CN107788968B - 一种基于阵列式电容电极的非接触式多导联心电监护系统 - Google Patents

一种基于阵列式电容电极的非接触式多导联心电监护系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于阵列式电容电极的非接触式多导联心电监护系统，包括多个电容电极；所述多个电容电极均安装于椅座靠背上；相邻两个电容电极的中心连接，使得所述多个电容电极的中心连线构成一多边形，且该多边形的中点位置对应人体的心脏位置；所述椅座靠背与坐垫连接，所述坐垫上固定有参考电极。本发明的多导联心电监护系统结构简单，能够直接使用，不需要做任何提前准备。

Description

一种基于阵列式电容电极的非接触式多导联心电监护系统
技术领域
本发明涉及心电信号监测领域，特别是一种基于阵列式电容电极的非接触 式多导联心电监护系统。
背景技术
目前造成国内居民死亡的各类疾病中，40％以上来源于心血管疾病，常用的 诊断心血管疾病的方法主要是心电图。传统的心电监护系统中，通常是采用粘有 导电胶的Ag/AgCl一次性电极片或吸杯式的，缺点是必须跟人体表面皮肤直接 接触，而且为了接触性良好与信号的稳定还需要在皮肤表面涂抹导电膏，占用的 时间也较长。传统的心电监护仪还需要专业人士才能操作和观察。传统动态心电 监护系统的电极需要与皮肤直接接触、不能重复使用、操作繁琐，特别不适合用 于长时间的心电监测，而基于电容原理的心电监测系统则能够很好的解决这个问 题。相比于传统的电极，电容电极能够避免直接与人体皮肤接触，隔着衣物即能 监测心电信号。
基于电容耦合的心电监测系统的原理是电容耦合原理如图1所示，电容电极 3、衣物2、电极接触部分皮肤1构成了一个耦合电容，当人体体表电位发生变 化时，电极表面的电荷也会随之发生运动产生相应电位，所以心电信号通过耦合 电容间接输入到电路中。但耦合电容很容易受外界因素的干扰，比如运动伪影和 静电干扰问题。当使用者体表皮肤与心电监护仪接触面发生相对运动时，耦合电 容的电容值会发生变化，导致信号出现运动伪影。另外电容电极是基于电容耦合 原理，如果外界有带电物体移动会影响到电极表面的电荷分布从而造成干扰。在 冬天时节，天气干燥而毛织物特别容易产生静电，从而造成强的静电干扰。而且 衣物上的静电电荷以及衣物电荷传导性也会对信号有影响，由于电荷的积累，静 电电荷无法尽快释放会导致心电信号被噪声覆盖或削弱。基于电容耦合式非接触式心电监护设备，一般研究者都采用单导联方式监测心电信号，并且电容电极对 外界环境特别敏感，因此检测输出的单通道心电信号有可能因波形不准确而导致 误诊，所以需要多个通道心电波形进行诊断，全面地了解心脏活动状况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于阵列式 电容电极的非接触式多导联心电监护系统。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于阵列式电容 电极的非接触式多导联心电监护系统，包括多个电容电极；所述多个电容电极均 安装于椅座靠背上；相邻两个电容电极的中心连接，使得所述多个电容电极的中 心连线构成一多边形，且该多边形的中点位置对应人体的心脏位置；所述椅座靠 背与坐垫连接，所述坐垫上固定有参考电极。
所述电容电极数量为三个，三个电容电极的中点连线构成等边三角形。
所述三个电容电极的位置分别对应人体左上肢、右上肢、左下肢。
所述椅座靠背边缘处设置有喷雾装置；所述喷雾装置内设有湿度检测模块。
所述电容电极包括柔性电路板；所述柔性电路板上表面固定有排列为3×3 的阵列的方块，且每一个方块之间相互隔离；所述柔性电路板下表面设有缓冲电 路，所述缓冲电路之外的柔性电路板下表面的其余区域设有屏蔽层。
所述柔性电路板下表面伤设有USB输出接口。
所述方块尺寸为1.5×1.5cm；所述柔性电路板尺寸为5×5cm。
所述缓冲电路包括两个运算放大器；第一运算放大器的正输入端与多个平 衡电阻连接，所述多个平衡电阻并联；每个平衡电阻与一个所述方块电连接；所 述第一运算放大器输出端与所述屏蔽层、第二运算放大器正输入端电连接；所述 第一运算放大器负输入端通过第一电阻接地；所述第二运算放大器输出端与第二 电阻连接；所述第二电阻一端接入所述第一电阻与第一运算放大器负输入端之间； 第三电阻一端接入所述第二电阻与第一运算放大器负输入端之间，另一端接入所 述第一运算放大器输出端与所述第二运算放大器正输入端之间；所述第二运算放 大器输出端、负输入端与积分电路连接；所述第一运算放大器输出端接无源低通 滤波器。
所述多个电容电极USB输出接口均与威尔逊网络连接；所述威尔逊网络、 多路复用电路、差动放大电路、滤波模块、后级放大电路、嵌入式终端设备依次 连接；所述嵌入式终端设备与所述喷雾装置连接。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的多导联心电监护系 统结构简单，能够直接使用，不需要做任何提前准备。使用者只需坐在椅子上隔 着衣服即可长期的监测自身心电信号，并且获得标准6导联心电信号，即双肢体 导联I、II、III和加压单肢体导联avR、avL、avF。使用者能够综合6导联心电 信号，获得较为详细的心脏活动信息，了解心脏活动状况，根据各个不同导联心 电波形特征综合诊断是否心脏有异常；能减小运动伪影的产生以及电容电极由于 人体接触不良无检测到心电信号；采用柔性阵列式电容电极，一方面可以更加紧 密贴合衣服，另一方面9个方块状阵列相互隔离，每一个都能与人体皮肤构成耦 合电容获取体表电位，所以即使其中几个接触不良，但是还是能够获取稳定的体 表电位；去除静电干扰，通过喷雾装置增加空气的湿度有利于中和人体身上的静 电，从而外界的干扰源无法对装置造成干扰。而且喷雾装置可以防止电容耦合中 由于衣服的材质性、电荷传导性差，造成的电荷积累引起噪声从而对心电信号形 成干扰，空气湿度的增加有利于加快电荷的释放和积聚，可在短时间内输出稳定 的心电波形，降低延迟性。
附图说明
图1为本发明多导联心电监护系统的原理示意图；
图2(a)和图2(b)为本发明心电监护系统整体结构示意图；
图3(a)～图3(c)为本发明阵列式电容电极结构示意图；
图4为本发明电容电极和缓冲电路原理图；
图5为本发明系统流程图；
图6(a)和图6(b)为本发明经过使用者实测的多导联心电信号与模拟心 电仪对比和单个导联长时间检测信号。
具体实施方式
如图2所示，本发明一实例基于阵列式电容电极的非接触式多导联心电监护 系统包括柔性阵列式电容电极5、信号处理模块、喷雾装置7、嵌入式终端四个 部分。3个阵列式电容电极5、4、9安放于椅座靠背6上，分别对应着人体的左 上肢(L)，右上肢(R)和左下肢(F)，连接三点就构成艾因特霍芬等边三角形。喷雾 装置7放置于座椅靠背6的左边缘处，可根据空气的湿度来确定是否启动喷雾装 置，使之去除周围的静电干扰。心电处理模块和嵌入式终端都集成在一块印刷电 路板8上，位于椅座靠背的中心点内部区域。由导电织物构成的参考电极11放 置于椅子坐垫10上，作为右腿驱动电路，通过参考电极反馈到人体可以有效的 减小电路中的共模干扰。使用者只需要坐在椅子上，即可在PC端或手持设备上 实时的监测自身的多个导联的心电信号，事前无需做任何准备就能够对人体心脏 的状况做长期的监护。
喷雾装置包括超声波雾化器，能够做的特别的小型而又能根据超声波的频率 来控制雾化的速度。喷雾装置7是为了提高空气中的湿度，一方面可以防止电容 耦合中由于衣服的材质性、电荷传导性差，造成的电荷积累引起噪声从而对心电 信号形成干扰。另一方面增加空气的湿度有利于中和人体身上的静电，从而特别 在冬天时节外界的静电干扰源无法对装置造成干扰。高湿度还有利于心电信号初 始检测时能快速观察到稳定的心电波形，保持信号的低延迟。
如图3(a)～图3(c)所示，阵列式电容电极5采用的是柔性电路板13， 具有可弯曲性和轻薄的特点，特别适合作为检测心电的电极，极大的贴合人体身 体曲面。柔性电路板13的顶面是与人体接触的一面，分布着以3×3的方块状 阵列12，每一个方块之间相互隔离，互不影响。而底面则是由缓冲电路15与由 铜膜构成的外围屏蔽层14，以及贴片式的Mini USB输出接口16。阵列式电容 电极13的尺寸大小为5×5cm，而每一个方块状阵列12的大小基本都是保持1.5 ×1.5cm的尺寸。柔性电路板13的每一个方块状阵列12都能与人体皮肤17构 成一个耦合电容，之间隔着绝缘衣物18。由于相互之间的距离基本不远，所以 能够获取9个相近的人体体表电位。与单一的单面的电容电极相比较，优势就是 不管某一地方接触不良或者由于相对移动造成的运动伪影，都不能对心电信号造 成特别大的影响，基本能够保持信号的稳定。
如图4所示，本发明的缓冲电路15包含2个运算放大器，采用的是2通道 的低噪声、低配置电流、高共模抑制比的精密放大器LMP7732。缓冲电路的输 入端是与分别是与柔性电路板13的顶面20的各个方块状阵列12电相连。每一 个方块状阵列12后都会连接一个电阻作为平衡电阻，再将其9个点连接在一起 获得一个稳定的电位平衡点，而所获得的平衡点会与缓冲电路中第一运算放大器 的正输入端相连接。平衡点所获得的平衡电位的公式为：
V平衡＝(V1+V2+V3+V4+V5+V6+V7+V8+V9)/9
根据上述所得到平衡点的电位V平衡,就是为各个方块状阵列12所获得的体表 电位的均值，所以即使某个方块状阵列获得的电位即使为0，只要其他的阵列有 获取到体表电位就能够输出这个部位的电位值。所以相比于单个面的电容电极， 阵列式电容电极鲁棒性强，不会受到某一地方接触不良或者由于相对移动造成的 运动伪影而导致对心电信号造成特别大的影响。第一级运放作为比例放大器， Rs1与Rs2的数值决定了放大的倍数，是为了弥补阵列式电极中幅值的减小，而 且构成阻抗变换避免心电信号在皮肤-电极的耦合中衰减过多，使其获得高输入 阻抗。第一级运放的输出端与由铜膜构成的外围屏蔽层14电相连，构成有源屏 蔽。第二级运放为直流伺服电路，能有效去除输入信号中的基线漂移。Rs4与 Cs1构成了积分电路，与第一运算放大器构成一个反馈电路，能够自动纠正信号 中的基线漂移。最后就是通过Rs5与Cs2形成一个无源低通滤波器，滤除信号 中的高频干扰。
如图5所示为本发明心电监护系统的流程图，其中威尔逊网络、多路复用电 路、差动放大电路、滤波电路和后级放大电路是属于信号处理模块，而嵌入式终 端与信号处理模块集中在双面印刷电路板8上，外壳为轻质铝壳作为屏蔽。威尔 逊网络分离出各个导联轴，将各个导联轴连接到多路复用电路，通过多路复用电 路能够控制输出不同的导联连接方式，可以省去多个心电处理电路，从而精简仪 器。差分放大电路的共模信号通过与右腿驱动电路连接输出，反馈到人体可以有 效的减小共模干扰。之后再通过滤波电路对信号进一步的滤除噪声，截止频率范 围为0.05～100Hz。最后再通过后级放大电路对信号放大到能够符合数模转换要 求的幅值。嵌入式终端一方面可以根据检测湿度的情况来控制雾化装置，另一方 面是将心电信号进行A/D转换，后再经数字滤波和利用差分阈值算法对数据进行处理得到心率值，最后嵌入式终端操控按顺序输出各个导联心电波形和心电参 数通过蓝牙模块将心电信号和心率值传输至PC端或手持设备。
本系统可以输出双肢体导联I、II、III和加压单肢体导联avR、avL、avF， 各个导联信号通过公式(1)和(2)推算出。
Figure BDA0001239861680000051
Figure BDA0001239861680000052
为了验证实际的检测效果，本发明进行了实际人体监测，测试者为一名为男 性，身穿一件长袖棉质T恤，衣物厚度0.9mm。将装置固定于椅背上，测试者 坐于椅子上，可自动获取全部6导联心电信号或通过按键转换单独采集一种导联 通道。该发明装置使用者操作方便，只要坐于椅子上，几秒钟后就能在嵌入式终 端实时观察到各个导联的心电波形，实现长期的监测人体心电信号。图6(a) 是通过心电模拟仪输出的标准6导联的心电信号，本系统实际人体监测输出的标 准6导联心电信号，即双肢体导联I、II、III和加压单肢体导联avR、avL、avF 为为图6(b)所示。从图中可观察出男性测试者隔着衣服监测输出的6导联心电波形基本能清晰的观察出QRS波、T波、P波特征，检测的各个导联心电波 形也比较平稳。对比图6(a)和图6(b)可观察出，本发明所设计的多导联心 电监护系统所测量出的各个不同导联的心电波形特征与心电模拟仪输出标准导 联心电图是一致。医生和使用者可综合6导联心电信号可以获得较为详细的心脏 活动信息，能够更为全面地了解心脏活动状况，可根据各个不同导联心电波形特 征综合诊断心脏健康状况。

Claims (5)

1.一种基于阵列式电容电极的非接触式多导联心电监护系统，其特征在于，包括多个电容电极（5）；所述多个电容电极（5）均安装于椅座靠背（6）上；相邻两个电容电极（5）的中心连接，使得所述多个电容电极（5）的中心连线构成一多边形，且该多边形的中点位置对应人体的心脏位置；所述椅座靠背（6）与坐垫（10）连接，所述坐垫（10）上固定有参考电极（11）；所述椅座靠背（6）边缘处设置有喷雾装置（7）；所述喷雾装置（7）内设有湿度检测模块；所述电容电极（5）数量为三个，三个电容电极（5）的中点连线构成等边三角形；所述电容电极（5）包括柔性电路板（13）；所述柔性电路板（13）上表面固定有排列为3×3的阵列的方块（12），且每一个方块（12）之间相互隔离；所述柔性电路板（13）下表面设有缓冲电路（15），所述缓冲电路（15）之外的柔性电路板（13）下表面的其余区域设有屏蔽层（14）；所述缓冲电路包括两个运算放大器；第一运算放大器的正输入端与多个平衡电阻连接，所述多个平衡电阻并联；每个平衡电阻与一个所述方块（12）电连接；所述第一运算放大器输出端与所述屏蔽层（14）、第二运算放大器正输入端电连接；所述第一运算放大器负输入端通过第一电阻接地；所述第二运算放大器输出端与第二电阻连接；所述第二电阻一端接入所述第一电阻与第一运算放大器负输入端之间；第三电阻一端接入所述第二电阻与第一运算放大器负输入端之间，另一端接入所述第一运算放大器输出端与所述第二运算放大器正输入端之间；所述第二运算放大器输出端、负输入端与积分电路连接；所述第一运算放大器输出端接无源低通滤波器。
2.根据权利要求1所述的基于阵列式电容电极的非接触式多导联心电监护系统，其特征在于，所述三个电容电极（5）的位置分别对应人体左上肢、右上肢、左下肢。
3.根据权利要求1所述的基于阵列式电容电极的非接触式多导联心电监护系统，其特征在于，所述柔性电路板（13）下表面设有USB输出接口（16）。
4.根据权利要求1所述的基于阵列式电容电极的非接触式多导联心电监护系统，其特征在于，所述方块（12）尺寸为1.5×1.5cm；所述柔性电路板（13）尺寸为5×5cm。
5.根据权利要求1所述的基于阵列式电容电极的非接触式多导联心电监护系统，其特征在于，USB输出接口（16）与威尔逊网络连接；所述威尔逊网络、多路复用电路、差动放大电路、滤波模块、后级放大电路、嵌入式终端设备依次连接；所述嵌入式终端设备与所述喷雾装置（7）连接。
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