電場感應式心電監護儀的研究

杜武松

摘 要隨著社會的進步和科學技術的不斷發展，人們對生活質量的要求日益提高，自身的健康狀況成為了人們日益關注的重心和焦點。心臟類疾病是造成人類死亡的重大疾病之一，每年由于心臟類疾病引起的全球死亡人數一直居高不下。長期以來，對心臟類疾病的診斷與研究一直是醫學界的一個重要課題。

【關鍵詞】電場感應式 心電監護儀

1 項目目的

目前傳統式的心電監護儀對患者的心電監測存在以下缺陷：

（1）粘貼式心電電極片（下文稱作：心電電極片）容易對患者的皮膚造成損傷，特別是新生兒幼嫩的皮膚，并且某些患者還會產生不良過敏反應；

（2）心電電極片不易或者不能粘貼到某些患者皮膚上，例如：老人干燥的皮膚、嚴重燒傷的患者或是毛發較密的患者；

（3）由于心電電極片不能長時間接觸患者皮膚，所以不能24小時不間斷的監測患者心電情況。為了解決以上問題，我們嘗試研發一種感應式的心電監護儀來進行患者的心電監測功能。

2 項目研制

2.1 高靈敏度電場傳感器的設計

我司設計開發了電場感應式傳感器（下文稱作：傳感器），傳感器作為一個整體器件，可以在電路中進行直接焊接。傳感器在結構上主要由兩部分組成，一部分為TiO2金屬氧化物，通過此部分特殊材質的金屬物來感應空間中電場的細微變化，屬于信號采集輸入部分，另外一部分為電路基板：在電路基板上設計有信號放大調制電路，將感應到的電場細微變化轉化為微弱的電壓信號傳輸到電路后端進行進一步處理和分析。如圖1所示。

整個傳感器電路的工作原理如下：當把傳感器靠近到人體表面時，由于人體皮膚表面帶有部分電荷，當心臟的生物電信號傳導至人體皮膚表面時，會引起人體皮膚表面電荷的增多或者減少，此時傳感器附近空間電荷的增多或減少引起附近電場的變化，細微的電場變化耦合到TiO2金屬氧化物上后變為的微小的電壓信號，由于接收到的電壓信號非常微弱，所以需要前級放大器進行信號的前期處理和放大，以便后續電路進行再處理。傳感器的放大電路采用反饋電路，同時輸出信號被調制為方波載波信號后輸出，通過以上兩種措施來增強信號的抗干擾能力，是的信號能夠較長距離的傳導。

在使用此傳感器對人體心電信號進行監測時，可使用醫用紗布將傳感器與患者皮膚相隔開，無需直接接觸患者皮膚，并且使用后只需要更換醫用紗布即可，或使用醫用酒精清洗傳感器表面，如此之后便可重復使用，僅僅只有醫用紗布的消耗，將有助于降低病患的醫療費用。

2.2 心電信號采集電路模塊的設計

心電信號電路示意圖請見圖2。

三路傳感器分別采集人體的RA、LA、LL三路心電導聯信號，傳感器輸出信號經過RC濾波電路處理后送入Psoc芯片中，進一步完成信號處理。Psoc芯片接收到信號后通過內部搭建的后級運算放大器電路進行信號的放大以及濾波電路進行放大濾波處理，經過處理的信號再次進行AD采樣，轉換為數字信號后，再由Psoc芯片對此數字信號完成心電波形的提取與心率的計算。

2.3 心電導聯脫落檢測的實現

由于使用了高靈敏度電場感應式器件，能實時的感應到空間中的電荷產生信號，從而不能夠實現傳統心電的導聯脫落檢測功能，所以我們還必須解決心電導聯脫落的檢測問題。

最終導聯脫落檢測通過熱釋電紅外傳感器來實現，我們將熱釋電紅外傳感器和電場傳感器一起設計在心電探頭上。當心電探頭接近人體皮膚時，由于人體體溫一般都恒定在36℃左右，會對外發出特定波長的紅外線，熱釋電紅外傳感器通過器件上的窗口探測到人體發射的紅外線而進行工作，通過設置能使熱釋電傳感器檢測到人體恒定的36℃溫度時，就會在信號輸出引腳輸出高電平信號給中繼MCU芯片（底功耗STM32芯片）進行處理，當接收到高電平信號時，及表示電極探頭與人體連接，反之，低電平信號為電極探頭脫落，未連接人體。中繼MCU再通過串口通訊將探頭連接脫落信號發送給Psoc芯片，由Psoc芯片完成心電波形、心率計算及導聯脫落的信號的整合工作。

3 人體心電測量的最終實現方案

心電信號采集電路模塊設計完成后，在對患者進行人體心電監測時，三個心電探頭分別連接人體RA、LA、LL導聯，另外通過導電材料的軟布墊在患者的床單或者座墊下作為右腿驅動導聯，使用醫用的綁帶隔著衣物、紗布等物品對患者進行心電信號的采集，經過心電模塊處理后，將心電波形、心率數值等等信息傳輸到顯示儀器上進行顯示，以便醫護人員能對病患的心電狀態進行監測和診斷。

4 結束語：電場感應式心電監護儀市場前景分析

電場感應式心電監護儀最大特點是在臨床使用上可以取代傳統粘貼式心電電極片，尤其適用于在新生兒科和燒傷科等科室。由于為非接觸式，可以解決和克服多種不適于傳統粘貼式心電電極片的場合，例如可以避免損傷皮膚，避免造成皮膚表面過敏反應，避免皮膚表面因粘貼撕裂而出血等等情況，甚至可以使用在寵物心電監測環境下，避免寵物的毛發被剔除。

所以電場感應式心電監護儀市場前景需求非常巨大，符合醫患使用預期。相信在不久的將來，定能造福于更多的心臟病患者。

參考文獻

[1]李運華，劉寶華，戶鵬飛，甄龍.一種非接觸心電測量方法的研究[J].傳感器與微系統，2003（01）.

[2]黃志偉，林大全，郭柞達，何輝.心電信號的檢測技術與臨床應用[J].中國測試技術，2005（02）.

作者單位

深圳市杰納瑞醫療儀器股份有限公司 廣東省深圳市 518057