张旭东，刘 陈，崔强强

华中科技大学光学与电子信息学院，武汉市，430074

非接触电极的便携式心电测量系统

【作 者】张旭东，刘 陈，崔强强

华中科技大学光学与电子信息学院，武汉市，430074

心脏病是威胁人类健康的主要疾病，心电图是诊断心脏疾病的重要工具。针对传统心电测量设备的不足，设计了一种非接触心电测量系统，基于耦合电容原理设计了一种非接触电极，电极通过电容耦合方式采集心电信号并经过放大、右腿驱动、滤波处理后由单片机完成A/D转换，由蓝牙模块将心电数据发送到手机终端进行数据分析及显示，同时终端可将测量结果发送到服务器，供使用者或医生进行健康监测。测量结果表明，利用非接触电极可精确采集心电信号，并在终端进行心电关键参数提取。

电容耦合；心电；右腿驱动；远程医疗

心脏病是威胁人类生命和健康的主要疾病之一，尽早地发现心脏病的征兆，及时了解心脏状况，对心脏疾病的预防和及时诊治具有重要的意义。心脏在心动周期中，由起搏点、心室、心房相继兴奋，进而引起体表电位变化，由心电传感器引出这种电位变化的图形就是心电图。目前医院或家庭使用的心电测量设备使用的都是湿电极，这种电极在使用前需要用酒精清洁皮肤以减小皮肤和电极之间的阻抗，但是湿电极不适用于婴幼儿和皮肤过敏的人，并且不能重复使用，因而其使用范围受到很大限制。

本文设计了一个基于非接触电极的心电测量系统，不需要对皮肤进行处理就可以采集心电信号。与湿电极相比，非接触电极具有可重复使用、可靠、价格低等优点。系统采用电池供电，具有体积小、重量轻、功耗低等优点，并可将心电信号发送到手机终端进行显示，利用手机与服务器进行通信。与传统设备相比，其便携性和使用范围得到了很大提高。

1 系统设计

本系统包含心电信号采集、心电信号处理、心电数据发送以及手机终端等功能模块。系统框图如图1所示。

图1 非接触式心电测量系统框图Fig.1 System diagram of non-contact ECG system

系统采用可充电锂电池供电，通过稳压芯片产生稳定工作电压。系统采用三导联的方式测量心电信号，两个非接触电极分别放在左胸和右胸采集人体信号，经缓冲电路后由仪表放大器做差分放大，得到人体心电信号。在仪表放大器端引出共模信号，经右腿驱动电路后由右腿驱动电极反馈到人体以降低共模干扰。仪表放大器输出的心电信号经过高通滤波、低通滤波、后级放大处理后由单片机进行A/D转换，并由

蓝牙将心电数据传到手机终端，最后终端对数据进行处理后将心电图显示出来。利用手机，用户可以将测量结果发送至服务器，实现远程医疗功能。

2 信号采集处理

2.1 非接触式电极

针对传统电极有刺激性、不可重复使用等缺点，本文利用电容耦合原理设计制作了非接触电极。电容耦合原理及非接触电极实物图如图2所示。非接触电极不需要对皮肤进行预处理，对皮肤表面不敏感并且可以植入到衣服里面，大大提高了病人的舒适度[1]。非接触电极利用电极与人体皮肤形成的耦合电容来检测人体体表电位变化，PCB板与人体皮肤构成电容的两极，空气与衣物构成绝缘介质，电容电荷随人体体表电场变化而变化，这样就采集到了人体的心电信号。由于检测到的心电信号大小与电容大小密切相关，因此电极面不能太小，电极与人体的距离不能太大。本文用直径35 mm的PCB板作为心电电极，电极将采集到的心电信号送至缓冲电路。

图2 电容耦合原理图与非接触式电极实物图Fig.2 Capacitive coupling schematics and non-contact electrode

电极后接有两级缓冲电路，第一级缓冲电路由电压跟随器电路构成，可对采集到的微弱信号进行缓冲[2]。第一级缓冲电路后接有RC高通滤波器以滤除低频噪声，第二级缓冲电路对此高通信号进行缓冲并送至后续电路。经缓冲电路输出的信号仍很微弱，我们在电极上加了屏蔽层，以减小外部干扰的影响[3]。

2.2 仪表放大器与右腿驱动

两电极采集到的信号经过缓冲电路后送入仪表放大器作差分放大，在仪表放大器输出端得到心电信号[4]。本文选用INA333仪表放大器进行差分放大，仪表放大器电路如图3(a)所示。INA333是一种高共模抑制比、轨到轨输出的精密仪表放大器，具有小尺寸、低功耗等优点，适合各种便携式应用。通过设置其外接电阻RG，可使其增益在1～1 000之间调节，增益表达式为：G = 1+100 kΩ/RG，本文将仪表放大器增益设置为4。利用自校准技术，INA333保障了低噪声密度，噪声密度可达到50 nV/Hz。INA333在其输入端还有RFI滤波器，能滤除输入端的射频干扰，适用于医学信号放大。

心电信号是人体特定点之间的电位差，其幅值通常在mV量级，而信号中的共模干扰则可达到几百mV，利用高共模抑制比仪表放大器可提高共模抑制比，但这样对共模信号的抑制仍然不够，因此需要用右腿驱动电路来进一步提高共模抑制比，如图3(b)所示。右腿驱动电路是从仪表放大器的增益调节电阻中间提取出共模信号，经电压跟随器和反相放大器后连接到右腿驱动电极。右腿驱动实质上是一个共模电压并联负反馈电路，可有效衰减人体的共模干扰[5-6]。

图3 电路原理图Fig.3 Circuit diagram

2.3 滤波与后级放大

心电信号的频率范围在(0.1～100) Hz之间，90%的能量集中在(0.25～40) Hz之间，而人体呼吸、电极移动会带来诸如基线漂移等低频信号，此外还有肌电干扰等高频信号，这些信号的频率范围广，通常与心电信号叠加在一起，这会使系统的信噪比降低，加入高通和低通滤波电路可消除这些高频和低频干扰[7]。通过对心电信号进行频谱分析可以发现，心电波形的整体频谱范围在(0～40) Hz之间，各特征波如QRS波、P波、T波的能量集中在低频段[8]，为了简化电路结构，减小系统功耗，本文没有采用工频陷波电路，而是将高通滤波器截止频率设置为0.5 Hz，将低通滤波

器截止频率设置为40 Hz。

经仪表放大器与滤波电路处理后的信号的幅值只有20 mV左右，为满足单片机A/D转化的需要，需加入后级放大电路对信号进行再次放大，后级放大电路的放大倍数设置为50，经放大后的信号幅值为1 V左右。在后级放大输出端由示波器读出的波形如图4所示，从图4中可看出心电图的QRS波、T波等特征波形，但是波形中还夹有部分噪声，这部分噪声用数字滤波方式滤除。

图4 后级放大电路输出端得到的心电图Fig.4 The ECG taken at the amplif i er circuit

3 数据采集发送

3.1 数据采集

数据采集工作由单片机完成，选用C8051F310单片机进行AD转换。C8051F310内部有一个10 bit SAR ADC，该ADC工作在200 ksps的最大采样速率时可提供真正的10 bit精度，INL为±1 LSB。ADC系统包含一个可编程的模拟多路选择器，用于选择ADC的正输入和负输入。用户固件可以将ADC置于关断状态以节省功耗[9]。后级放大电路输出端与单片机P2.4引脚相连，将模拟心电信号送至单片机完成A/D转换。

3.2 数据发送

心电信号在单片机中经A/D转换成数字信号，单片机与蓝牙进行通信，由蓝牙发送数据。蓝牙模块选用博陆科公司的BLK-MD-BC04，如图5所示。蓝牙模块的的UART口与单片机的UART连接，实现串口数据接收和发送。BLK-MD-BC04蓝牙模块支持软/硬件设置主从模式，本文将蓝牙模块的PIO(5)悬空，使其工作在从模式。在蓝牙模块上加上了LED状态指示灯，等待配对过程中LED均匀慢速闪烁，连接建立后LED长亮。连接建立后，蓝牙即可将心电数据发送到手机终端。

4 移动终端处理与显示

本系统开发了一个基于安卓的手机客户端，终端可将由蓝牙发送的数据进行处理。在前述的心电处理过程中，通过加右腿驱动和滤波电路，已经滤除了大部分噪声，但是仍有部分噪声无法使用硬件电路来消除，因此用数字滤波的方法对数据做了进一步处理。终端也有心电检测算法，其流程如图6所示。低通滤波、高通滤波算法产生通频带为(8～16) Hz的带通滤波器。波形检测算法可对滤波后的数据进行检测，判断某波峰是否为QRS波。通过对数据进行分析可得到用户的心率、心电图的QT间距、PR间距等关键参数。用户可选择单次测量和动态测量，并可根据自己的身体状况选择将测量结果发送到服务器，请求医生帮助。

图5 蓝牙模块实物图与应用电路Fig.5 Bluetooth module and application circuit

图6 心电检测算法流程图Fig.6 Flowchart of ECG detection algorithm

我们用非接触心电测量系统对测试者进行了测量，在手机终端得到了测试者的心电图，如图7所示。

图7 手机客户端得到的心电图Fig.7 The ECG shown on the mobile

图7(a)是电极贴着皮肤测量得到的心电图，可观察到清晰的QRS波，其他特征波形也比较清晰，图7(b)是电极隔着衣服测量得到的心电图，与图7(a)相比，波形幅值有所减小，而且也引入了部分噪声，但QRS波仍较清晰，满足日常心电监护的需求。

网络服务平台提供用户、医生、管理员三个入口，用户可在平台上完善自己的信息，将手机端得到的数据同步至服务平台，医生可在服务平台上查看用户的测量结果，并接收用户的求助提示，根据用户测量结果可给出相应的建议和帮助。

5 总结

本文基于电容耦合原理设计制作了非接触式电极，设计了放大、滤波、处理电路，在贴着人体和隔着衣物的情况下对心电信号进行精确测量，利用开发的手机终端软件对信号做了数字滤波及波形特征参数提取。后续工作重点是进一步减小功耗、提高系统的便携性，实现长时间心电监测。

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Portable ECG Measuring System with Non-contact Electrode

【 Writers 】Zhang Xudong, Liu Chen, Cui Qiangqiang
School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074

【 Abstract 】Heart disease is the major disease that threaten human health. ECG is an important tool for the diagnosis of cardiac disease. As traditional ECG measurement devices have many disadvantages, a non-contact ECG measurement system was designed. With the non-contact electrode based on capacitive coupling, the signals were collected and then they were ampli fi ed and fi ltered. The conditioned analog signal was converted to digital data which was sent to the mobile terminal through bluetooth. Finally, the ECG data was analyzed to extract the key ECG parameters. The results showed that the precise ECG signals can be got with the non-contact electrode and the key ECG parameters can be acquired accurately.

capacitive coupling, electrocardiogram (ECG), driven-right-leg, telemedicine

TH789；TP274

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.03.003

2013-11-29

国家科技支撑计划课题(2012BAJ05B07)

刘陈，副教授，E-mail: liuchen@hust.edu.cn

1671-7104(2014)03-0168-04