚对苯二甲酸丙二醇酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PTT/PET)双组分并列复合的一种弹性纤维。以塑身衣方式设计而成的心电衣，衣服本身与人体肌肉能够很好的贴合，有利于电极与人体的良好接触，进行精准测量。该面料具备高弹、舒适、柔软、吸湿快干、不易变形等特点，心电衣可通过衣服本身的塑身压力减少摩擦等外部干扰，制成具备吸湿排汗、冰凉触感、舒适的紧身心电衣，在一定程度上减少了活动中因衣服形变造成的噪声干扰。

该系统采用石墨烯织物电极[13]代替Ag/AgCl电极进行心电信号采集，该电极具有阻抗低、舒适、透气的优点，既保证石墨烯织物电极采集心电信号的质量，又不会因长期测试对测试者造成不适。

心电采集终端通过采集电路进行信号的采集、放大及滤波等处理，再通过蓝牙[14]将采集的心电数据发送至APP端进行心电波形的实时显示。穿戴式心电衣整体系统设计如图1所示，显示了心电衣实物图(标有对应人体正面石墨烯织物电极所对应的粘贴位置)和硬件电路设计系统框图。采集终端分别由ADS1293心电采集前端、CC2541低功耗蓝牙、XC6206电源管理电路及锂电池4部分组成, ADS1293心电采集前端和CC2541低功耗蓝牙之间通过串行外设接口(SPI)总线连接，进行数据交互。

图1 穿戴式心电衣整体系统设计图

2 石墨烯织物电极制备与性能

2.1 石墨烯织物电极的制备

Ag/AgCl凝胶电极作为湿电极的一种，在穿戴式心电监测使用中存在诸多限制，例如：不支持长期、多次使用，有一定的生物毒性，频繁使用会对部分敏感皮肤造成一定的影响。为了克服凝胶电极的上述缺点，基于石墨烯的良好导电性和生物相容性，本文设计了一种适合长期佩戴及多次使用的耐摩擦石墨烯织物柔性电极[15]。首先配制质量浓度为5 mg/mL的氧化石墨烯水溶液，将布氏漏斗安装在抽滤瓶上，然后将涤纶织物(全涤坯布，晋州市某面料厂)盖于布氏漏斗底部，打开真空泵进行抽滤，使布氏漏斗中压力保持为2.0 mPa，之后将氧化石墨烯水溶液慢慢倾倒在涤纶织物上，最后直至完成抽滤并重复进行多次。涤纶织物的形状还可以设置为圆形、椭圆形、多边形或其他所需的图案。将吸附氧化石墨烯的涤纶织物置于真空烘箱中，于50 ℃干燥3 h，得到氧化石墨烯/涤纶导电复合物。将氧化石墨烯/涤纶导电复合物浸渍于0.17 mol/L的NaBH4(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)的水溶液中，在室温下缓慢搅拌1 h，然后将浸渍NaBH4后的氧化石墨烯/涤纶导电复合物取出水洗，在真空烘箱中于50 ℃下干燥3 h，得到石墨烯织物电极[16]，石墨烯电极结构示意图及实物图如图2所示。该电极使用过程中舒适、透气并可长期多次使用,解决了现有商用凝胶电极长期使用过程中存在的阻抗衰减问题。

图2 石墨烯电极结构示意图及实物图

2.2 石墨烯织物电极性能

为研究石墨烯织物电极的频率-阻抗特性，本文测试比较了石墨烯织物电极与商用Ag/AgCl凝胶电极的本征阻抗，2种电极的频率-阻抗响应曲线如图3所示。Ag/AgCl电极本征阻抗随着频率改变，呈现容性阻抗。石墨烯电极在整个测量频率内具有平坦的阻抗曲线，呈现阻性阻抗，阻抗约为100 Ω，具备较好的导电性。

图3 石墨烯织物电极和Ag/AgCl电极频率与阻抗关系

为了评估电极在长期连续测试中的性能，本文安排测试者连续佩戴石墨烯织物电极7 d，并在每天固定时间段进行心电信号采集及信号质量评价。表1示出7 d连续心电信号电压幅值和信噪比。可以看出，连续佩戴7 d的石墨烯织物电极采集的心电信号平均信噪比约为29.35 dB，随着使用天数增加未出现性能衰减。

表1 石墨烯电极连续7 d心电信号监测幅值和信噪比

3 心电采集终端设计与实现

3.1 ADS1293集成模拟前端电路设计

心电采集前端基于德州仪器(TI)公司生产的ADS1293芯片进行设计[19]。ADS1293芯片具备高集成度及低功耗的特点，能够提供3通道、24位高分辨率的数字心电图，不用经过2次滤波、放大即可得到满足心电信号采集分辨率的要求，在缩小电路板空间和降低系统采集电路功耗方面表现出了优异的性能。该芯片有4个差分信号输入端口，并集成了3个差分放大器，1个威尔逊基准端[20]，每路差分放大器后都对应有1组调制器和数字滤波器，通过硬件调制及数字滤波，使输出的心电信号达到采集范围并具备更高的信噪比。

3.2 CC2541电路设计

微处理器(MCU)采集及蓝牙发送基于TI公司生产的CC2541进行设计。CC2541是具有低功耗8051微控制器内核的2.4 GHz低功耗蓝牙芯片。该芯片支持250 kbps、500 kbps、1 Mbps以及2 Mbps的数据速率，高达1 mW的可编程输出功耗以及出色的接收器灵敏度。该芯片针对8051微控制器内核配备128/256 kB的系统内可编程闪存、8 kB的随机存取存储器(RAM)、5通道直接内存访问(DMA)、3个通用寄存器以及串口、模数转换器(ADC)、集成电路总线(IIC)、串行外设接口(SPI)等硬件接口，实现了使用1片芯片完成数据采集、处理、发送等工作。本文选用CC2541芯片作为MCU使心电采集终端进一步降低了功耗、提高了集成度、增加了稳定性[21]，具有较强的创新性。

4 功能设计

4.1 心电监测终端软件设计

心电监测终端软件基于操作系统抽象层(OSAL)及低功耗蓝牙(BLE)软件系统架构设计。操作系统抽象层支持多任务运行，可以理解为轻量级操作系统；低功耗蓝牙协议栈即BLE协议的实现代码。BLE协议栈主要是对用户应用数据进行层层封包，以生成满足BLE协议的空中数据包。在该心电监测终端设计中，基于CC2541芯片的硬件结构，通过OSAL系统调配硬件资源，采集心电数据，并将心电数据通过BLE协议栈发送至显示APP端。

4.2 显示APP设计

手机端显示APP基于AndroidStudio开发工具开发和调试完成，该应用程序运行流程图如图4所示。启动该应用后，首先检测手机蓝牙是否开启，确认蓝牙开启后，然后进行登录认证，即可浏览历史数据和心电实时检测，该APP在心电波形实时检测时，数据显示、数据处理及数据上传3个进程同时运行。

图4 APP设计流程图

心电采集终端采集到Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ1共3个导联波形数据，其中Ⅰ、Ⅱ导联为肢体导联，Ⅴ1导联为胸部导联。其余Ⅲ、aVR、aVL以及aVF 4个导联由Ⅰ、Ⅱ导联运算得出，其中Ⅲ导联为肢体导联，aVR、aVL以及aVF导联为加压单极肢体导联。依据常规心电12导联体系，Ⅰ导联为左上肢与右上肢之间的电位差，Ⅱ导联为左下肢与右上肢之间的电位差，Ⅴ1导联为胸部右缘第4肋间与肢体导联均值的电位差，Ⅲ导联为左下肢与左上肢之间的电位差，aVR导联为负的Ⅰ、Ⅱ导联之和的均值电位差，aVL导联为Ⅰ导联与二分之一倍的Ⅱ导联的电位差，aVF导联为Ⅱ导联与二分之一倍的Ⅰ导联的电位差。根据上述心电导联生成原理，Ⅲ、aVR、aVL以及aVF导联心电波形运算公式如下：

Ⅲ=Ⅱ-Ⅰ

(1)

(2)

(3)

(4)

5 系统测试与实验验证

首先对系统进行功耗测试，使用泰克型号为2200-20-5的直流电源对心电采集终端以3.7 V恒压供电，耗电电流为1.95 mA。结果表明，使用容量为250 mA·h锂电池理论供电时长可达5 d，能够满足长期监测需求。

随后对测试者在穿戴心电监测设备时进行不同测试场景的实时心电监测。由于本设备的受众为心脏病患者，根据心脏病患者不宜剧烈运动的特征，将测试状态分为静息和静息自汗2种状态，将测试场景分为静息、步行、慢跑3个场景。

图5为实时测试APP波形图，该图纵坐标表示对应导联幅值的量化值，横坐标表示开始采集后采集数据量对应关系，将对应导联数据采样至100 Hz显示到手机屏幕上，即横坐标基本单位为10 ms。2种测试状态中，在静息状态下，测试波形最好，信噪比为25.80 dB,由皮肤阻抗、工频干扰等其他外部因素造成的杂波已被完整滤除[22]。在静息自汗状态下，心电信号信噪比为24.20 dB，因汗液包含多种成分，可导电，石墨烯织物电极在汗液环境下，阻抗不会大幅升高，信噪比没有明显的下降。在静息、步行和慢跑3个测试场景中，步行和慢跑环境下测试的心电波形噪声较大，信噪比分别为18.32、15.83 dB，造成该信噪比下降的原因是衣物和皮肤摩擦、肌肉活动以及呼吸引起的胸腹的收缩，经小波变换、巴斯沃通滤波和带通滤波等算法，该类噪声能够有效滤除，信噪比提升[23-25]。

图5 不同场景APP实时心电图

6 结 论

本文设计了一款基于石墨烯织物电极的七导联心电监测系统，该系统的心电衣是采用棉/T400高弹面料以塑身衣方式设计而成，能够有效降低电极因接触问题引入的噪声。石墨烯织物电极通过连续7 d的佩戴，信噪比为29.35 dB；随佩戴天数的增加，信噪比未出现衰减；相比Ag/AgCl电极，其透气且有较好的生物相容性，不会对皮肤造成过敏反应。七导联心电采集设备使用250 mA·h锂电池供电能够实现连续5 d的心电信号的实时监测，在静息自汗状态下，采集的心电信号信噪比为25.80 dB，为心电信号的处理及分析提供可靠的数据源。该系统可在不影响被测者日常生活的前提下进行实时采集，获取高信噪比的心电信号，可应用于居家心脏康复相关的实时监护以及心脏疾病的远程监护与早期预警。