王文濤，徐浩然，全弘宇，馮自立，廖新華

基于電容耦合的非接觸式心電技術的實驗研究

王文濤，徐浩然，全弘宇，馮自立，廖新華

目的：研究一種非接觸式心電監(jiān)測方法，使電極不需要與人體直接接觸就可以穩(wěn)定地獲取心電信號。方法：選取導電性能良好的導電纖維為材料制作電極，利用身體和電極平板相互靠近形成的電容將心電耦合到導電纖維上，通過前置放大、降噪、濾波、后級放大等處理后得到心電信號。結果：使用該系統(tǒng)對志愿者進行測試，能清楚地看到R波和T波，而且整體波形與心電圖一致。結論：利用電容耦合原理可以非接觸地獲得心電信號，且對皮膚無損傷，適用于不方便在體表粘貼電極的患者。

非接觸式；電容耦合；心電信號

0 引言

心血管疾病嚴重威脅著人類的生命健康，許多心血管疾病患者發(fā)病前心電圖會有異常表現(xiàn)，根據(jù)心電圖提示及時給予救治措施，對于提高搶救成功率具有重要意義。目前，臨床監(jiān)測心電的方法基本都是借助監(jiān)護儀，把表面電極直接貼在人體上，使用粘貼式的電極難免產(chǎn)生皮膚刺激、操作繁瑣等問題，對于一些胸背部有嚴重燒傷以及做完開胸手術后的患者也不適用。如果能夠在探測電極不與皮膚直接接觸的情況下也能夠獲得心電信號，也就是非接觸測量，上述問題就可以解決。

非接觸測量是指量具或儀器的感受元件無需與被測表面接觸，即可獲得測量信息的測量方法[1]。非接觸測量生理信號可以基于光電、電磁感應、電容耦合等原理，實現(xiàn)無創(chuàng)、實時監(jiān)測。這種方法以其易于實施、無不適感等特點，已成為現(xiàn)代醫(yī)療儀器的一個發(fā)展方向[2]。

從國內(nèi)外的文獻報道來看，非接觸式心電都是基于電容耦合原理的，所以又稱為“電容耦合式心電圖（capacitive coupled ECG，CCECG）”[3]。

1 實驗原理

人體表面可以看作一塊能導電的平板A，再提供另外類似的極板B，使之盡量靠近A并在中間填充絕緣電介質后形成一個電容[4]，A和B是電容的2個極板。心電傳播到體表，即極板A，再通過電容的耦合作用可以傳播到B，如果在體表不同2點處分別放置這樣的極板B1、B2，它們與身體間用空氣、衣服、床單等物品隔離，將B1、B2耦合到的信號相減就可得到CCECG。這一過程可用圖1表示。

圖1 電容耦合式心電原理示意圖

2 心電信號檢測方法

2.1 整體設計方案

該系統(tǒng)可分為電容耦合電極、放大電路、濾波電路、驅動電路4個部分。系統(tǒng)的整體結構組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的整體框圖

實驗中電容耦合電極選用導電纖維，兼具普通布料的柔軟和金屬的導電能力。放大電路由前置放大電路和后級放大組成，目的是將心電信號進行足夠的放大以便對其進行處理。濾波電路分別針對低頻、高頻、工頻的噪聲進行處理以得到清晰的心電波形。驅動電路的作用是將人體的共模信號放大后反饋回人體，以這個共模信號作為電路參考。

2.2 心電信號放大處理

通常，心電信號為0.05～5 mV[5]，要將心電信號進行A/D轉換，則必須將心電信號放大至A/D轉換器所能接收的電壓，所以，心電信號放大器必須實現(xiàn)高增益放大，在本系統(tǒng)設計中，對心電信號進行了1 500倍的放大。

前置放大電路要能有效識別市區(qū)電極耦合到的電位變化，由于身體和容性極板形成的電容值在各種距離下都很?。ù蠹s1～100 pF）[6]，因此耦合阻抗可達109Ω的阻值。所以在這種情況下，合適阻抗匹配對于以最小缺失量提取信號非常關鍵。這就意味著比皮膚-電極電容更小的輸入電容以及比皮膚接觸更大的輸入阻抗的前置放大器能優(yōu)化信號耦合并減少信號衰減，本次實驗前置放大由2個電壓跟隨器和儀表放大器構成。

后級放大的目的是將噪聲處理后的心電信號放大至所需要的水平，所以采用單純的放大電路即可實現(xiàn)。

2.3 心電信號的噪聲處理

心電信號在檢測過程中不可避免地受到各種噪聲的干擾，來源主要有3類[7]：

（1）工頻干擾。它是由供電網(wǎng)絡及其設備產(chǎn)生的空間電磁干擾在人體的反映，由50Hz及其諧波構成。

（2）肌電干擾。它是由人體運動、肌肉收縮而引起的，頻率為5～10 kHz。

（3）基線漂移。它是由測量電極的接觸不良、呼吸等引起的低頻干擾信號。

抑制基線漂移等低頻噪聲需要使用高通濾波器。本設計中使用6階高通濾波器，衰減速度達到60 db/十倍頻。抑制肌電干擾等高頻噪聲需要使用低通濾波器，我們采用4階低通濾波器。抑制工頻噪聲常用雙T陷波器，但其通帶不平整，大量有用信號被濾除[8]，此次設計中采用了可調(diào)Q值的陷波器。

2.4 電極的實現(xiàn)形式

心電圖測量是通過提取體表2點電位差來實現(xiàn)的，這兩點距離越遠電位差越大。從人體的臥姿特點來看，頭與腳的連線方向上頸部、腰部、腘窩、腳踝等處是凹陷的，而背部、臀部和小腿凸出。背部面積較大，躺下時小腿的腓腸肌受下肢壓迫變形后也形成較大的面積。

測試初期，采用文獻中提出的使用背部和小腿腓腸肌提取出的信號作為心電信號[9]，將臀部位置定為驅動極板，但在實際實驗測試中發(fā)現(xiàn)，小腿位置距離心臟距離較遠，且由于小腿位置電容性不佳，用非接觸電容式提取信號效果很差。因此，權衡距離心臟的距離和電容性等因素后，決定將驅動極板設置在小腿位置，而提取背部和腰部接近臀部位置的信號做差模作為心電信號（如圖3所示）。

圖3 非接觸式心電床單示意圖

這種結構的床單不僅能提高信噪比，而且對被測者的位置要求較低。后背極板B1比腰臀部極板B2略窄，因為后背本身距離心臟近，傳播到表面的信號強，而傳播到腰臀部的信號有所衰減，且腰臀部脂肪較多，電容效果不如背部，因此極板面積較大。

3 測試結果及影響因素

設計基于床單的電容電極存在一個問題，相對于電極B2，背部極板寬度應適當大小，最合適的寬度d未知，本次通過對比實驗來解決此問題。為使實驗條件相同，被測者為同一人（身高178 cm、體質量65 kg、男性），同時采集接觸式心電和非接觸式心電，認為CCECG和它所對應的ECG波形吻合度高者優(yōu)先。

3.1 后背電極寬度d變化的情況

設定電極間距h=30 cm，d取不同值時得到圖4所示的心電波形。

3.2 結果

從上述實驗結果來看，基于電容耦合的非接觸式電極能夠采集到人的心電信號，在CCECG中能夠清楚看到R波和T波，而且整體波形與ECG一致，足以實現(xiàn)一般的家庭監(jiān)護。

圖4 后背電極不同寬度時的電容耦合式心電圖

從實驗結果中可知，電容極板的面積對波形有影響，但并非面積越大信號質量越好。對于身高178cm的測試者，后背極板寬度取5～10 cm時能得到與ECG吻合度較高的CCECG波形。

本次實驗中發(fā)現(xiàn)被測者的身高、體質量會影響后背電極的最佳寬度及電極間距，但本實驗僅是對CCECG的初步研究，未涉及臨床應用，并沒有深入研究被測者的身高、體質量與后背電極寬度及電極間距的具體關系。

4 結論與展望

4.1 結論

本研究設計了一種基于電容耦合的心電監(jiān)護設備，可以非接觸地提取心電信號。由于避免了皮膚接觸導電凝膠，這類電極不會引起皮膚刺激等長期監(jiān)護中所面臨的的問題。在實驗中，本系統(tǒng)能非接觸地實現(xiàn)心電監(jiān)測，達到預期設計目的，然而本系統(tǒng)仍是一個純模擬系統(tǒng)，進行的只是非接觸式心電的提取及初步處理，仍有很大的發(fā)展空間。

4.2 前景展望

微型化、低功耗、智能化是現(xiàn)代醫(yī)學電子儀器發(fā)展方向[10]。本儀器要得到推廣和普及，縮小體積是必須經(jīng)歷的一步。除此之外，還可以增加單片機系統(tǒng)以及液晶屏，使它們不僅能夠顯示和存儲心電信號，還可以對異常的心電給出報警，甚至可以增加無線通信功能，只需在病床上設計一個無線發(fā)射模塊，同時在醫(yī)生工作站設置相應的接收端即可以實現(xiàn)遠程非接觸心電監(jiān)護，完全取消心電導聯(lián)線。

非接觸式心電監(jiān)測的操作簡便，長期、連續(xù)的監(jiān)護不會對人體活動造成任何束縛，也不會傷害皮膚，這給那些臥床不起的患者提供了極大的便利?，F(xiàn)代醫(yī)學監(jiān)護儀正朝著家庭網(wǎng)絡化的方向發(fā)展[11]，在家庭監(jiān)護需求日益增加的今天，非接觸式心電監(jiān)測技術必然有較大的前景。

[1]李運華，劉寶華，戶鵬飛，等.一種非接觸心電測量方法的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（1）：47-49.

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（收稿：2014-08-19 修回：2014-11-20）

Non-contact ECG monitoring study based on capacitive coupling

WANG Wen-tao,XU Hao-ran,QUAN Hong-yu,FENG Zi-li,LIAO Xin-hua
（School of Biomedical Engineering,the Third Military Medical University,Chongqing 400038,China）

ObjectiveTo study a mode of non-contact ECG monitoring to eliminate the need to stick electrodes on the patients'skin to obtain a steady ECG.MethodsConductive fabric with high electrical conductivity was used for electrodes.The capacitance generating due to the body getting close to the electrode coupled ECG to the conductive fabric, and ECG signals came into being after preamplification,noise reduction,filtration,postamplificatoin and etc.ResultsTrials proved that R wave and T wave were distinct with the waveform consistent with ECG.ConclusionCapacitive coupling can be used to acquire non-contact ECG signals with no injury to the skin.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（3）：21-23]

non-contact;capacitive coupling;ECG signal

R318；R540.4+1

A

1003-8868（2015）03-0021-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.03.021

王文濤（1992—），男，主要研究方向為醫(yī)療器械研發(fā)與管理，E-mail：569007429@qq.com。

400038重慶，第三軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程學院（王文濤，徐浩然，全弘宇，馮自立，廖新華）

廖新華，E-mail：xhliao@tmmu.edu.cn