一種基于織物電極的可穿戴心電采集系統的設計*

戴明，陳昕，林浩明，陳冕，陳思平△

（1.深圳大學生物醫學工程學院，廣東深圳518060；2.廣東省醫學信息檢測與超聲成像重點實驗室，廣東深圳518060）

1 引 言

隨著老齡化加劇及對健康的關心，心臟疾病逐漸成為公眾關注焦點［1］。一種舒適性良好，功耗低，可長時間心電監護的可穿戴心電監護設備對心血管疾病預防具有重要作用。由于傳統心電監護儀往往不便攜帶，有很多線纜及電極附貼在胸部或手腳［2］，且皮膚與多個電極間緊密連接，通透性較差，穿戴舒適性不佳，因此一種低功耗，不影響正常工作和生活，又能對心臟進行長時間連續監測，且能預防心臟疾病的“無約束、低擾度”可穿戴心電采集系統越來越成為當前迫切需求。基于上述考慮，本研究設計了一種基于聚吡咯電極的高精度可穿戴心電采集系統，該系統不僅可通過雙手緊握鍍銀金屬干電極來實現短時間心電檢測，還可使用聚吡咯織物電極作為心電輸入采集端，將三織物電極嵌入心電衣，用戶只需穿上心電衣即可長期進行心電監護，是一種集日常心電監護與心臟疾病預防于一體，適用多種場合，并能長時間心電測量的可穿戴系統，其對防止心臟疾病發生及對慢性心臟疾病預防具有重要意義。

2 心電衣設計

Agcl／Ag濕電極性能穩定、貼合方便，具有較好導電性，因而廣泛應用于心電監護中。但長期使用易引起皮膚過敏、刺激等問題，且隨著監護時間延長，導電凝膠逐漸干涸，電極與皮膚間阻抗增大［3］。而柔性襯底電極具有很好生物相容性，且易于形成舒適皮膚－電極界面，但襯底結構限制，難以與衣服融合，因此迫切需要兼具舒適性與導電性良好的新型材料來作為心電衣與皮膚接觸的電極材料。因人體表面為三維非平面結構，故柔性電極能很好適應體表曲面，極易與皮膚緊貼，且鍍有聚吡咯的織物電極傳導能力好、自身阻抗低、舒適性好，無毒害、成本低、質量輕，均勻厚實，其在導電性和環境穩定性方面表現優異［4］，且直接與皮膚接觸，不需使用電解凝膠或粘合劑，易于與衣服集成，因而非常適用于心電長時間監測［5］，因此，本研究采用聚吡咯織物電極作為心電輸入電極。

目前，最常用織物電極制備方法是在織物中加入金屬長絲或在織物表面沉積金屬膜［4］，這雖能使織物導電，但金屬絲的使用在很大程度上會影響電極柔軟性。而在織物表面沉積導電聚合物不僅保留了織物柔性，且制作方法簡單［4］，因此，本研究采用沉積導電聚合方法來制備織物電極。

聚吡咯織物電極導電性能主要受吡咯單體濃度、用量和摻雜劑種類影響，織物表面電阻率隨吡咯單體濃度增加而下降，摻雜劑蒽醌－2－橫酸納（AQSA－Na）和NSA制備的聚吡咯摻雜水平高，分布均勻［6］，因此本研究選用AQSA－Na作為聚吡咯織物電極的摻雜劑，將AQSA－Na和吡咯組成的中性或酸性電解液加上電壓，本征態吡咯單體價帶電子在吸收足夠能量后跳入下一能區，進而使價帶變成部分充填，而本征態吡咯共軛鏈在失去電子后被氧化，最后在電極上聚合形成聚吡咯導電織物電極。

由于電化學聚合可極大改善電導率，大大提高交流信號采集能力，明顯改善導電織物環境穩定性［4，6］，因此，本研究以棉質平紋織物為基布，先對棉織物進行聚吡咯化學聚合，使棉織物導電而形成化學聚合吡咯棉導電織物。隨后將制備好的導電織物進行電化學反應，最后得到電化學聚合吡咯棉導電織物心電電極。

由于短袖式心電衣穿戴較舒適，穿脫方便，外形得體，所以本研究選擇緊身良好，彈性較大的短袖式心電衣作為心電監測輸入端穿戴介質，并使用含有66%聚酯、29%聚酰胺、5%氨綸成分的復合材料來制作心電衣。選取5×4 cm聚吡咯織物電極作為輸入電極，將三個織物電極和硬件系統嵌入心電衣，并通過導聯線和柔細導線引出，其電極位置、接口及心電采集系統實物見圖1。

圖1 心電衣電極實物，電極接口及佩戴圖Fig 1 Distributions of electrodes and system wearing diagram of our ECG system

3 系統設計

本系統采用模塊化設計方法及單導聯三電極結構，結合高分子導電織物電極特點，將柔性織物電極嵌入心電衣來構建舒適良好的可穿戴系統硬件采集平臺，使之具備無擾舒適性的同時，實現心電信號長時間采集、處理和實時心電數據傳輸。其由電極輸入及心電模擬前端電路，數字濾波及控制電路和系統軟件三部分組成，其中數字濾波與控制部分由MCU，開關按鍵，OLED，藍牙，SD卡，電源管理，電池和USB等電路模塊組成。其組成框圖見圖2。受試者穿戴上心電衣，經交流耦合，硬件濾波，多級放大后再經ADC采集，并通過FIR數字濾波來平滑高頻信號影響；通過卷積方法獲得平均心率；通過三次樣條插值來克服因呼吸引起的心電基線漂移及經OLED進行心電波形及心率顯示，為延長續航時間，通過電源管理模塊來實現低功耗管理，并通過藍牙與手機或PC進行無線數據傳輸。

本系統心電模擬前端由緩沖放大，高通濾波，AC交流耦合，前級放大，低通濾波，后級放大等部分組成，其原理圖見圖3。由于心電信號絕大部分能量集聚在0～40 Hz［7］，所以本研究低通濾波器截止頻率為48 Hz，從而去掉了大部分50 Hz工頻干擾，并通過增加右腿驅動電路來降低共模信號對心電信號影響［8］。又由于心電信號噪聲源大都來自肌電及工頻干擾、運動偽跡及呼吸或肢體活動引起的基線漂移，因此，本研究還通過數字濾波方法來去噪和穩幅。

圖3 系統模擬前端電路原理圖Fig 3 The AFE schematic of the wearable ECG system

由于FIR濾波器具有線性相位實現容易、可設計成多通帶濾波器［9］，所以，本研究利用FIR濾波方法來實現數字濾波器頻率響應和設計指標間最小均方誤差的擬合。其避免了直接求最小均方誤差解時數值穩定性問題，大大增強設計靈活性和實用性［9］。由于運動偽跡是心電信號主要干擾源，本研究根據運動偽跡時域瞬態性和生理信號固有周期性特點，采用基于周期元分析方法來抑制運動偽跡。

4 性能測試與分析

當前，電極－皮膚接觸阻抗測量有模擬皮膚測量法，參比測量法，直接測量法等，由于模擬皮膚測量法采用裝有電解液PTEE薄膜來模擬人體皮膚，雖不會因受試者皮膚個體差異而影響測試結果，但不能完全真實反映電極與皮膚的相互作用，又由于后兩種測量均能測試電極與皮膚間阻抗，但參比法測量步驟較直接測量法復雜，且需在嚴格實驗條件下進行［10］，因此，本研究采用直接測量法來測量電極－皮膚間阻抗。

在阻抗測試過程中，采用Keysight高精度電感，電容和電阻測量儀E4980AL－032來對兩種不同電極與皮膚間阻抗進行8 h間斷測量，并在每時刻點測量三次，且使電極與皮膚間壓力均為3.0 kPa。由于90%心電能量集中在0.25～35 Hz，因此，通過E4980AL產生25 Hz，500mV正弦信號作為測試源。其在低頻激勵作用下每個時刻點測量三次，三次平均阻抗測試結果見圖4，結果表明：聚吡咯柔性織物電極及濕電極與皮膚間阻抗均隨監護時間增加而變化，織物電極與皮膚間阻抗在前5 h內緩慢減小，隨后逐漸趨于穩定，而濕電極與皮膚間阻抗在前6 h內顯著增加，從約3 KΩ增加到8 KΩ，隨后趨于穩定。其主要原因是隨著織物電極與皮膚接觸，人體汗腺導致織物電極與皮膚間阻抗變小，而濕電極與皮膚間接觸電阻隨使用時間增加，導電凝膠逐漸干涸，從而導致濕電極與皮膚間阻抗增加。

圖4 兩種電極與皮膚間阻抗變化曲線Fig 4 Impedance variations of two kinds of electrodes for 8 h

為測試系統整體性能，志愿者穿上心電衣，并將心電衣插入本系統模擬前端，志愿者先坐在椅子休息5 min，然后穿上心電衣進行10 min測量，并通過示波器將AFE采集的心電波形進行顯示，示波器實測結果及心電衣見圖5，另外將心電衣上三個織物電極換成Agcl／Ag電極，并用鍍銀導電扣扣緊濕電極，再次進行上述實驗10 min，最后通過MATLAB 2015B對上述所測SD卡中數據進行離線分析，其兩種不同輸入電極心電波形見圖6。從圖6可看到，使用聚吡咯織物電極和濕電極均可測得清晰、完整心電圖，其中P波、T波、QRS波段主波峰明顯，相比于濕電極，聚吡咯織物電極柔軟舒適，但其引入了外界干擾噪聲，根據圖6，聚吡咯織物電極作為輸入電極所測心電波形依然清晰可用，可滿足本系統在信噪比和舒適性均可兼得的設計需求。

圖5 系統穿戴圖、模擬前端輸出、OLED顯示波形圖Fig 5 System wearing diagram，ECG output and ECG waveform

圖6 不同輸入電極時心電波形圖Fig 6 ECG signals collected by two kinds of electrodes

為增加系統兼容性，除通過心電衣進行長時間心電監護外，還可通過鍍銀金屬干電極作為輔助測量方式進行短時間心電檢測，其方法是將心電衣導聯線拔出，并將本系統硬件從心電衣中取出，通過雙手緊貼本系統左右兩個鍍銀金屬干電極來實現心電模擬前端采集，其測量方式及OLED顯示實測結果和波形見圖5，從圖5 OLED顯示波形圖可看出所測心電波形穩定清晰，較好克服了基線漂移和工頻噪聲干擾，其5 min內所測平均心率值為74次／min，為可用正常心率值。此外，上述測量通過插入和拔出心電衣導聯線時，通過檢測不同特征電阻來區分不同測量模式，從而實現智能化心電測量。

為測試本系統準確性和可靠性，選取七名健康成年男性（年齡：26±4歲，身高：170±8 cm，體重：65±10 KG）作為實驗對象。在本實驗中，兩款商業高精度心電采集儀（Heal Force、BodiMetrics）與本系統作比較。測試者穿戴上嵌入聚吡咯織物電極心電衣，坐在椅子上，休息5 min后，同時通過本系統及上述兩款心電測量儀對同一測試者同時進行為期20 min靜態連續測量，七位測試者20 min內平均測量結果見表1。其結果表明：本系統在可穿戴模式下測量的每位測試者平均心率準確率均高于95%，且本系統測量的七位測試者平均心率準確度達98.36%，與Heal Force及BodiMetrics兩監護儀所測得心率值相比均無顯著性差異，表明本系統所測心率值準確可用。

表1 本系統準確性測試Table 1 Accuracy analysis of our proposed wearable ECG detection system

此外，本系統通過310 mAh，3 V鋰電池供電，在穿戴模式下，經納普數字功率計PM9800測試，正常心電采集續航時間約30 h，所測平均功率為29.74 mW，基本滿足系統低功耗長續航需求。

5 結語

本研究設計并實現了一款功耗低，體積小，舒適性良好，兼具兩種不同測量方式的心電檢測系統，不僅可通過心電衣進行長時間心電監護，還可通過手握鍍銀干電極進行短期測量。對不同電極輸入方式對比分析表明：聚吡咯織物電極更適 合以穿戴衣形式進行長時間心電監測，而鍍銀干電極耐用性能好，輸出穩定，適合短時間心電檢測。此外本系統不僅能實時、準確、無擾的對心電進行采集及連續監測，且可較好克服基線漂移和工頻噪聲，其所測心電波形清晰，心率值準確可用。與兩款商用儀所測心率值沒有明顯差異。表明本系統具有較高準確性，特別適合家庭監護中使用，其對阻止心臟疾病發生及對慢性心臟疾病預防具有廣闊應用前景。