【作者】王京，王衛(wèi)東

1 北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京市，100191 2 解放軍總醫(yī)院生物醫(yī)學(xué)工程研究室，北京市，100853

非接觸式心電電極的研制

【作者】王京1，王衛(wèi)東2

1 北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京市，100191 2 解放軍總醫(yī)院生物醫(yī)學(xué)工程研究室，北京市，100853

基于電容耦合原理設(shè)計了一款可用于生理電信號采集的非接觸式電極，利用動態(tài)屏蔽、電極有源驅(qū)動等技術(shù)提高信號質(zhì)量。實驗利用此電極搭建了心電信號采集系統(tǒng)，將非接觸式電極采集到的心電信號與傳統(tǒng)濕電極采集的信號進行對比，結(jié)果表明該文研制的非接觸式電極能夠有效地滿足心電信號的采集需求。

非接觸式電極；心電信號；動態(tài)屏蔽

0 引言

隨著生活節(jié)奏的加快和醫(yī)療技術(shù)的不斷完善，現(xiàn)代醫(yī)療被要求向著“家庭智能化”和“可穿戴化”的方向發(fā)展。人們希望借助更便捷的手段去監(jiān)測自身生理參數(shù)的變化情況，了解自己的健康狀況，以達到防治“未病”的目的[1]。

在這些生理參數(shù)中，生理電信號的應(yīng)用最為廣泛，臨床意義最為重要。傳統(tǒng)的生理電信號檢測是通過帶有導(dǎo)電膏的濕電極粘貼在人體皮膚上進行測量，這樣容易引起皮膚不適甚至過敏，不適于長期穿戴。例如，目前普遍使用的24 h動態(tài)心電記錄儀就是采用的濕電極，長時間的佩戴，不但增加了患者的不適感，而且絕大多數(shù)濕電極都是一次性的，造成了資源的浪費。為了克服濕電極的這種缺陷，一些研究者摒棄了導(dǎo)電膏而直接采用金屬電極片或金屬織物與人體皮膚進行接觸測量，如通過在跑步機上安裝金屬握柄采集心電信號，可監(jiān)測運動時心率。日本電報電話公司[2](NTT)、NTT DoCoMo和東麗共同開發(fā)的“體征信息監(jiān)測服裝”，在納米纖維布料上涂上導(dǎo)電性高分子“PEDOTPSS”做成布料“hitoe”，制成汗衫，只要穿上就能監(jiān)測心率等體征信息。該汗衫不僅穿著舒適，而且還能機洗。雖然擺脫了因?qū)щ姼喽鸬钠つw過敏等缺陷，但是此類電極仍需與皮膚直接緊密接觸，而且當(dāng)皮膚干燥時，信號質(zhì)量往往較差。為了解決上述電極的問題，本文旨在研制一種非接觸式生理電信號采集的新型電極。

基于電容耦合原理的非接觸式電極不但擺脫了導(dǎo)電膏的束縛，而且可以隔著衣物進行測量，提高了穿戴的舒適度，較傳統(tǒng)濕電極和普通干電極都更有優(yōu)勢。非接觸式電極設(shè)計的關(guān)鍵就是如何提高輸入阻抗以及屏蔽噪聲。本文利用動態(tài)屏蔽等手段設(shè)計了一種有源非接觸式電極，利用此電極在不同佩戴方式下（貼著皮膚、隔著棉質(zhì)衣物）對心電信號進行了采集，并使用傳統(tǒng)濕電極采集信號作為對比。通過對兩種電極的采集信號進行對比分析，結(jié)果表明，本文設(shè)計的非接觸式電極在不同佩戴方式下均能夠有效地采集到心電信號。

1 有源電極設(shè)計

非接觸式電極設(shè)計的關(guān)鍵就是如何提高輸入阻抗以及抑制噪聲。為此，本文的設(shè)計主要從這兩個方面入手，電路原理圖如圖1所示。

為了提高輸入阻抗，選擇了高輸入阻抗的電壓跟隨器，為了屏蔽噪聲，采用了動態(tài)屏蔽，隔直電路等方法。

圖1 非接觸式電極電路Fig.1 Non-contact electrode circuit

1.1 電壓跟隨器

由于生理電信號非常微弱，人體表面阻抗極高，為了減小輸入阻抗對信號質(zhì)量的影響，應(yīng)提高電極的輸入阻抗。本文利用高輸入阻抗的放大器設(shè)計成電壓跟隨器（如圖1的U1A），不但保證信號不變，還提高了輸入阻抗，降低了輸出阻抗，以便后續(xù)放大電路更好工作。電壓跟隨器（如圖1的U1B）的另一作用就是，隔離和提高帶載能力。避免后續(xù)噪聲對前級電路的影響，對后續(xù)電路和導(dǎo)聯(lián)線有驅(qū)動作用，提高了后續(xù)電路和導(dǎo)聯(lián)線的抗干擾能力。

1.2 屏蔽動態(tài)驅(qū)動

來自外界和電路本身的噪聲都會淹沒原本就很微弱的信號。信號自采集經(jīng)過電路和導(dǎo)聯(lián)線的每一段路程都需要嚴(yán)格的屏蔽。傳統(tǒng)的方法是采用屏蔽接地對信號進行保護，但是屏蔽和信號線之間會產(chǎn)生電容，他們之間的電壓會耦合進電流造成額外的噪聲，所以采用動態(tài)屏蔽的方法將受驅(qū)動保護的信號作為屏蔽，提升了屏蔽的效果。

如圖1所示，電路中在電容極板與第一個緩存器之間的信號（Input），雖然路程很短但是因為沒有電源驅(qū)動，最容易受外界干擾。所以取一級緩存器后的信號為屏蔽（Shield）的供電。

1.3 隔直電路

通過驗證，對于電極的放大器而言，外部的偏置網(wǎng)絡(luò)并沒有起到應(yīng)有的效果。偏置網(wǎng)絡(luò)不但不能提高信號質(zhì)量，反而會減小輸入電阻[4]。但是由于缺少偏置網(wǎng)絡(luò)，則會導(dǎo)致電路沒有直流工作點。為了消除由于低頻噪聲造成的直流偏置，在一級跟隨器后接一個0.07 Hz的高通濾波器（由圖1的C7和R6組成）以濾除直流分量。此濾波器的目的只是為了去除直流，盡量保持信號的低頻部分不變。

利用普通的四層PCB電路板設(shè)計一款有源非接觸式電極，見圖2。電路板底層采用鋪銅的方式制作金屬片與人體構(gòu)成電容，電路板上涂上絕緣層作為電容介質(zhì)。在金屬板的周邊包裹一圈屏蔽，此屏蔽與電路板電源內(nèi)層都由動態(tài)屏蔽驅(qū)動，為電極板構(gòu)建了一個動態(tài)屏蔽的保護殼。通過電容耦合得到的電信號經(jīng)過簡單的電路被采集到。在屏蔽殼和屏蔽線的保護下傳輸?shù)讲杉娐贰?/p>

圖2 非接觸式電極Fig.2 Non-contact electrode

2 心電測量系統(tǒng)設(shè)計

為驗證非接觸式電極的可行性，本文搭建了心電信號的采集系統(tǒng)，見圖3。采集系統(tǒng)包括：非接觸式電極、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADS1299）、右腿驅(qū)動、MCU（MSP430）以及上位機軟件。

圖3 生理電信號采集系統(tǒng)Fig.3 Physiological signal acquisition system

2.1 生理電信號采集模塊

該系統(tǒng)中模擬前端部分是保障系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵，采用TI公司的ADS1299為核心器件，ADS1299內(nèi)包含8個低噪聲放大器可配置為差分輸入，其共模抑制比(CMRR)高達-110 dB，且其直流輸入阻抗高達1 000 MΩ，后接8個24位ADC，電壓分辨率高達0.5 μV[5]。

本系統(tǒng)選用MSP430F5528單片機作為主控制器，不但具有極高的穩(wěn)定性，還有高性能、低功耗等特點。工作在SPI的主模式下，主要負(fù)責(zé)配置ADS1299各個輸入端的通斷，設(shè)置ADS1299的寄存器、可編程放大器(PGA)的放大倍數(shù)以及采樣頻率的值等。本系統(tǒng)中，設(shè)PGA的放大倍數(shù)為1，采樣頻率為 250 Hz。將采集到的數(shù)據(jù)通過UART串口與上位機通信。

上位機軟件采用Labview編寫，軟件功能包括對ADS1299的基本功能配置、數(shù)據(jù)的接收、實時顯示及保存。

2.2 右腿驅(qū)動電路

生物電信號是mV級別的微弱信號，而體表所攜帶的50 Hz工頻共模干擾可能高達20 V甚至更高。差分輸入雖然可以有很高的共模抑制比，但效果仍不能滿足測量要求。為了進一步抑制信號的共模噪聲，右腿驅(qū)動電路的設(shè)計是十分必要的，在測量過程中許多外界干擾都是共模信號，不只是工頻。將經(jīng)放大器驅(qū)動的共模信號，經(jīng)反向放大器取反后，加載在人體上，與人體原有的共模信號相抵消，達到負(fù)反饋的效果，其實際效果顯著 。ADS1299芯片內(nèi)置了右腿驅(qū)動放大器，只要外接很少的外圍電路，就可以達到效果，我們在后接一個100倍的放大器，提高共模抑制比。

3 實驗設(shè)計及實驗結(jié)果

為驗證非接觸式電極測量的可行性，利用搭建好的心電信號采集系統(tǒng)采集心電信號。生理電信號采集電路見圖4。

圖4 生理電信號采集電路Fig.4 Physiological signal acquisition circuit

3.1 直接測量及實驗結(jié)果

選擇身高175 cm，體重66 kg的健康成年男性作為被試者，測量過程中被試者保持平靜，正常坐姿[6]。將兩個非接觸式電極用胸帶固定于被試者兩胸下緣，將右腿驅(qū)動電極貼于腹部，經(jīng)測量系統(tǒng)，采集20 s的心電信號，保存。

圖5 非接觸式電極心電信號Fig.5 ECG signal with non-contact electrodes

測量結(jié)果如圖5所示，由于未設(shè)計濾波器和陷波器，波形可以反應(yīng)電極的真實性能。為進一步衡量非接觸式電極的性能，在測量的同時在非接觸式電極的旁邊貼上3M公司的心電濕電極作為參考，濕電極用同樣的屏蔽線連接到ADS1299芯片的另一路通道上，盡量保持測量過程中除電極外的其他因素都相同。非接觸式電極與電極心電信號對比見圖6。由圖6可知，信號的呼吸趨勢，心電的各個波形與濕電極幾乎無異。

圖6 非接觸式電極與濕電極心電信號對比Fig.6 Comparison between the ECG signal with non-contact electrodes and with wet electrodes

將信號放大仔細(xì)觀察信號各波段差異，首先可觀察到在一個呼吸周期中濕電極的心電信號的幅值隨呼吸周期性的變化。這是因為肺部充氣放氣引起胸腔容積和電阻的變化，改變了心電軸及心臟動作電位的傳播方向。有些方法利用這種電位變化計算提取呼氣信號[10]。而非接觸式電極的心電幅值受這種變化影響很小，幾乎不變，避免了后續(xù)對波形不齊的處理，但是另一方面丟失了有用的呼吸信息。其次，在P，Q，S，T波幅值都相同的情況下，非接觸式電極的R波幅相對濕電極的較小，約為2/3，說明非接觸式電極的響應(yīng)速度有待提高。利用Matlab計算兩信號的線性相關(guān)系數(shù)，約為0.93。如果計算除去R波以外的其他信號，線性相關(guān)系數(shù)高達0.992?？偟膩碚f，非接觸測量的方法保留了生理電信號的絕大部分信息。

3.2 隔著棉質(zhì)衣物測量及實驗結(jié)果

為了增加穿戴的舒適度，非接觸式電極通常需要隔著衣物測量，沿用上述同樣的測量方法，電極隔著棉質(zhì)衣物（3 mm左右）采集信號，如圖7所示，心電各波段仍可以看到，但是工頻噪聲變大，基線漂移也更厲害了，有待后續(xù)算法處理。

圖7 非接觸式電極隔衣物測量心電信號Fig.7 ECG signal with non-contact electrodes through the cloth

去除工頻采用最簡單、效果最好的滑動平均濾波器[7]。心電采集系統(tǒng)的采樣率為250 Hz，所以50 Hz的工頻都是5個數(shù)據(jù)點為一個周期。每五個點求平均將會使這個周期歸零，50 Hz將完全去除。

去除基線漂移的方法有很多[11]，常用的有高通濾波，小波變換等，這兩種方法雖然可以達到很好的效果，但計算量較大，不能達到實時處理的要求，高通濾波法如果想要達到較低的高通截止頻率，需要較高的階數(shù)，有可能仍會對心電信號造成影響。小波分析利用小波基來分解重構(gòu)信號，但因其計算結(jié)果與小波基的選擇相關(guān)，不能精確地設(shè)計截止頻率[8]。在實際比較了幾種方法過后，本系統(tǒng)選用中值濾波器的方法。

中值濾波是滑動平均濾波的改進，其基本思路是對滑動窗口中的數(shù)據(jù)取中值，得到基線原信號與原信號相減就得到去除基線的心電信號。具有良好的邊緣保持特性和清除脈沖噪聲的能力，廣泛用于數(shù)字信號處理[9]。

實際效果對比可以看到，中值濾波器提取的呼吸趨勢信號不包括心電信息，而且對瞬時大幅的漂移處理效果很好，效果令人滿意，如圖8所示。

4 總結(jié)

本文基于電容耦合的原理設(shè)計的非接觸式電極，利用動態(tài)屏蔽，電極有源驅(qū)動等方法屏蔽噪聲。并搭建了心電信號采集系統(tǒng)，采集心電信號并與傳統(tǒng)濕電極對比，實驗結(jié)果證明了非接觸測量的方法保留了生理電信號的絕大部分信息，可以應(yīng)用于各種可穿戴設(shè)備。

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圖8 去除心電偽跡Fig.8 Remove the ECG artifact

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Development of the Non-contact ECG Electrode

【W(wǎng)riters】WANG Jing1, WANG Weidong2
1 School of Biological Science and Medical Engineering, BUAA, Beijing, 100191 2 Department of Biomedical Engineering, Chinese PLA General Hospital, Beijing, 100853

We designed a non-contact electrode on the basis of the capacitance coupling principle, it can be used for physiological signal acquisition, it uses dynamic shielding and electrode active driving technology to improve the quality of the signal. Experiments use this electrode to structure the ECG signal acquisition system, the ECG signal were collected with non-contact electrodes, comparing with traditional wet electrodes, the results show that noncontact electrodes developed in this paper can effectively meet the needs of ECG signal acquisition.

non-contact electrode, electrocardiogram (ECG), active driving

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.05.007

1671-7104(2017)05-0338-04

2017-02-03

國家科技支撐計劃課題（2012BAJ05B07,?2013BAI03B04，2015BAI01B14）；國家自然科學(xué)基金（61372047）

王衛(wèi)東，E-mail: wj1187245816@163.com