CN110090013B - 基于脐参考电极的心电信号采集方法和采集电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于脐参考电极的心电信号采集方法和采集电路，方法包选取肚脐点上方30~50mm的皮肤位置作为脐参考电极的放置位置；各胸壁电极分别放置在常规心电图对应的胸壁位置；以脐电极作为参考电极、各胸壁电极作为心电电极，分别将参考电极和心电电极的输出信号送八通道心电信号模拟前端对信号进行差分放大、信号滤波和模数转换，得到数字化心电信号，在微处理器的控制下经USB串行口送到心电记录与显示系统进行心电图重建。针对方法设计了独特的采集电路，通过设计脐电极转换电路，将脐电极信号作为参考电极信号。本发明的心电信号采集方法和电路简化了心电信号采集过程，创新了心电信号采集方法。

Description

基于脐参考电极的心电信号采集方法和采集电路

技术领域

本发明涉及心电采集和心电图测量领域，具体的说是一种基于脐参考电极的心电采集方法和采集电路。

背景技术

心电信号是心脏电活动的一种表现形式，获取心电信号能够从不同方面和层次反映心脏的工作状态，因此，心电信号的采集和检测在心脏疾病的诊断和治疗过程中具有重要价值。自1903年将心电图诊断技术引入临床医学以来，心电信号的采集、处理和辅助诊断技术均得到快速发展。目前，心电图依然能为心脏疾病在临床检查、诊断和监护等方面提供重要参考指标。

标准十二导联心电图用于采集心电信号的电极系统由六个参考电极和六个胸壁电极构成，参考电极由三个肢体电极通过不同的连接方式构成三个标准参考电极和三个加压参考电极，共计六个参考电极，测量时需要在人的左上肢、右上肢和左下肢安置三个肢体电极，其目的是为心电测量提供一个测量参考电位基准，早期用心电图纸记录心电信号时，受记录纸幅度尺寸限制，采用标准参考电极法得到的心电图幅度较低，而采用加压参考电极法获得的心电图幅度较大，随着显示和记录装置的改进，标准参考电极法同样能得到便于分析和观察的心电图。这两种传统方法的缺点是参考电极数目较多、操作繁琐。另外，对于肢体残疾的人来说，标准十二导联心电图并不能准确的记录人体心电信号，常常需要修改电极放置位置来获取心电信号。事实上，在心电记录与监护的时候，为方便治疗操作或方便患者的活动，肢体参考电极的放置也做了修改，即在四肢根部即锁骨下方和小腹壁上方放置粘贴式参考电极，这也说明参考电极仅仅是用来设置测量参考点，其选择合适的参考位置并不影响心电信号的采集。

基于上述问题，本案发明人研制了一种基于脐参考电极的心电采集方法。心电采集是为了测量体表的电位变化和分布，要获取心电的电压信号，则需要一个合适的零电位参考点。事实上，肚脐是人人都有的一个天然的、理想的测量参考点，需要确定的是这个理想的零电位参考点距离肚脐这个参照物有多远，或者说在身体上具体位置。根据肢体的对称性，可知脐参考点应该在人体中心轴线上，由于心电信号是低频交流信号，信号传输主要以皮肤为主，因此该参考点在腹部皮肤上的投影应该在肚脐上方或下方的位置。可通过测量人体皮肤阻抗，确定心电测量的脐电极参考点的具体位置，实现以脐参考电极为基准的心电信号采集。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于脐参考电极的心电信号采集方法和采集电路，该方法和电路能够简化心电信号采集过程，操作更方便快捷且能准确可靠的测得心电信号，以供心电图机等心电记录和显示装置使用。

为解决上述技术问题，本发明的基于脐参考电极的心电信号采集方法，其特征是包括如下步骤：

取一个脐参考电极作为零电位参考点和多个胸壁电极作为心电电极；

脐参考电极选取肚脐中央点上方30~50mm的皮肤位置作为放置位置；

各胸壁电极分别放置在常规心电信号采集对应的胸壁位置；

以脐参考电极、各胸壁电极作为心电电极，分别将脐参考电极和胸壁电极的输出信号电位差作为采集的心电信号，经八通道心电信号模拟前端处理后，得到数字化的心电信号；

将数字化的心电信号经微处理器MCU通过USB接口送至心电记录与显示装置获得心电图。

所述脐参考电极是可吸附在皮肤上或可粘贴在皮肤上的吸附式电极或粘贴式电极。

其中，脐参考电极放置位置的确定方法为：自肚脐中央往下或往上每隔20mm取一个检测点；以DC~1kHz驱动信号分别测量各个检测点与左手腕L、右手腕R、左下肢F之间的阻抗参数，绘制RL、RR、RF阻抗参数曲线；比较各个检测点的阻抗参数曲线，以各肢体导联阻抗曲线最接近的检测点所在位置，作为脐参考电极的最佳放置位置Vn。其中，所谓的“最接近的检测点”是指“各肢体导联阻抗曲线重合度最高的检测点”。

本发明的基于脐参考电极的心电信号采集电路的结构特点是包括六个胸壁电极和一个参考电极，参考电极为一个放置在肚脐上方皮肤位置处的脐参考电极；各胸壁电极的信号输出端分别连接到八通道心电信号模拟前端的各个胸电极信号输入端上；脐参考电极的信号输出端连接到一脐电极转换电路上，脐电极转换电路的输出端连接到八通道心电信号模拟前端的肢体参考电极信号输入端上。

所述脐参考电极位于肚脐中央上方30~50mm的皮肤位置。

所述脐电极转换电路2包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8。电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8一端短接在一起作为脐参考电极（Vn）的输入端；电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8的另一端分别连接由运放A1、运放A2、运放A3、运放A4构成的四个电压跟随电路的输入端，四个电压跟随器电路的输出端分别连接电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4的后端短接并引出参考电位Vw。电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4构成的电压平均电路，经电压平均后得到参考电位Vw。参考电位Vw等于脐电极获得的参考电位Vn，与通过肢体电极获得的参考点电位效果相同。

所述八通道心电信号模拟前端包括电压跟随器、差分放大电路、滤波电路、模/数转换电路、数据选择电路，电压跟随器的输入端连接胸电极接口，运放A1、运放A2、运放A3、运放A4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4构成零电位参考点电路18，脐电极转换电路2经由零电位参考点电路18连接到差分放大电路的基准电位输入端上。数据选择电路的信号输出端连接MCU微处理器，MCU微处理器通过USB串行接口连接到心电图机或心电监护仪。其中，八通道心电信号模拟前端为ADS1298芯片。

脐参考电极和各胸壁电极均使用相同的导电材质制作。应当说明的是，由于胸壁电极和参考电极都与皮肤接触，因此，电极输出电位信号均包含极化电位（或称接触电位），极化电位属于共模信号，需要通过心电信号模拟前端内的差分放大电路处理才能消除，为保证能消除极化电位，胸壁电极和脐参考电极需要采用相同的材质制作。

本发明的原理是：通过测量人体皮肤阻抗，确定以肚脐为参照物的零电位皮肤参考点，进而确定心电参考电极，实现在体表采集心电信号。心电信号经集成化八通道模拟前端进行信号放大、滤波、处理得到数字化的心电数据，最后由微处理器MCU经USB串行口送给心电记录系统。经实验验证，在肚脐点上方30～50mm皮肤位置处，三个肢体导联与测量点之间的阻抗参数近似相等，因此，将该检测点作为参考电极的放置位置即脐参考电极放置点。

本发明的心电信号采集方法和电路简化了心电信号采集过程，获取心电信号准确且操作更方便快捷。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明的整体电路原理结构示意图；

图2为脐电极转换电路的原理图；

图3.1为三肢体导联放置点到脐参考点皮肤阻抗测量示意图；

图3.2为四肢体导联放置点到脐参考点皮肤阻抗测量示意图；

图4.1为在离肚脐中央上方20mm处皮肤检测点与肢体导联之间随频率变化的阻抗参数曲线图；

图4.2为在离肚脐中央上方40mm处皮肤检测点与肢体导联之间随频率变化的阻抗参数曲线图；

图4.3为在离肚脐中央上方60mm处皮肤检测点与肢体导联之间随频率变化的阻抗参数曲线图；

图4.4为在离肚脐中央下方20mm处皮肤检测点与肢体导联之间随频率变化的阻抗参数曲线图。

实施方式

本发明的基于脐参考电极的心电信号采集方法，包括如下步骤：取一个脐参考电极作为零电位参考点和多个胸壁电极作为心电电极；脐参考电极选取肚脐中央点上方30~50mm的皮肤位置作为放置位置；各胸壁电极分别放置在常规心电信号采集对应的胸壁位置，其中V1放置在胸骨右缘第四肋间，V2放置在胸骨左缘第四肋间，V3放置在V2与V4两点连线中点处，V4放置在左锁骨中线与第五肋间相交处，V5放置在左腋前线同V4水平位置处，V6放置在左腋中线同V4水平处；以脐参考电极、各胸壁电极作为心电电极，分别将脐参考电极和胸壁电极的输出信号电位差作为采集的心电信号，经八通道心电信号模拟前端处理后，得到数字化的心电信号；将数字化的心电信号经微处理器MCU通过USB接口送至心电记录与显示装置获得心电图。

脐参考电极为可吸附在皮肤上或可粘贴在皮肤上的吸附式电极或粘贴式电极。

其中，脐参考电极放置位置的确定方法为：自肚脐中央往下或往上每隔20mm取一个检测点；以DC~1kHz驱动信号分别测量各个检测点与左手腕L、右手腕R、左下肢F之间的阻抗参数，绘制RL、RR、RF阻抗参数曲线；比较各个检测点的阻抗参数曲线，以各肢体导联阻抗曲线最接近的检测点所在位置，作为脐参考电极的最佳放置位置Vn。所谓的“最接近的检测点”是指“各肢体导联阻抗曲线重合度最高的检测点”。

图3.1是三肢体导联放置点到脐参考点皮肤阻抗测量示意图，图3.2是四肢体导联放置点到脐参考点皮肤阻抗测量示意图。，脐参考电极放置位置的具体实验验证过程为：以图3.1为例说明参考点验证过程，其中RL为左手腕导联放置点到参考点Vn的阻抗、RR为右手腕导联放置点Vn到参考点的阻抗、RF为左下肢导联放置点到参考点Vn的阻抗。以肚脐为参考点，自肚脐中央往上每隔20mm取三个检测点、往下20mm取一个监测点，利用阻抗分析仪分别测量该点与左、右手腕、左下肢导联放置点之间的阻抗参数。通过对数据的采集与处理，在离肚脐参考位置不同的距离下，分别画出检测点与肢体导联之间阻抗随频率变化的参数曲线。

根据阻抗参数测量的数据，在离肚脐不同的距离下，绘制检测点与肢体导联之间的阻抗曲线。其中：图4.1为在离肚脐上方20mm处，检测点与肢体导联之间阻抗随频率变化的参数曲线；图4. 2为在离肚脐上方40mm处，检测点与肢体导联之间阻抗随频率变化的参数曲线；图4.3为在离肚脐上方60mm处，检测点与肢体导联之间阻抗随频率变化的参数曲线；图4.4为在离肚脐下方20mm处，检测点与肢体导联之间阻抗随频率变化的参数曲线。

观察图4.1、图4.3的曲线，参考点与左、右手腕之间的阻抗曲线较为接近，但该点与左下肢之间的阻抗曲线位于该点与左、右手腕之间的阻抗曲线之上，即在该点处，左下肢的阻抗高于左、右手腕的阻抗。图4.2的曲线表明，在离肚脐上方约40mm处，该点与肢体导联之间的阻抗曲线最为接近，即该点与肢体导联的阻抗近似相等，因此，以该点作为脐参考电极的最佳放置位置。因此，在具体实施操作中，最佳放置位置的区间范围取30~50mm的位置。

其中，图4.4为肚脐下方20mm位置的检测点与肢体导联之间随频率变化的阻抗参数曲线图，尽管该位置的数据也较好，但是，小腹部一般有较多体毛，该位置不利于脐电极的固定，因此，该检测点仅作为次选位置。可在被检者肚脐中央上方30~50mm皮肤位置有创伤或采集不便时，将小腹部的体毛刮除掉，然后使用该位置作为脐参考电极的放置位置。

本发明以肚脐作为心电测量参考点，提出了基于肚脐参考电极的心电采集新方法。实验证明，在肚脐上方30~50mm处，肢体导联三者之间的阻抗参数近似相等，即将该点作为肚脐参考电极位置。本发明给出了利用肚脐参考电极实现心电采集的技术方法，创新了心电测量技术。该方法具有简单实用的特点，对于优化心电采集技术具有实际价值，可用于心电采集设备、Holter动态心电记录和心电监护仪的设计。

参照附图，本发明的基于脐参考电极的心电信号采集电路包括六个胸壁电极和一个参考电极，参考电极为一个放置在肚脐上方皮肤位置处的脐参考电极Vn；各胸壁电极V1~V6的信号输出端分别连接到八通道心电信号模拟前端1的各个胸电极信号输入端上；脐参考电极Vn的信号输出端连接到脐电极转换电路2上，脐电极转换电路2的输出端连接到八通道心电信号模拟前端1的肢体参考电极信号输入端上。其中，脐参考电极Vn位于肚脐中央上方30~50mm的皮肤位置，该位置区间为具体操作中的优选范围。

参照图2，脐电极转换电路（2）包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8。电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8一端短接在一起作为脐参考电极（Vn）的输入端；电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8的另一端分别连接由运放A1、运放A2、运放A3、运放A4构成的四个电压跟随电路的输入端，四个电压跟随器电路的输出端分别连接电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4的后端短接并引出参考电位Vw。电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4构成的电压平均电路，经电压平均后得到参考电位Vw。由图2可知：

;

脐参考电极输出的电位记作Vn，该电位信号通过电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8分别连接肢体电极输入端R、L、F、FR，并被电压跟随器A1、A2、A3、A4缓冲，即：VR=Vn、VL=Vn、VF=Vn、VFR=Vn，根据式（1）得：

;

图2中的虚线部分为零电位参考点电路18，根据式（2）可知，零电位参考点电路的输出Vw等于脐电极获得的参考电位Vn，与通过肢体电极获得的参考点电位效果相同。另外，应当说明的是，由于胸壁电极和参考电极都与皮肤接触，因此，电极输出电位信号均包含极化电位（或称接触电位），极化电位属于共模信号，需要通过心电信号模拟前端内的差分放大电路处理才能消除，为保证消除极化电位，脐参考电极和各胸壁电极需要使用相同的导电材质制作。

参照附图，八通道心电信号模拟前端1包括电压跟随器11、差分放大电路12、滤波电路13、模/数转换电路14、数据选择电路15，电压跟随器11的输入端连接胸电极接口；运放A1、运放A2、运放A3、运放A4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4构成零电位参考点电路18，脐电极转换电路2经由零电位参考点电路18连接到差分放大电路12的基准电位输入端上。数据选择电路15的信号输出端连接MCU微处理器16，MCU微处理器16通过USB串行接口17连接到心电图机或心电监护仪，其中，数据选择电路15的输出端采用SPI接口，MCU微处理器16的主要作用是用作接口转换和数据读出，将SPI接口电路转换成USB串口输出，对心电信号不做加工处理。八通道心电信号模拟前端1为ADS1298芯片，ADS1298芯片为成熟的市售芯片，其是用于生物电位测量的低功率、8通道、24位模拟前端，该芯片为成熟的现有技术产品，其内部具体电路结构和功能在此不再赘述，具体使用时可查阅《芯片手册》，《芯片手册》在芯片生产厂商或经销商网站以及一些器件资源网站均可免费下载。

综上所述，本发明不限于上述具体实施方式。本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案的前提下，可做若干更改或修饰，上述更改或修饰均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于脐参考电极的心电信号采集方法，其特征是包括如下步骤：

取一个脐参考电极作为零电位参考点和多个胸壁电极作为心电电极；

脐参考电极选取肚脐中央点上方30~50mm的皮肤位置作为放置位置；

各胸壁电极分别放置在常规心电信号采集对应的胸壁位置；

以脐参考电极、各胸壁电极作为心电电极，分别将脐参考电极和胸壁电极的输出信号电位差作为采集的心电信号，经八通道心电信号模拟前端处理后，得到数字化的心电信号；

将数字化的心电信号经微处理器MCU通过USB接口送至心电记录与显示装置获得心电图；

脐参考电极放置位置的确定方法为：

自肚脐中央往下或往上每隔20mm取一个检测点；

以DC~1kHz驱动信号分别测量各个检测点与左手腕L、右手腕R、左下肢F之间的阻抗参数，绘制RL、RR、RF阻抗参数曲线；

比较各个检测点的阻抗参数曲线，以各肢体导联阻抗曲线最接近的检测点所在位置，作为脐参考电极的最佳放置位置Vn；

所述的最接近的检测点是指各肢体导联阻抗曲线重合度最高的检测点。

2.如权利要求1所述的基于脐参考电极的心电信号采集方法，其特征是所述脐参考电极是可吸附在皮肤上或可粘贴在皮肤上的吸附式电极或粘贴式电极。

3.如权利要求1所述的基于脐参考电极的心电信号采集方法，其特征是脐参考电极和各胸壁电极均使用相同的导电材质制作。

4.一种基于权利要求1所述方法的心电信号采集电路，其特征是包括六个胸壁电极和一个参考电极，参考电极为一个放置在肚脐上方皮肤位置处的脐参考电极（Vn）；各胸壁电极（V1~V6）的信号输出端分别连接到八通道心电信号模拟前端（1）的各个胸电极信号输入端上；脐参考电极（Vn）的信号输出端连接到一脐电极转换电路（2）上，脐电极转换电路（2）的输出端连接到八通道心电信号模拟前端（1）的肢体参考电极信号输入端上。

5.如权利要求4所述的心电信号采集电路，其特征是所述脐参考电极（Vn）位于肚脐中央上方30~50mm的皮肤位置。

6.如权利要求4所述的心电信号采集电路，其特征是所述脐电极转换电路（2）包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8；电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8一端短接在一起作为脐参考电极（Vn）的输入端；电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8的另一端分别连接由运放A1、运放A2、运放A3、运放A4构成的四个电压跟随电路的输入端，四个电压跟随器电路的输出端分别连接电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4的后端短接并引出参考电位Vw。

7.如权利要求6所述的心电信号采集电路，其特征是所述八通道心电信号模拟前端（1）包括电压跟随器（11）、差分放大电路（12）、滤波电路（13）、模/数转换电路（14）、数据选择电路（15），电压跟随器（11）的输入端连接胸电极接口；运放A1、运放A2、运放A3、运放A4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4构成零电位参考点电路18，脐电极转换电路（2）经由零电位参考点电路（18）连接到差分放大电路（12）的基准电位输入端上。

8.如权利要求7所述的心电信号采集电路，其特征是所述数据选择电路（15）的信号输出端连接MCU微处理器（16），MCU微处理器（16）通过USB串行接口（17）连接到心电图机或心电监护仪。

9.如权利要求7或8所述的心电信号采集电路，其特征是所述八通道心电信号模拟前端（1）为ADS1298芯片。