馬 帥，侯世科，樊毫軍，范 斌

（天津大學(xué)災(zāi)難醫(yī)學(xué)研究院，天津 300072）

0 引言

延遲檢測(cè)是心血管疾病患者死亡率高的主要原因，而大多數(shù)心律失常的診斷具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@種疾病是短暫的、陣發(fā)性的，有時(shí)是無癥狀的[1]。許多與心臟相關(guān)的并發(fā)癥，如心臟驟停、心律不齊、充血性心力衰竭、冠狀動(dòng)脈疾病等可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心電信號(hào)避免或預(yù)防。隨著科技發(fā)展和生活水平的提高，人們的健康意識(shí)也逐漸提高，持續(xù)監(jiān)測(cè)身體生理參數(shù)以了解自身健康狀況的需求不斷增加。而隨著電子設(shè)備小型化、低功耗微處理器性能的提高以及人工智能的發(fā)展，構(gòu)建可穿戴式智能個(gè)人健康信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為可能。本文對(duì)國內(nèi)外智能心電信號(hào)監(jiān)測(cè)電極及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，分析目前智能心電信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出發(fā)展展望。

1 國內(nèi)外智能心電信號(hào)監(jiān)測(cè)電極研究現(xiàn)狀

心電信號(hào)監(jiān)測(cè)電極主要有濕電極、干電極、電容耦合電極和紡織電極等。傳統(tǒng)心電信號(hào)監(jiān)測(cè)電極（濕電極）通常是直接附著在患者皮膚上的銀或氯化銀電極，這類電極長期應(yīng)用非常不方便，容易導(dǎo)致皮疹和過敏。干電極省略了對(duì)電解質(zhì)凝膠的需要，雖然比濕電極更舒適，但由于皮膚和電極之間直接接觸，可能會(huì)危害使用者的安全。電容耦合電極是一種非接觸電極，根據(jù)患者皮膚和電極之間電荷電容耦合的原理工作[2]。目前，出現(xiàn)傳統(tǒng)干濕電極向基于紡織品電極、針織集成和平面時(shí)尚電路板等多種可穿戴式電極轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。與可穿戴傳感器的發(fā)展相對(duì)應(yīng)，針織集成傳感器的使用也有了同樣的增長，此類傳感器將電子元件編織其中，提高了傳感器的舒適度。心電信號(hào)監(jiān)測(cè)電極的最新進(jìn)展是使用平面時(shí)尚電路板，直接將電路通過銀漿印刷在織物上[3]。

1.1 國外智能心電信號(hào)監(jiān)測(cè)電極研究現(xiàn)狀

德國戴姆勒公司[4]使用5個(gè)附著在方向盤上的黃銅電極測(cè)量駕駛員的心電信號(hào)，并采用電極活性電路作為信號(hào)調(diào)節(jié)電路，以提高駕駛員駕駛車輛時(shí)電極的動(dòng)態(tài)范圍和心電信號(hào)監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性。但是金屬干電極連接到彎曲的方向盤上時(shí)會(huì)出現(xiàn)靈活性差的問題，而且只有5個(gè)黃銅電極連接到方向盤的有限位置限制了心電信號(hào)的采集，干電極表面電阻的變化也可能導(dǎo)致心電信號(hào)監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性差。為此，韓國研究人員[5]提出了一種電鍍法制造的導(dǎo)電織物電極材料覆蓋方向盤進(jìn)行心電測(cè)量（如圖1所示），解決了上述問題。采用導(dǎo)電織物構(gòu)成電極，可以提高附著靈活性，降低所需信號(hào)調(diào)節(jié)電路的成本和復(fù)雜性，比常規(guī)心電信號(hào)測(cè)量電極具有更高的信噪比和穩(wěn)定性。

圖1 方向盤心電信號(hào)測(cè)量電極[5]

英國愛丁堡研究者[6]首次將運(yùn)動(dòng)傳感器和紡織電極結(jié)合在一起，并專門設(shè)計(jì)柔性印刷電路板，將由三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、三軸磁強(qiáng)計(jì)和數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器組成的MPU-9250多芯片模塊集成在一起。柔性印刷電路板由兩部分組成：第一部分是帶有電子元件的微型電路板；第二部分是印刷的將生物電位信號(hào)和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的傳輸線。

將可穿戴技術(shù)應(yīng)用到心電信號(hào)測(cè)量中的目的是使心電信號(hào)監(jiān)測(cè)電極成為人類日常生活的一部分，這就要求用于制造心電信號(hào)監(jiān)測(cè)電極的材料必須保證足夠的舒適度[7]。Baek等[8]于2008年研制了一種基于聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）的干式電極，能夠改變其形狀以保持皮膚和電極之間的持續(xù)接觸，有助于實(shí)現(xiàn)便攜式可穿戴心電信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備的研發(fā)和使用。韓國研究人員借助不同類型的導(dǎo)電紗線無縫編織到織物中形成織物電極，類似于傳統(tǒng)的印刷電路板，將電路直接印刷在織物上而不是塑料上，結(jié)合傳感器電路構(gòu)成心電信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備[9]。意大利卡利亞里大學(xué)研究者利用導(dǎo)電聚合物材料聚（3，4-乙撐二氧噻吩）：聚（4-苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT：PSS）材料形成新的織物電極，可以在干燥和潮濕環(huán)境下穩(wěn)定采集心電信號(hào)，具有更高的舒適度，制造工藝更為簡單，為可穿戴監(jiān)測(cè)領(lǐng)域提供了更好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)[10]?？椢镫姌O心電信號(hào)監(jiān)測(cè)作為一種新型的心電信號(hào)采集手段，有效地解決了傳統(tǒng)電極所帶來的一系列缺點(diǎn)[11]。

1.2 國內(nèi)智能心電信號(hào)監(jiān)測(cè)電極研究現(xiàn)狀

中國教育部生態(tài)紡織重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究者[12]提出基于鍍銀錦綸絲束和滌綸的平紋及緞紋交織結(jié)構(gòu)的4種導(dǎo)電織物電極，并從皮膚-電極接觸阻抗、舒適性以及織物方阻與穿戴壓力的關(guān)系等方面評(píng)價(jià)了織物電極的性能，還測(cè)試了不同穿戴壓力（2、5、10 kPa）下4種不同織物電極采集心電信號(hào)的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同穿戴壓力下，不同結(jié)構(gòu)的織物電極表現(xiàn)出不同的心電信號(hào)采集能力和舒適性能：隨著穿戴壓力增加，所測(cè)試的導(dǎo)電織物方阻先呈下降趨勢(shì)，然后趨于穩(wěn)定，心電信號(hào)質(zhì)量不斷增高；純導(dǎo)電緞紋結(jié)構(gòu)織物具有更好的透氣透濕性，并且舒適性優(yōu)于平紋結(jié)構(gòu)織物；在舒適的穿戴壓力（2、5 kPa）下，平紋結(jié)構(gòu)織物電極表現(xiàn)出更好的心電信號(hào)監(jiān)測(cè)性能。

東南大學(xué)研究者[13]采用織物電極取代傳統(tǒng)銀或氯化銀電極進(jìn)行心電采集，改善了長時(shí)間穿戴出現(xiàn)的信號(hào)不穩(wěn)定問題。使用織物電極能完成靜坐、行走和跑步狀態(tài)下的心電采集測(cè)試，且對(duì)比同步脈率驗(yàn)證了檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可基本滿足個(gè)人日常心電監(jiān)測(cè)使用。

浙江工業(yè)大學(xué)研究者[14]采用一種應(yīng)變力與輸出電荷成正比的柔性聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）壓電薄膜傳感器作為監(jiān)測(cè)電極（如圖2所示），研發(fā)信號(hào)采集與處理的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)主機(jī)，構(gòu)建非接觸式人體生理參數(shù)監(jiān)測(cè)的床墊系統(tǒng)，可采集人體心率、呼吸率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)用儀器相比，心率和呼吸率監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，可滿足長期健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用中對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的要求。

2 國內(nèi)外心電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2.1 國外心電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

法國巴黎研究者[15]提出了一種由13個(gè)紡織電極組成的智能T恤心電信號(hào)采集系統(tǒng)，如圖3所示，可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)12導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)采集，其心電信號(hào)監(jiān)測(cè)質(zhì)量與Holter記錄儀相當(dāng)。

美國加利福尼亞大學(xué)研究者[16]將生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)器（physiological state monitor，PSM）嵌入到襯衫中，使心率等重要指標(biāo)可測(cè)量、可視化、可記錄和傳輸，以幫助心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和緩解。PSM嵌入式襯衫由3個(gè)集成部件組成（如圖4所示）：（1）Zephyr Bio－Harness系統(tǒng)，包括一個(gè)可拆卸的圓盤狀生物模塊，其中包含傳感器、電源、發(fā)射器和存儲(chǔ)器；（2）一個(gè)球形插座和導(dǎo)電織物心電信號(hào)監(jiān)測(cè)胸帶；（3）由吸濕、抗菌和快干的高科技織物編織的無袖襯衫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與標(biāo)準(zhǔn)12導(dǎo)聯(lián)心電圖機(jī)相比，PSM嵌入式襯衫可有效測(cè)量使用者活動(dòng)期間的心率。

圖2 PVDF壓電薄膜傳感器[14]

圖3 智能T恤心電信號(hào)采集系統(tǒng)[15]

圖4 PSM嵌入式襯衫[16]

英國阿爾斯特大學(xué)研究者[17]使用基于集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓╡nsemble empirical mode decomposition，EEMD）方法的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)心電信號(hào)去噪算法，利用帶有高級(jí)生物電位傳感器的手臂可穿戴設(shè)備構(gòu)建遠(yuǎn)場(chǎng)心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)心率的連續(xù)無創(chuàng)長時(shí)間監(jiān)測(cè)，解決了從記錄在左手臂雙極導(dǎo)聯(lián)中的噪聲分量中提取遠(yuǎn)場(chǎng)心電信號(hào)的問題[17]。

2.2 國內(nèi)心電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

天津大學(xué)研究者[18]提出了一種基于線性電光效應(yīng)的可穿戴心電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（如圖5所示）有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下的心電信號(hào)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)的核心傳感元件是M-Z結(jié)構(gòu)的鈮酸鋰電光調(diào)制器，通過電光效應(yīng)將所需的心電信號(hào)調(diào)制為光信號(hào)，具有無源、靈敏度高、抗電磁干擾性好的優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)進(jìn)行多導(dǎo)聯(lián)位置的心電信號(hào)監(jiān)測(cè)。

圖5 基于線性電光效應(yīng)的可穿戴心電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[18]

東南大學(xué)研究者[19]提出了一種基于云架構(gòu)的穿戴式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，利用智能手機(jī)端提供的智能心電信號(hào)監(jiān)測(cè)算法改善自動(dòng)診斷技術(shù)的不足，從而提高監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的效率。

山東師范大學(xué)研究者[20]設(shè)計(jì)了一種穿戴式在線心電監(jiān)測(cè)與心臟功能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，可根據(jù)預(yù)設(shè)的預(yù)警心電特征進(jìn)行分析，完成心電信號(hào)監(jiān)測(cè)與心臟功能評(píng)價(jià)，從而得到心臟功能評(píng)價(jià)結(jié)果。

天津工業(yè)大學(xué)研究者[21]提出了一種高性能小型化可穿戴多生理信號(hào)采集系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)能精確地獲取心電信號(hào)和脈搏血氧信號(hào)，快速、簡便、無創(chuàng)傷、無副作用、高精度地完成心血管功能監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，在長時(shí)間穿戴過程中不會(huì)出現(xiàn)任何不適感覺，不影響使用者的正常活動(dòng)。

西安工業(yè)大學(xué)研究者[22]利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了一種心電信號(hào)分析系統(tǒng)，利用小波變換算法對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行濾波并檢測(cè)Q、R、S、P、T波，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體心臟狀況的監(jiān)測(cè)與顯示，且操作簡單、成本低、實(shí)用性強(qiáng)。

中北大學(xué)研究者[23]設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW和Android的遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)心電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決了常規(guī)心電圖機(jī)體積大、便攜性差、操作復(fù)雜、不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等問題。該系統(tǒng)由動(dòng)態(tài)心電信號(hào)監(jiān)測(cè)終端、云端服務(wù)器和心電信號(hào)監(jiān)測(cè)平臺(tái)組成，采集的心電信號(hào)波形具有良好的醫(yī)學(xué)參考價(jià)值，并且與傳統(tǒng)的心電圖機(jī)相比成本低、小巧便攜、操作簡便，可為未來心血管疾病的遠(yuǎn)程醫(yī)療提供一定的技術(shù)支持。

上海大學(xué)研究者[24]研制了一套心電及心振信號(hào)同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單導(dǎo)聯(lián)方式進(jìn)行心電信號(hào)監(jiān)測(cè)，通過測(cè)量胸廓皮膚表面的三軸線加速度和三軸角速度來獲取心振信號(hào)，利用微控制器STM32作為主控芯片將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SD卡，或通過低功耗藍(lán)牙將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及波形顯示。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集、傳輸、顯示具有較高信噪比的心電和心振信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的長期離線記錄，具有便攜、操作簡單的特點(diǎn)，能夠長期、穩(wěn)定工作。

遼寧工業(yè)大學(xué)[25]設(shè)計(jì)了汽車駕駛員心電呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用PVDF壓電薄膜傳感器采集駕駛員心電呼吸信號(hào)，可全面評(píng)估駕駛員心電、呼吸等生理狀況，為汽車主動(dòng)安全領(lǐng)域提供了借鑒。

圖6 可穿戴多生理信號(hào)采集系統(tǒng)[21]

3 智能心電信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備存在的不足及展望

智能心電信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備有望徹底改變各種心血管疾病的治療方法，利用其持續(xù)監(jiān)測(cè)心電信號(hào)有助于在疾病早期采取預(yù)防措施。但目前智能心電監(jiān)測(cè)設(shè)備存在一些問題：

（1）皮膚-電極接觸阻抗不均勻。不同位置的皮膚-電極接觸阻抗不同，不同織物電極的皮膚-電極接觸阻抗也不相同。相同尺寸的織物電極中，緞紋織物電極的皮膚-電極接觸阻抗要比相同密度的平紋織物電極的皮膚-電極接觸阻抗小得多。因?yàn)槠郊y織物的交織點(diǎn)最多，與皮膚間大多為點(diǎn)接觸，而緞紋織物有一定長度的浮長，導(dǎo)致電極和皮膚間的有效接觸面積增大?？梢酝ㄟ^探究電極位置，織物大小、形狀、厚度對(duì)心電信號(hào)產(chǎn)生的影響，進(jìn)而得到最優(yōu)的電極位置以及最佳的織物大小、形狀和厚度，減小皮膚-電極接觸阻抗不均勻性對(duì)心電信號(hào)采集準(zhǔn)確性的影響。

（2）性能不穩(wěn)定。目前，部分智能心電信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備存在運(yùn)動(dòng)偽影的問題。人在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下監(jiān)測(cè)到的心電信號(hào)有很大噪聲，給數(shù)據(jù)分析帶來了很大挑戰(zhàn)。可采用心電信號(hào)采集電極配合外圍電路改變?yōu)V波方式，使用抗噪聲能力強(qiáng)、可適應(yīng)信號(hào)不斷變化、在濾波過程中能夠盡最大程度保持心電信號(hào)特征的高效濾波器對(duì)人體在彎腰、走路、坐下、站起等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下采集的心電信號(hào)進(jìn)行分析，去除信號(hào)中的基線漂移和運(yùn)動(dòng)偽影，并對(duì)濾波后信號(hào)的Q波、R波和S波進(jìn)行檢測(cè)，有效去除心電信號(hào)中的噪聲，最大限度保持心電信號(hào)波形的形狀和波峰，提高數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性，提升醫(yī)生的診斷效率。

（3）智能化程度不高?，F(xiàn)有智能心電信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備的智能化程度不高。通過利用穩(wěn)定監(jiān)測(cè)心電信號(hào)的紡織電極，配合高效、抗噪聲能力強(qiáng)的濾波電路，構(gòu)建適應(yīng)性強(qiáng)的外部電路；結(jié)合深度學(xué)習(xí)人工智能算法改進(jìn)心電信號(hào)分類方法，形成心電信號(hào)提取快、分析快的內(nèi)部軟件模塊；利用物聯(lián)網(wǎng)、5G、云計(jì)算等信息通信技術(shù)，研制可穿戴式智能心電信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備，將有助于解決目前心電信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備智能化程度低的問題。

（4）便攜性差。目前，智能心電信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備整體較為笨重、集成性差。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使用新型材料設(shè)計(jì)可穿戴式心電信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備，減小設(shè)備體積和質(zhì)量，可滿足人們對(duì)健康生活便利化、智能化、穩(wěn)定化的追求；同時(shí)，可用于交通事故、地震、火災(zāi)爆炸等突發(fā)事件狹小空間的危重傷員監(jiān)護(hù)，解決醫(yī)護(hù)人員難以到達(dá)、傳統(tǒng)設(shè)備不便于攜帶等難題，大大提高狹小空間危重傷員的救治成功率。

4 結(jié)語

智能心電信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于監(jiān)測(cè)電極的設(shè)計(jì)創(chuàng)新以及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。紡織電極將成為可穿戴式智能心電信號(hào)監(jiān)測(cè)電極的主流，特別是新興材料應(yīng)用于電極設(shè)計(jì)中能夠大大增強(qiáng)心電信號(hào)采集的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；而集成性更高、智能化更強(qiáng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)將不斷推動(dòng)可穿戴設(shè)備的發(fā)展。相信可穿戴技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步推進(jìn)智能心電信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備的普及，有助于生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)、心腦血管疾病等預(yù)防，并為傷病情診斷提供決策依據(jù)，提升傷病員疾病診斷的時(shí)效性和救治成功率。