針對傳統電極需要與皮膚直接接觸、使用不方便、花費時間長等缺點，本文基于電容耦合原理設計了一種隔著衣物快速檢測人體心電信號的便攜式手握心電監護儀。該監護儀主要由手握心電傳感器和嵌入式終端兩部分構成。本系統將感應電極隔著衣物放置于胸前，檢測獲取心電信號，并經單端差動放大、濾波和主放大后，由 CC2540 模塊進行 A/D 轉換和心電信號傳輸。然后嵌入式終端對接收到的心電信號進行數字濾波和數據處理，最后在屏幕上顯示波形和心率值。實測結果表明利用手握心電監護儀能實現隔著衣物實時檢測人體心電信號，具有操作簡單、便攜性和快速檢測等優點。
引用本文： 徐效文, 李天涵. 便攜式手握心電監護儀的設計與實現. 生物醫學工程學雜志, 2017, 34(6): 895-899. doi: 10.7507/1001-5515.201611006 復制
引言
目前國內有 63% 的死亡來源于慢性非傳染性疾病，其中一半是來源于心血管疾病[1-2]。研究表明，如果在心血管疾病早期階段能進行實時檢測和及時發現生理異常，可降低心血管疾病的發病率和死亡率[3]。心電圖（electrocardiogram，ECG）是用于診斷心血管疾病的主要方法之一，通過將電極放置于人體體表特定部位檢測心電信號，根據體表電位的變化來記錄心臟的生理活動。目前家庭或醫院使用的心電監測儀都需要將電極跟人體軀干皮膚直接接觸，而且需要在皮膚表面涂導電膏來確保測量的準確性，電極也是一次性使用，所以對于家庭用戶來說操作過于繁瑣，花費時間較長，并且有可能造成皮膚過敏[4]。
基于電容耦合原理的心電監測系統能夠很好地解決上述問題。電容電極相比于傳統的電極，能夠避免直接與人體體表接觸，隔著衣服就能夠檢測人體體表電位[5-6]。本文設計了基于電容耦合的便攜式手握心電監護儀，右手握住手柄，將感應電極放置于左胸前對信號進行采集，之后由信號處理電路對心電信號進行處理，最后通過信號采集與傳輸模塊對信號進行 A/D 轉換和無線傳輸。
1 系統設計
本系統由手握心電傳感器和嵌入式終端兩部分構成，手握心電傳感器主要包括感應電極、信號處理電路以及基于處理器 CC2540 的信號采集和傳輸模塊。系統的框圖如圖 1 所示。
圖1
手握心電監護儀系統結構框圖
Figure1.
Block diagram of hand-held ECG monitor
本系統以人體右手為電極參考點，將感應電極隔著衣物放置于左胸前對心電信號進行采集，通過單端差動放大電路對心電信號進行放大，以減小共模干擾。單端差動放大電路的輸出信號再經過工頻濾波器，二階低通、高通濾波器和主放大電路處理后，最后通過 CC2540 模塊對信號進行 A/D 轉換和數據無線傳輸。嵌入式終端由基于處理器 STM32F407 的嵌入式最小系統和藍牙接收模塊構成。嵌入式終端對接收到的心電信號進行數字濾波和數據處理，最后在液晶屏上顯示心電波形和心電參數。手握心電傳感器和嵌入式終端整體功耗較低，所以采用電池供電即可。
2 手握心電傳感器
手握心電傳感器主要由感應電極、信號處理電路以及信號采集和傳輸模塊構成。傳感器結構如圖 2 所示，右手握住銅質手柄，將感應電極放置于左胸前，即可獲取人體心電信號。手握心電傳感器用右手作為電極參考點，采用感應電極來獲取人體心電信號。泡沫和螺旋彈簧作為緩沖裝置，使感應電極與人體體表緊密接觸，有利于減小運動偽影的產生[7-8]。
圖2
手握心電傳感器結構圖
Figure2.
Structure diagram of the hand-held ECG sensor
2.1 感應電極
針對傳統電極需要與皮膚直接接觸、不能重復使用、花費時間長等缺點，本文利用電容耦合原理設計了感應電極，隔著衣物即可實時檢測心電信號。感應電極的原理如圖 3 所示，其中人體皮膚與電極構成耦合電容的兩極面，衣服等絕緣體作為耦合電容的絕緣介質，隨著人體體表皮膚表面電位的變化，感應電極外表面的電荷也隨之改變，從而實現隔著衣物采集心電信號的功能[9-11]。
圖3
電容耦合原理示意圖
Figure3.
Schematic diagram of capacitive coupling
感應電極的整體電路如圖 4 所示，圖中的印刷電路板是由雙面印刷電路板（printed circuit board，PCB）構成。印刷電路板的頂面為帶阻焊油墨的銅膜，底面上設有兩個區，一個是有緩沖電路的區域，另一個是被銅膜覆蓋的屏蔽區域。緩沖電路采用軌到軌輸入/輸出的低噪聲、低偏置電流、高共模抑制比的精密放大器 LMP7702。前一級運放 1 作為電壓跟隨器，構成阻抗變換電路，使其獲得高輸入阻抗，從而避免心電信號在皮膚-電極的耦合中衰減過多。運放 2 為伺服電路，能有效去除輸入信號的基線漂移，而且可防止因偏置電阻 R1 與耦合電容構成高通濾波器而導致信號失真的現象，使電極達到最佳的信噪比[12]。
圖4
電極電路與差動放大電路結構圖
Figure4.
Electrode circuit and differential amplifier circuit
2.2 信號處理電路
心電信號是人體特定點之間的電位差，本系統將右手作為電極參考點和地參考點，將感應電極采集到的心電信號接入儀表放大器的同相端，構成單端差動放大電路，如圖 4 所示。本系統選用精密儀表放大器 INA128 對心電信號進行差動放大，具有高共模抑制比、低功耗、小尺寸等優點。由于是通過感應電極采集，且體表電位幅值小、共模噪聲大，因此采用單端差動放大電路以減小共模噪聲。
心電信號的主要干擾源是 50 Hz 工頻干擾，雖然利用單端差動放大電路濾除掉一部分共模噪聲，但是仍有一部分工頻干擾以差模信號的形式混入信號中，所以本系統采用雙 T 型陷波電路來進一步消除信號中的工頻干擾。為了保證雙 T 型陷波器的中心頻率為 50 Hz 以及保證陷波的深度，需選用高精度的電阻和電容。心電信號的頻率范圍為 0.05～100 Hz，為了消除信號中的低頻和高頻干擾，在信號處理電路中加入二階有源高、低通濾波器。將低通濾波器的截止頻率設置為 100 Hz，將高通濾波器的截止頻率設置為 0.05 Hz，以保證心電信號頻段的完整性。經過單端差動放大和濾波電路后的信號幅值只有 40 mV 左右，所以需再經過后級主放大電路以滿足 A/D 轉換要求，放大倍數設置為 25 倍。
2.3 信號采集與傳輸
信號的采集與傳輸模塊由 CC2540 模塊直接實現，基于藍牙 4.0 的 CC2540 模塊集成了 2.4 GHz 射頻收發器，是一款完全兼容 C8051 內核的無線射頻單片機，可用作低功耗的無線數據采集與傳輸模塊[13]。芯片 CC2540 的內部集成有 8 個通道的 12 位 ADC，主頻可達到 32 MHz，所以利用它既可以作為數據采集終端，又能作為數據收發的無線終端。本系統將模擬心電信號連接至 CC2540 模塊，以完成 A/D 轉換和心電數據的傳輸。
3 嵌入式終端的處理和顯示
嵌入式終端是由基于處理器 STM32F407 的最小系統和藍牙接收模塊構成。嵌入式終端對接收到的心電信號進行再次數字濾波，并利用差分閾值算法對數據進行處理得到心率值，最后在圖形化操作界面上顯示心電波形和心電參數。
3.1 動態差分閾值算法
本系統采用動態差分閾值算法對數據進行處理得到心率值，該算法既能實時測量心率，又能避免運動偽影造成心率測量不準確。動態差分閾值算法是根據心電信號采樣前后多點間的差分大小，來精確鎖定心電信號 QRS 波群。本算法先通過負差分閾值鎖定 RS 波段，再檢測之前的 100 ms 內點的正差分值，從而鎖定 QR 波段，最后即可確定 QRS 波群，算法流程圖如圖 5 所示。采用動態差分閾值算法的優勢在于能夠實時快速地鎖定 QRS 波群，特別適用于非接觸式心電檢測系統，可應對不同個體之間心電幅值差異和信號波動的問題。
圖5
動態差分閾值算法流程圖
Figure5.
Flowchart of dynamic differential threshold algorithm
3.2 圖形化操作界面
為了實現家庭式心電監護儀交互界面的人性化，將實時操作系統 μC/OS-Ⅲ 移植到微處理器 STM32F407，結合 STemWin 圖形庫，既可以實現多任務分配管理，又能設計一個交互式圖形操作界面，更加貼合現代用戶操作習慣[14]。系統能夠對采集到的心電信號進行實時快速處理，并在液晶屏上顯示心電波形以及心率值，再對心電數據進行存儲。圖 6 為液晶屏顯示的圖形操作界面，界面上有虛擬觸摸鍵，可通過觸摸鍵控制信號的采樣頻率、幅值大小等，圖中液晶屏上顯示的心電波形和心率值都為實測結果。
圖6
液晶顯示屏操作界面
Figure6.
User interface on the liquid crystal display screen
4 測試與實驗結果
為了驗證測試效果，對手握式心電監護儀進行了測試。在征得志愿者同意后，采用手握心電監護儀對志愿者進行實際心電檢測。志愿者右手握住銅制手柄部分，將感應電極放置于左胸前，可以在液晶屏上觀察到心電波形和心率，圖 7 為實驗測試環境。
圖7
實驗裝置圖
Figure7.
Snapshot of the laboratory experimental setup
針對衣物厚度差異進行了實驗，實驗結果如圖 8 所示，其中圖 8a 為隔著厚度為 0.5 mm 的衣物測量所得到的心電信號，圖 8b 為隔著厚度為 0.9 mm 的衣物測量所得到的心電信號，圖 8c 為隔著厚度為 2.2 mm 的衣物測量所得到的心電信號。從圖 8a 到圖 8c 可以看出，雖然隨著衣物厚度的增加，心電信號的幅值會有所減小，但是從波形中能夠清晰地觀察出心電信號各個特征如 QRS 波群、T 波、P 波，甚至 U 波。實驗結果表明，本文設計的手握心電監護儀能夠隔著衣物快速檢測人體心電信號，可滿足日常心電監護的需求。
圖8
隔著不同厚度衣物檢測到的 ECG 信號
a. 隔著厚度為 0.5 mm 的衣物；b. 隔著厚度為 0.9 mm 的衣物；c. 隔著厚度為 2.2 mm 的衣物
Figure8. The ECG signals obtained with different thickness of the cloth covereda. with a cloth of 0.5 mm thickness; b. with a cloth of 0.9 mm thickness; c. with a cloth of 2.2 mm thickness
5 結論與展望
本文基于電容耦合原理設計了便攜式手握心電監護儀，只需右手握住手柄隔著衣物將感應電極放置于左胸前，即可在液晶屏上實時觀察到自身心電波形變化與心率值。整個系統主要包括感應電極、單端差動放大電路、模擬濾波電路、主放大電路、信號采集和傳輸模塊、嵌入式終端等。由實驗結果可知，手握心電監護儀能滿足人們日常實時檢測心電信號的需求，具有操作簡單、便攜性、快速檢測等優勢。
引言
目前國內有 63% 的死亡來源于慢性非傳染性疾病，其中一半是來源于心血管疾病[1-2]。研究表明，如果在心血管疾病早期階段能進行實時檢測和及時發現生理異常，可降低心血管疾病的發病率和死亡率[3]。心電圖（electrocardiogram，ECG）是用于診斷心血管疾病的主要方法之一，通過將電極放置于人體體表特定部位檢測心電信號，根據體表電位的變化來記錄心臟的生理活動。目前家庭或醫院使用的心電監測儀都需要將電極跟人體軀干皮膚直接接觸，而且需要在皮膚表面涂導電膏來確保測量的準確性，電極也是一次性使用，所以對于家庭用戶來說操作過于繁瑣，花費時間較長，并且有可能造成皮膚過敏[4]。
基于電容耦合原理的心電監測系統能夠很好地解決上述問題。電容電極相比于傳統的電極，能夠避免直接與人體體表接觸，隔著衣服就能夠檢測人體體表電位[5-6]。本文設計了基于電容耦合的便攜式手握心電監護儀，右手握住手柄，將感應電極放置于左胸前對信號進行采集，之后由信號處理電路對心電信號進行處理，最后通過信號采集與傳輸模塊對信號進行 A/D 轉換和無線傳輸。
1 系統設計
本系統由手握心電傳感器和嵌入式終端兩部分構成，手握心電傳感器主要包括感應電極、信號處理電路以及基于處理器 CC2540 的信號采集和傳輸模塊。系統的框圖如圖 1 所示。
圖1
手握心電監護儀系統結構框圖
Figure1.
Block diagram of hand-held ECG monitor
本系統以人體右手為電極參考點，將感應電極隔著衣物放置于左胸前對心電信號進行采集，通過單端差動放大電路對心電信號進行放大，以減小共模干擾。單端差動放大電路的輸出信號再經過工頻濾波器，二階低通、高通濾波器和主放大電路處理后，最后通過 CC2540 模塊對信號進行 A/D 轉換和數據無線傳輸。嵌入式終端由基于處理器 STM32F407 的嵌入式最小系統和藍牙接收模塊構成。嵌入式終端對接收到的心電信號進行數字濾波和數據處理，最后在液晶屏上顯示心電波形和心電參數。手握心電傳感器和嵌入式終端整體功耗較低，所以采用電池供電即可。
2 手握心電傳感器
手握心電傳感器主要由感應電極、信號處理電路以及信號采集和傳輸模塊構成。傳感器結構如圖 2 所示，右手握住銅質手柄，將感應電極放置于左胸前，即可獲取人體心電信號。手握心電傳感器用右手作為電極參考點，采用感應電極來獲取人體心電信號。泡沫和螺旋彈簧作為緩沖裝置，使感應電極與人體體表緊密接觸，有利于減小運動偽影的產生[7-8]。
圖2
手握心電傳感器結構圖
Figure2.
Structure diagram of the hand-held ECG sensor
2.1 感應電極
針對傳統電極需要與皮膚直接接觸、不能重復使用、花費時間長等缺點，本文利用電容耦合原理設計了感應電極，隔著衣物即可實時檢測心電信號。感應電極的原理如圖 3 所示，其中人體皮膚與電極構成耦合電容的兩極面，衣服等絕緣體作為耦合電容的絕緣介質，隨著人體體表皮膚表面電位的變化，感應電極外表面的電荷也隨之改變，從而實現隔著衣物采集心電信號的功能[9-11]。
圖3
電容耦合原理示意圖
Figure3.
Schematic diagram of capacitive coupling
感應電極的整體電路如圖 4 所示，圖中的印刷電路板是由雙面印刷電路板（printed circuit board，PCB）構成。印刷電路板的頂面為帶阻焊油墨的銅膜，底面上設有兩個區，一個是有緩沖電路的區域，另一個是被銅膜覆蓋的屏蔽區域。緩沖電路采用軌到軌輸入/輸出的低噪聲、低偏置電流、高共模抑制比的精密放大器 LMP7702。前一級運放 1 作為電壓跟隨器，構成阻抗變換電路，使其獲得高輸入阻抗，從而避免心電信號在皮膚-電極的耦合中衰減過多。運放 2 為伺服電路，能有效去除輸入信號的基線漂移，而且可防止因偏置電阻 R1 與耦合電容構成高通濾波器而導致信號失真的現象，使電極達到最佳的信噪比[12]。
圖4
電極電路與差動放大電路結構圖
Figure4.
Electrode circuit and differential amplifier circuit
2.2 信號處理電路
心電信號是人體特定點之間的電位差，本系統將右手作為電極參考點和地參考點，將感應電極采集到的心電信號接入儀表放大器的同相端，構成單端差動放大電路，如圖 4 所示。本系統選用精密儀表放大器 INA128 對心電信號進行差動放大，具有高共模抑制比、低功耗、小尺寸等優點。由于是通過感應電極采集，且體表電位幅值小、共模噪聲大，因此采用單端差動放大電路以減小共模噪聲。
心電信號的主要干擾源是 50 Hz 工頻干擾，雖然利用單端差動放大電路濾除掉一部分共模噪聲，但是仍有一部分工頻干擾以差模信號的形式混入信號中，所以本系統采用雙 T 型陷波電路來進一步消除信號中的工頻干擾。為了保證雙 T 型陷波器的中心頻率為 50 Hz 以及保證陷波的深度，需選用高精度的電阻和電容。心電信號的頻率范圍為 0.05～100 Hz，為了消除信號中的低頻和高頻干擾，在信號處理電路中加入二階有源高、低通濾波器。將低通濾波器的截止頻率設置為 100 Hz，將高通濾波器的截止頻率設置為 0.05 Hz，以保證心電信號頻段的完整性。經過單端差動放大和濾波電路后的信號幅值只有 40 mV 左右，所以需再經過后級主放大電路以滿足 A/D 轉換要求，放大倍數設置為 25 倍。
2.3 信號采集與傳輸
信號的采集與傳輸模塊由 CC2540 模塊直接實現，基于藍牙 4.0 的 CC2540 模塊集成了 2.4 GHz 射頻收發器，是一款完全兼容 C8051 內核的無線射頻單片機，可用作低功耗的無線數據采集與傳輸模塊[13]。芯片 CC2540 的內部集成有 8 個通道的 12 位 ADC，主頻可達到 32 MHz，所以利用它既可以作為數據采集終端，又能作為數據收發的無線終端。本系統將模擬心電信號連接至 CC2540 模塊，以完成 A/D 轉換和心電數據的傳輸。
3 嵌入式終端的處理和顯示
嵌入式終端是由基于處理器 STM32F407 的最小系統和藍牙接收模塊構成。嵌入式終端對接收到的心電信號進行再次數字濾波，并利用差分閾值算法對數據進行處理得到心率值，最后在圖形化操作界面上顯示心電波形和心電參數。
3.1 動態差分閾值算法
本系統采用動態差分閾值算法對數據進行處理得到心率值，該算法既能實時測量心率，又能避免運動偽影造成心率測量不準確。動態差分閾值算法是根據心電信號采樣前后多點間的差分大小，來精確鎖定心電信號 QRS 波群。本算法先通過負差分閾值鎖定 RS 波段，再檢測之前的 100 ms 內點的正差分值，從而鎖定 QR 波段，最后即可確定 QRS 波群，算法流程圖如圖 5 所示。采用動態差分閾值算法的優勢在于能夠實時快速地鎖定 QRS 波群，特別適用于非接觸式心電檢測系統，可應對不同個體之間心電幅值差異和信號波動的問題。
圖5
動態差分閾值算法流程圖
Figure5.
Flowchart of dynamic differential threshold algorithm
3.2 圖形化操作界面
為了實現家庭式心電監護儀交互界面的人性化，將實時操作系統 μC/OS-Ⅲ 移植到微處理器 STM32F407，結合 STemWin 圖形庫，既可以實現多任務分配管理，又能設計一個交互式圖形操作界面，更加貼合現代用戶操作習慣[14]。系統能夠對采集到的心電信號進行實時快速處理，并在液晶屏上顯示心電波形以及心率值，再對心電數據進行存儲。圖 6 為液晶屏顯示的圖形操作界面，界面上有虛擬觸摸鍵，可通過觸摸鍵控制信號的采樣頻率、幅值大小等，圖中液晶屏上顯示的心電波形和心率值都為實測結果。
圖6
液晶顯示屏操作界面
Figure6.
User interface on the liquid crystal display screen
4 測試與實驗結果
為了驗證測試效果，對手握式心電監護儀進行了測試。在征得志愿者同意后，采用手握心電監護儀對志愿者進行實際心電檢測。志愿者右手握住銅制手柄部分，將感應電極放置于左胸前，可以在液晶屏上觀察到心電波形和心率，圖 7 為實驗測試環境。
圖7
實驗裝置圖
Figure7.
Snapshot of the laboratory experimental setup
針對衣物厚度差異進行了實驗，實驗結果如圖 8 所示，其中圖 8a 為隔著厚度為 0.5 mm 的衣物測量所得到的心電信號，圖 8b 為隔著厚度為 0.9 mm 的衣物測量所得到的心電信號，圖 8c 為隔著厚度為 2.2 mm 的衣物測量所得到的心電信號。從圖 8a 到圖 8c 可以看出，雖然隨著衣物厚度的增加，心電信號的幅值會有所減小，但是從波形中能夠清晰地觀察出心電信號各個特征如 QRS 波群、T 波、P 波，甚至 U 波。實驗結果表明，本文設計的手握心電監護儀能夠隔著衣物快速檢測人體心電信號，可滿足日常心電監護的需求。
圖8
隔著不同厚度衣物檢測到的 ECG 信號
a. 隔著厚度為 0.5 mm 的衣物；b. 隔著厚度為 0.9 mm 的衣物；c. 隔著厚度為 2.2 mm 的衣物
Figure8. The ECG signals obtained with different thickness of the cloth covereda. with a cloth of 0.5 mm thickness; b. with a cloth of 0.9 mm thickness; c. with a cloth of 2.2 mm thickness
5 結論與展望
本文基于電容耦合原理設計了便攜式手握心電監護儀，只需右手握住手柄隔著衣物將感應電極放置于左胸前，即可在液晶屏上實時觀察到自身心電波形變化與心率值。整個系統主要包括感應電極、單端差動放大電路、模擬濾波電路、主放大電路、信號采集和傳輸模塊、嵌入式終端等。由實驗結果可知，手握心電監護儀能滿足人們日常實時檢測心電信號的需求，具有操作簡單、便攜性、快速檢測等優勢。
