劉雪玉 汪 鑫 姜言冰 紀 寧 劉盛平 李 鵬 陳世雄 李光林

1(中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院 深圳 518055)

2(重慶理工大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院 重慶 400054)

3(中山大學(xué)附屬第三醫(yī)院 廣州 510630)

1 引 言

心臟病是威脅人類生命和健康的主要疾病之一。盡早發(fā)現(xiàn)心臟病的征兆，及時了解心臟狀況，對心臟疾病的預(yù)防和及時診治具有重要的意義[1,2]。隨著社會發(fā)展，人們對健康意識的增強及對亞健康狀況認識的加深，心臟病患者的日常管理及健康人群對心臟疾病預(yù)防和早期檢測等需求大大增加，如在日常生活中能隨時隨地獲知自己的心電生理參數(shù)[3,4]，這對移動心電檢測技術(shù)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。常規(guī)的心電監(jiān)護有接觸式濕電極和干電極兩種檢測方法。其中，接觸式濕電極使用前準備工作復(fù)雜[5,6]，且濕電極長時間放置在受試者身上，導(dǎo)致受試者測量過程有負擔(dān)、體感不適，不適用于長時間監(jiān)測，尤其不適用于嬰幼兒和皮膚過敏人群；而接觸式干電極檢測結(jié)果受皮膚狀態(tài)的影響嚴重，在皮膚毛發(fā)較多部位需要去除毛發(fā)，此類電極采集信號的完整性及抗干擾能力還有待提高[7]。

非接觸式電極基于電容耦合原理，無需電極與人體直接接觸，無需涂抹導(dǎo)電膏，與皮膚表面間隔衣物也能準確測得人體生理信號[8]，因此非接觸電極可以克服傳統(tǒng)濕電極和干電極的局限性，在移動心電監(jiān)測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。非接觸式電極測量前無需準備，對受試者的皮膚狀態(tài)無任何要求，無需裸露皮膚，操作簡便，即使穿著衣服也可以隨時隨地進行可靠的表面生理信號的測量，消除了皮膚過敏的可能性。其次，非接觸電極測試負荷較低，檢測過程將受試者的不適感降到最低，并且可避免電極極化現(xiàn)象，可滿足長時間心電信號檢測的需求。最后，結(jié)合無線通訊技術(shù)，能夠?qū)⒓彝ズ歪t(yī)院聯(lián)系起來，增加信息交互的實時性[9-13]。因此，非接觸電極尤其適用于嬰幼兒、皮膚過敏、燒傷、體毛過長等場合的心電檢測。相比于傳統(tǒng)電極，非接觸式電極更能滿足心電監(jiān)護的即時檢測和長期監(jiān)測的要求，且電極片可重復(fù)使用、可靠、價格低[14]。

自 Lopez 和 Richardson[15]首次提出利用電容耦合原理來檢測人體生理信號后，研究人員開始了對非接觸電極的特性研究。Sullivan 等[16]研制出了一種結(jié)構(gòu)緊湊的紐扣式傳感器，縫于衣物外側(cè)進行心電信號的測量。2009 年以來，Chi等[17-20]針對低功耗、小型化、高精度的非接觸式電極檢測系統(tǒng)進行了一系列的研究，最終將電極集成為一種可穿戴的心電檢測胸帶。另有可長時間檢測多種生理參數(shù)，包括心電信號的智能健康監(jiān)護椅[21,22]。Ueno 等[23]和 Wu 等[24]將測量電極置于床墊中，研究開發(fā)了多功能體檢床來長時間監(jiān)測心電信號。在心電信號質(zhì)量的提高方面，重點研究了測量電極的信號調(diào)理電路[25]、電極的屏蔽方式[26]等。但當前的研究尚缺乏對非接觸電極耦合條件對信號質(zhì)量影響的系統(tǒng)評估，因此實際的臨床應(yīng)用缺乏精確可靠的參數(shù)選擇依據(jù)。

本文提出了一個基于容性耦合原理的非接觸電極的心電檢測系統(tǒng)。通過將非接觸電極得到的心電波形與傳統(tǒng)的接觸電極進行系統(tǒng)對比，并進一步系統(tǒng)地研究了絕緣層材料和厚度兩個參數(shù)對非接觸電極心電檢測性能的影響，以全面探索非接觸式心電信號采集的最佳條件，為非接觸電極應(yīng)用于心電信號的長期監(jiān)護提供可靠的實驗依據(jù)。

2 實驗方法

2.1 受試者

本實驗在中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院的學(xué)生及員工中招募健康受試者 10 名(其中男、女受試者各 5 名)，平均年齡 24 歲。受試者心臟及肢體功能均正常，且無任何認知障礙，能明確理解實驗內(nèi)容，并簽訂知情同意書。每位受試者實驗持續(xù)時長約 30 min。實驗過程中，受試者保持靜坐狀態(tài)，手臂自然放松。整個實驗過程符合中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院人體倫理道德規(guī)范(SIAT-IRB-130124-H0015)。

2.2 實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由非接觸電極、ADS1299采集前端、單片機、WIFI 模塊和計算機組成。2 個非接觸電極和 1 個右腿驅(qū)動電極通過自粘繃帶分別固定于受試者裸露的前臂，如圖 1 所示。實驗所用電極的接觸面裸露在外，方便進行電極接觸測量與通過在電極和皮膚之間插入絕緣介質(zhì)實現(xiàn)非接觸測量兩種方式的比較。電極獲得的模擬信號傳入 ADS1299 模擬信號處理前端進行信號調(diào)理和 A/D 轉(zhuǎn)換，并由單片機控制數(shù)據(jù)采集。其中，單片機和計算機之間通過WIFI 模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。最后利用 MATLAB軟件編程進行分析和心電(Electrocardiogram，ECG)波形顯示。為減少工頻干擾，整個實驗過程通過鋰電池供電。

2.3 非接觸式信號檢測原理

電容耦合式非接觸電極利用電極、絕緣體和皮膚之間容性耦合來實現(xiàn)信號的獲取。在本研究中，選擇銅片作為容性耦合電極的感應(yīng)層材料。此時，身體表面可看作一個傳導(dǎo)面，電極的感應(yīng)層看作另一個傳導(dǎo)面，兩個傳導(dǎo)面及其之間的絕緣介質(zhì)等效為一個電容器C[8]。其中，C值可以由平行板電容的標準表達式給出。將人體的心電信號等效為一個信號源，信號源產(chǎn)生低頻、小幅度的電壓信號。該電信號通過等效電容器耦合到后端的傳輸電路。

圖1 實驗數(shù)據(jù)采集框圖Fig. 1 Diagram of experimental data acquisition

由公式(1)可以看出，絕緣層材料種類及厚度、電極的感應(yīng)面積均影響電極電容的大小。信號釆集電極與人體接觸的有效面積越大，則電極電容值越大[27]。增大電極與人體間的有效接觸面積，最直接有效的方式是增大采集電極的感應(yīng)面積。但是，電極面積并非越大越好。考慮到實際應(yīng)用中，人體皮膚表面是不規(guī)則的曲面，尤其是頭部，而本文的感應(yīng)層銅片電極在剛性電路印刷版(Printed Circuit Board，PCB)基板上制作，因此測試中電極與人體接觸的有效接觸面積并不一定隨著電極面積的變大而等比例變大。此外，電極面積過大會增加集成后的檢測系統(tǒng)的體積和重量，不利于移動醫(yī)學(xué)檢測。綜合對信號質(zhì)量的要求和實際應(yīng)用情況等多方面因素，本文采用直徑為 18 mm 的電極感應(yīng)面進行實驗，重點討論絕緣層材料及厚度對信號質(zhì)量的影響。

2.4 非接觸電容耦合式電極設(shè)計

本研究的非接觸電極原理如圖 2(a)所示：心電信號通過電極感應(yīng)層金屬片耦合進入電極電路中，并依次通過電壓跟隨器、高通濾波器、二級電壓跟隨器等緩沖電路，最后輸出電容耦合的心電信號，并作為后端 ADS1299 數(shù)據(jù)采集平臺的模擬輸入。與之前常見的電極設(shè)計[16]中使用的昂貴、低電流噪聲的放大器 INA116 相比，本研究建立了一個基于 LMP7702MA 的高質(zhì)量有源電容電極。LMP7702MA 芯片具有超高輸入阻抗、超低輸出阻抗、高共模抑制比等優(yōu)點，可以實現(xiàn)電壓緩沖和隔離噪聲的作用，同時該放大器價格低廉且被廣泛使用，非常適合本電極的使用情況。R1和R4分別用以保護放大器的輸入和隔離有源屏蔽中放大器的輸出。由C1和R2組成的高通濾波器能消除直流偏置以及低頻噪聲。根據(jù)原理圖設(shè)計，將非接觸電容耦合式電極設(shè)計為標準 4 層PCB 板：電極的中間層與正面的外環(huán)共同作為本電極的屏蔽層(圖 2(b))，屏蔽層與緩沖后的電極輸入信號相連，可以使電極屏蔽層分布電容保持均衡，消除由分布電容引起的心電信號不均衡衰減。電極背面放置電子元器件，并提供電源輸入和心電輸出接口，如圖 2(c)所示。

圖2 非接觸電容耦合式電極原理圖及其 3D 示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the non-contact capacitive coupling electrode and its 3D schematic

2.5 實驗方案設(shè)計

根據(jù)上述非接觸電極檢測原理，非接觸電極的信號質(zhì)量受絕緣層材料種類及厚度、電極的感應(yīng)面積等影響。Sun 等[9]和 Lee 等[27]提出隨著絕緣層厚度的增加，ECG 信號更加失真，但較大尺寸的電極比較小的電極失真??；楊攀[28]通過純棉絕緣層采集到的心電幅值比純羊毛絕緣層略大。但上述文獻中都未對絕緣層材料及其厚度等影響心電信號質(zhì)量的因素做系統(tǒng)的驗證。本文實驗設(shè)計了 3 個對比實驗方案(如圖 3)：

(1)不同接觸方式的影響對比。電極直接接觸和非接觸測量對比。

(2)不同絕緣層材料的影響對比。選用了棉布、麻布和紙片 3 種材料作為絕緣材料，相應(yīng)厚度分別為 0.45 mm、0.44 mm 和 0.44 mm。

圖3 實驗方案框圖Fig. 3 Diagram of experiment scheme

(3)不同絕緣層厚度的影響對比。

考慮到純棉材料的衣物較常見、貼身、舒服且靜電干擾較小，因此本文針對不同厚度的棉布絕緣層對信號質(zhì)量的影響進行實驗研究，分別對1 層、3 層、5 層、7 層(單層厚度均為 0.45 mm)棉布等 4 種絕緣層厚度進行實驗測量。實驗過程中，受試者靜坐，手臂自然放松置于身前。實驗前用酒精棉處理皮膚，再將電極直接貼于手臂上，用繃帶固定。首先測量電極直接接觸時的心電數(shù)據(jù)，用作參考。然后在皮膚和電極之間，分別依次插入上述絕緣層材料以及不同厚度(層)的棉布，分別記錄相應(yīng)的心電信號。

電極的放置位置對表面電信號的采集至關(guān)重要。因本文使用電極為非接觸電極，兩個電極間的阻抗匹配必須一致。若不一致，極易引起工頻干擾，導(dǎo)致信號噪聲過大乃至飽和。為便于觀測實驗現(xiàn)象同時減少由于電極移動造成的干擾，采用一種自粘繃帶將電極片固定于被測者手臂部位。其中，繃帶能使電極、絕緣介質(zhì)層和受試者皮膚之間保持相對固定。電極實物圖及其具體固定位置如圖 4 所示。非接觸心電電極片 1(E1)置于受試者左手手臂；非接觸心電電極片 2(E2)置于受試者右手手臂，并與E1保持同樣高度。參考電極(ERLD)沿手臂置于E1下方，與E1距離約3 cm。所有測試中，ERLD與E1兩電極間距均保持恒定。每位受試者均進行上述 3 個實驗，且每次測量時心電電極均放置在受試者手臂的同一位置。

根據(jù)上述實驗方案，以 500 Hz 的采樣頻率進行實際心電信號的檢測，并通過嵌入式 WIFI模塊將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C。實驗過程存儲所有原始數(shù)據(jù)，實驗后在 Matlab 環(huán)境中進行數(shù)據(jù)的離線分析。本文重點比較在一定時間內(nèi)(3 s)，不同實驗方案采集到的心電時域波形的形態(tài)和噪聲特性。

圖4 電極放置示意圖Fig. 4 Schematic of electrode placement

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 直接接觸電極和非接觸電極

圖5 為電極在不同接觸方式下獲得的心電時域波形圖。除了抗混疊濾波器之外，本實驗的數(shù)據(jù)未經(jīng)過任何硬件或軟件濾波。其中，非接觸電極與皮膚之間的絕緣材料為 1 層棉布。由圖 5 可以看出，電極直接接觸與非接觸時測得的 QRS 波、P 波和 T 波均清晰可見，且兩個方式各時段波峰高度吻合，基線干凈、平滑，噪聲得到有效抑制。其中，非接觸測量結(jié)果的心電波形較好，但信號質(zhì)量與直接接觸電極不存在明顯差別。除此之外，非接觸電極獲得的心電基線稍粗，這是由于其非接觸性，來自多個方面的干擾因素較大，如空間耦合噪聲、人的運動或呼吸作用、運放的偏置電壓與本征噪聲、電源噪聲以及殘留的共模干擾等。由此可見，本文采用的非接觸電極測量方式可獲得與直接接觸電極幾乎同等質(zhì)量的心電信號。同時，非接觸電極具有安裝簡單、無需導(dǎo)電膏、無需與皮膚直接接觸等優(yōu)點，有著較好的臨床應(yīng)用前景。

3.2 不同絕緣層材料的結(jié)果對比

分別采用 0.45 mm 的全棉材料、0.44 mm 的麻布材料和 0.44 mm 的紙片作為電極絕緣層材料，獲得的心電信號時域波形圖如圖 6 所示。由圖 6 可見，當絕緣層為棉布時，心電波形圖中明顯可見 QRS 波、T 波，P 波較為平緩，但仍可見，整個波形基線干凈、平穩(wěn)、噪聲較??；絕緣材料換為麻布后，心電波形圖中依舊可見QRS 波、T 波，P 波偶爾可見，基線波形較棉布時粗，高頻噪聲增加，但基線依舊平穩(wěn)；絕緣材料為紙片時，心電波形圖中明顯可見 QRS 波、T波，但 P 波不可見，且基線上下浮動較為嚴重，高頻噪聲進一步增強。比較 3 種絕緣材料的心電波形可以看出，QRS 波的幅值相近，絕緣材料的不同主要表現(xiàn)為基線的粗細變化，亦即心電波基線噪聲的變化，但不影響 QRS 特征波的幅值。由實驗結(jié)果可知，當絕緣材料為棉布時，獲得的心電信號質(zhì)量最好。

圖5 直接接觸電極(a)和非接觸電極(b)結(jié)果對比圖(受試者 01)Fig. 5 Comparison of the measurement results between direct contact electrodes (a) and non-contact electrodes (b)(subject 01)

圖6 不同絕緣層材料測量結(jié)果對比圖(受試者 03)Fig. 6 Diagram of different insulation materials (subject 03)

不同絕緣層材料具有不同介電常數(shù)，根據(jù)公式(1)，理論上絕緣層的介電常數(shù)越大，等效耦合電容便會越大，相應(yīng)獲得的心電信號質(zhì)量會更好。但由于紡織品本身的特性，其介電常數(shù)非常容易受到環(huán)境溫、濕度的影響，故會隨著環(huán)境條件的變化而發(fā)生相應(yīng)變化。因此，即使是同一種材料，所測介電常數(shù)數(shù)據(jù)也并不穩(wěn)定[29]。純棉材料的相對介電常數(shù)為 1.3～1.4，紙片的介電常數(shù)為 2.5[29]。常見文獻中，將心電電極置于椅子靠背[22]、床墊上[26]或集成于可穿戴的便攜式系統(tǒng)中[19]，受試者靜坐于椅子上、躺于床墊或直接站立，透過衣物直接進行心電測量，這些實驗條件受衣物材料限制，多為對比純棉和純羊毛材料。本實驗中不僅討論質(zhì)地較軟且穿著舒適的純棉和純麻材料的絕緣層，還加入了質(zhì)地較硬的紙片作為絕緣層，討論更具全面性和系統(tǒng)性。在本實驗條件下，利用非接觸電容耦合式電極，直接接觸以及采用 3 種材料絕緣都能采集到心電信號。其中，由純棉材料作為絕緣層采集到的心電信號信噪比最高，信號質(zhì)量最好，麻布次之，紙片最差。由此可見，在相同的測試條件下，選用介電常數(shù)較大的材料作為絕緣層，信號結(jié)果較好。雖然紙片的介電常數(shù)較棉布更大，但信號波形幅值并沒有較大差別，并且信號質(zhì)量較差。這可能是由于紙片質(zhì)地較硬，測量時與電極表面的貼合相對較差，容易引起電極的輕微移動，導(dǎo)致兩個電極阻抗的不匹配，從而影響信號質(zhì)量且更容易引入工頻干擾。

3.3 不同絕緣層厚度的結(jié)果對比

純棉材料透氣吸汗、穿戴舒適，不易產(chǎn)生靜電，非常適用于移動健康監(jiān)護等臨床應(yīng)用。因此，本實驗選用純棉材料作為絕緣材料，全面探索不同絕緣層厚度對非接觸電極性能的影響。本文實驗選取的純棉材料厚度分別為 1 層、3 層、5層、7 層(單層厚度均為 0.45 mm)，依次得到的心電信號時域波形如圖 7 所示(波形未經(jīng)任何硬件和軟件濾波)。

圖7 不同絕緣層厚度測量結(jié)果對比圖(受試者 06)Fig. 7 Diagram of different insulation thickness (subject 06)

由圖 7 可見，在 4 種不同的絕緣層厚度條件下，非接觸電極均能獲得明顯的心電信號。其中，當純棉材料層數(shù)為 1 層時，心電波形中可觀察到明顯的 QRS 波、T 波和 P 波信號，QRS 波幅值約為 4 mV，基線平滑，噪聲較小；當純棉材料層數(shù)為 3 層時，心電波形中仍可觀察到明顯的 QRS 波、T 波和 P 波信號，QRS 波幅值不變，但基線變粗，說明噪聲有一定的增加；當純棉材料層數(shù)為 5 層時，心電波形中仍可觀察到明顯的 QRS 波、T 波，但 P 波信號不明顯，QRS波幅值變?yōu)榧s 3 mV，基線進一步加粗，噪聲進一步增加，且伴隨著明顯的基線跳動；當純棉材料層數(shù)為 7 層時，心電波形中仍可觀察到明顯的QRS 波、T 波，但 P 波信號不明顯，QRS 波幅值約 3 mV，且基線明顯加粗，噪聲明顯增加。

Chi 等[18]利用 3 種厚度(0.18 mm、0.89 mm、2.72 mm)的玻璃片驗證了電極傳感器在不同距離上耦合信號的性能，結(jié)果表明，耦合信號隨著傳感器與信號源的距離增大而減小。本文實驗選用的絕緣層最小厚度為 0.45 mm，這個厚度既能獲取良好的信號質(zhì)量，又增加了受試者衣物的廣泛適用性。綜上實驗結(jié)果可以看出，當絕緣層厚度增加時，QRS 波仍保持清晰，但其幅度減小、基線逐漸變粗、高頻噪聲逐漸增加，尤其厚度在 5層以后，工頻干擾明顯增大，信噪比明顯減小。可能是由于絕緣層厚度較大時，測量電極與參考電極之間阻抗不匹配程度更大，導(dǎo)致工頻干擾等環(huán)境噪聲更容易對心電的測量造成干擾。因此，利用非接觸電極檢測心電時，將電極置于較薄的衣物之上，可獲得更好的心電波形。

4 結(jié)論與展望

本文提出了一種非接觸電極的設(shè)計，并系統(tǒng)地探討了絕緣層材料種類和厚度對非接觸電極心電信號采集的影響。結(jié)果表明，本文設(shè)計的非接觸電極基本能達到接觸電極的信號水平；不同絕緣層材料中，棉布作為絕緣層材料時，獲得的心電信號信噪比最高；在絕緣層材料選定的情況下，絕緣層厚度較薄時，獲得的心電信號質(zhì)量較好，噪聲較低。因此，本文的實驗結(jié)果證明了非接觸電極在心電監(jiān)護應(yīng)用中的可行性，并且為監(jiān)護過程中非接觸電極與皮膚之間的衣物材質(zhì)和厚度的選擇提供了實驗依據(jù)。相對于同類研究，本文的電極設(shè)計簡單、方便實用，同時對影響電極信號質(zhì)量的絕緣層參數(shù)做了系統(tǒng)全面的探討。在今后的研究中，將進一步對本文提出的非接觸電極進行優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

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