基于石墨烯織物電極的七導聯心電監測系統

李瑞凱， 李瑞昌， 朱 琳， 劉向陽

(1. 河北大學 質量技術監督學院， 河北 保定 071000； 2. 河北大學 附屬醫院， 河北 保定 071000； 3. 河北工業大學 經濟管理學院， 天津 300401； 4.廈門大學 海洋與地球學院， 福建 廈門 361005)

我國心血管病死亡人數占城鄉居民總死亡人數的首位[1]，而心電信號實時監測是患者心臟狀態最直接有效的預警方式，可穿戴式心電監測設備將成為未來居家醫療的重要組成部分[2]。據英國心臟基金會調查，87%的人對心臟疾病認識不足，意識不到病發癥狀，從而，延誤了治療的最佳時期。目前，醫院使用的心電圖機和動態心電圖機(Holter)普遍存在便攜性不足或實時性不足的缺陷。可穿戴式心電監護設備因其在舒適性、便攜性、實時性等方面的突出優勢而成為關注熱點[3]。

目前臨床通用的心電電極為一次性Ag/AgCl凝膠電極，該電極通過導電膏和凝膠與皮膚直接接觸，長期使用會造成皮膚一定程度的過敏。同時，隨著使用時間的延長該電極逐漸脫水，阻抗明顯增大，采集的心電信號質量隨之下降，不適合于心電信號的長期檢測，因此，國內外的學者現今均致力于新型心電電極的研發。

現有的穿戴式監測設備形態上大致分為手環(小米、華為手環等)、手表(蘋果、華為等)[4]、胸帶(天鵬宇、博能)、背心(阿木)、粘貼式單導聯心電監護儀(果實健康、樂普)等[5]。其中，手環、手表通過光反射與吸收原理測定血氧濃度和心率，而并非真正意義的心電，因此不能獲得具有醫學參考價值的心電信號[6]。胸帶、背心等產品多數僅測試單導聯心電，而單導聯心電數據用于心臟疾病的分析非常有限[7]，因此突顯了多導聯心電精準監測的必要性[8]。然而，導聯數越多，需要連接的導聯線越多，對佩戴者動作幅度范圍及姿態的要求越嚴格，增加了穿戴式多導心電監測的難度[9]，這也是市場上家用單導聯心電設備很多但三導聯及以上導聯心電設備較少的原因[10]，因此，具備低功耗、可穿戴、舒適性及數據準確性的多導聯心電監測設備的設計已成為科研人員的研究重點[11-12]。

針對以上問題及現狀，本文設計了一套基于石墨烯織物電極的七導聯穿戴式心電監測系統，并進行了功耗測試和多使用場景測試。該設備具備功耗低和可長期穿戴的優勢，能夠在常規場景中采集得到穩定并準確的心電信號。

1 穿戴式心電衣設計

七導聯穿戴式心電監測系統主要由心電衣主體、石墨烯織物電極、七導聯心電采集終端以及手機應用程序(APP)組成。本文選擇棉/T400(95/5)高彈面料，T400纖維是由聚對苯二甲酸丙二醇酯/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PTT/PET)雙組分并列復合的一種彈性纖維。以塑身衣方式設計而成的心電衣，衣服本身與人體肌肉能夠很好的貼合，有利于電極與人體的良好接觸，進行精準測量。該面料具備高彈、舒適、柔軟、吸濕快干、不易變形等特點，心電衣可通過衣服本身的塑身壓力減少摩擦等外部干擾，制成具備吸濕排汗、冰涼觸感、舒適的緊身心電衣，在一定程度上減少了活動中因衣服形變造成的噪聲干擾。

該系統采用石墨烯織物電極[13]代替Ag/AgCl電極進行心電信號采集，該電極具有阻抗低、舒適、透氣的優點，既保證石墨烯織物電極采集心電信號的質量，又不會因長期測試對測試者造成不適。

心電采集終端通過采集電路進行信號的采集、放大及濾波等處理，再通過藍牙[14]將采集的心電數據發送至APP端進行心電波形的實時顯示。穿戴式心電衣整體系統設計如圖1所示，顯示了心電衣實物圖(標有對應人體正面石墨烯織物電極所對應的粘貼位置)和硬件電路設計系統框圖。采集終端分別由ADS1293心電采集前端、CC2541低功耗藍牙、XC6206電源管理電路及鋰電池4部分組成, ADS1293心電采集前端和CC2541低功耗藍牙之間通過串行外設接口(SPI)總線連接，進行數據交互。

圖1 穿戴式心電衣整體系統設計圖

2 石墨烯織物電極制備與性能

2.1 石墨烯織物電極的制備

Ag/AgCl凝膠電極作為濕電極的一種，在穿戴式心電監測使用中存在諸多限制，例如：不支持長期、多次使用，有一定的生物毒性，頻繁使用會對部分敏感皮膚造成一定的影響。為了克服凝膠電極的上述缺點，基于石墨烯的良好導電性和生物相容性，本文設計了一種適合長期佩戴及多次使用的耐摩擦石墨烯織物柔性電極[15]。首先配制質量濃度為5 mg/mL的氧化石墨烯水溶液，將布氏漏斗安裝在抽濾瓶上，然后將滌綸織物(全滌坯布，晉州市某面料廠)蓋于布氏漏斗底部，打開真空泵進行抽濾，使布氏漏斗中壓力保持為2.0 mPa，之后將氧化石墨烯水溶液慢慢傾倒在滌綸織物上，最后直至完成抽濾并重復進行多次。滌綸織物的形狀還可以設置為圓形、橢圓形、多邊形或其他所需的圖案。將吸附氧化石墨烯的滌綸織物置于真空烘箱中，于50 ℃干燥3 h，得到氧化石墨烯/滌綸導電復合物。將氧化石墨烯/滌綸導電復合物浸漬于0.17 mol/L的NaBH4(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)的水溶液中，在室溫下緩慢攪拌1 h，然后將浸漬NaBH4后的氧化石墨烯/滌綸導電復合物取出水洗，在真空烘箱中于50 ℃下干燥3 h，得到石墨烯織物電極[16]，石墨烯電極結構示意圖及實物圖如圖2所示。該電極使用過程中舒適、透氣并可長期多次使用,解決了現有商用凝膠電極長期使用過程中存在的阻抗衰減問題。

圖2 石墨烯電極結構示意圖及實物圖

2.2 石墨烯織物電極性能

為研究石墨烯織物電極的頻率-阻抗特性，本文測試比較了石墨烯織物電極與商用Ag/AgCl凝膠電極的本征阻抗，2種電極的頻率-阻抗響應曲線如圖3所示。Ag/AgCl電極本征阻抗隨著頻率改變，呈現容性阻抗。石墨烯電極在整個測量頻率內具有平坦的阻抗曲線，呈現阻性阻抗，阻抗約為100 Ω，具備較好的導電性。

圖3 石墨烯織物電極和Ag/AgCl電極頻率與阻抗關系

為了評估電極在長期連續測試中的性能，本文安排測試者連續佩戴石墨烯織物電極7 d，并在每天固定時間段進行心電信號采集及信號質量評價。表1示出7 d連續心電信號電壓幅值和信噪比。可以看出，連續佩戴7 d的石墨烯織物電極采集的心電信號平均信噪比約為29.35 dB，隨著使用天數增加未出現性能衰減。

表1 石墨烯電極連續7 d心電信號監測幅值和信噪比

3 心電采集終端設計與實現

3.1 ADS1293集成模擬前端電路設計

心電采集前端基于德州儀器(TI)公司生產的ADS1293芯片進行設計[19]。ADS1293芯片具備高集成度及低功耗的特點，能夠提供3通道、24位高分辨率的數字心電圖，不用經過2次濾波、放大即可得到滿足心電信號采集分辨率的要求，在縮小電路板空間和降低系統采集電路功耗方面表現出了優異的性能。該芯片有4個差分信號輸入端口，并集成了3個差分放大器，1個威爾遜基準端[20]，每路差分放大器后都對應有1組調制器和數字濾波器，通過硬件調制及數字濾波，使輸出的心電信號達到采集范圍并具備更高的信噪比。

3.2 CC2541電路設計

微處理器(MCU)采集及藍牙發送基于TI公司生產的CC2541進行設計。CC2541是具有低功耗8051微控制器內核的2.4 GHz低功耗藍牙芯片。該芯片支持250 kbps、500 kbps、1 Mbps以及2 Mbps的數據速率，高達1 mW的可編程輸出功耗以及出色的接收器靈敏度。該芯片針對8051微控制器內核配備128/256 kB的系統內可編程閃存、8 kB的隨機存取存儲器(RAM)、5通道直接內存訪問(DMA)、3個通用寄存器以及串口、模數轉換器(ADC)、集成電路總線(IIC)、串行外設接口(SPI)等硬件接口，實現了使用1片芯片完成數據采集、處理、發送等工作。本文選用CC2541芯片作為MCU使心電采集終端進一步降低了功耗、提高了集成度、增加了穩定性[21]，具有較強的創新性。

4 功能設計

4.1 心電監測終端軟件設計

心電監測終端軟件基于操作系統抽象層(OSAL)及低功耗藍牙(BLE)軟件系統架構設計。操作系統抽象層支持多任務運行，可以理解為輕量級操作系統；低功耗藍牙協議棧即BLE協議的實現代碼。BLE協議棧主要是對用戶應用數據進行層層封包，以生成滿足BLE協議的空中數據包。在該心電監測終端設計中，基于CC2541芯片的硬件結構，通過OSAL系統調配硬件資源，采集心電數據，并將心電數據通過BLE協議棧發送至顯示APP端。

4.2 顯示APP設計

手機端顯示APP基于AndroidStudio開發工具開發和調試完成，該應用程序運行流程圖如圖4所示。啟動該應用后，首先檢測手機藍牙是否開啟，確認藍牙開啟后，然后進行登錄認證，即可瀏覽歷史數據和心電實時檢測，該APP在心電波形實時檢測時，數據顯示、數據處理及數據上傳3個進程同時運行。

圖4 APP設計流程圖

心電采集終端采集到Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ1共3個導聯波形數據，其中Ⅰ、Ⅱ導聯為肢體導聯，Ⅴ1導聯為胸部導聯。其余Ⅲ、aVR、aVL以及aVF 4個導聯由Ⅰ、Ⅱ導聯運算得出，其中Ⅲ導聯為肢體導聯，aVR、aVL以及aVF導聯為加壓單極肢體導聯。依據常規心電12導聯體系，Ⅰ導聯為左上肢與右上肢之間的電位差，Ⅱ導聯為左下肢與右上肢之間的電位差，Ⅴ1導聯為胸部右緣第4肋間與肢體導聯均值的電位差，Ⅲ導聯為左下肢與左上肢之間的電位差，aVR導聯為負的Ⅰ、Ⅱ導聯之和的均值電位差，aVL導聯為Ⅰ導聯與二分之一倍的Ⅱ導聯的電位差，aVF導聯為Ⅱ導聯與二分之一倍的Ⅰ導聯的電位差。根據上述心電導聯生成原理，Ⅲ、aVR、aVL以及aVF導聯心電波形運算公式如下：

Ⅲ=Ⅱ-Ⅰ

(1)

(2)

(3)

(4)

5 系統測試與實驗驗證

首先對系統進行功耗測試，使用泰克型號為2200-20-5的直流電源對心電采集終端以3.7 V恒壓供電，耗電電流為1.95 mA。結果表明，使用容量為250 mA·h鋰電池理論供電時長可達5 d，能夠滿足長期監測需求。

隨后對測試者在穿戴心電監測設備時進行不同測試場景的實時心電監測。由于本設備的受眾為心臟病患者，根據心臟病患者不宜劇烈運動的特征，將測試狀態分為靜息和靜息自汗2種狀態，將測試場景分為靜息、步行、慢跑3個場景。

圖5為實時測試APP波形圖，該圖縱坐標表示對應導聯幅值的量化值，橫坐標表示開始采集后采集數據量對應關系，將對應導聯數據采樣至100 Hz顯示到手機屏幕上，即橫坐標基本單位為10 ms。2種測試狀態中，在靜息狀態下，測試波形最好，信噪比為25.80 dB,由皮膚阻抗、工頻干擾等其他外部因素造成的雜波已被完整濾除[22]。在靜息自汗狀態下，心電信號信噪比為24.20 dB，因汗液包含多種成分，可導電，石墨烯織物電極在汗液環境下，阻抗不會大幅升高，信噪比沒有明顯的下降。在靜息、步行和慢跑3個測試場景中，步行和慢跑環境下測試的心電波形噪聲較大，信噪比分別為18.32、15.83 dB，造成該信噪比下降的原因是衣物和皮膚摩擦、肌肉活動以及呼吸引起的胸腹的收縮，經小波變換、巴斯沃通濾波和帶通濾波等算法，該類噪聲能夠有效濾除，信噪比提升[23-25]。

圖5 不同場景APP實時心電圖

6 結 論

本文設計了一款基于石墨烯織物電極的七導聯心電監測系統，該系統的心電衣是采用棉/T400高彈面料以塑身衣方式設計而成，能夠有效降低電極因接觸問題引入的噪聲。石墨烯織物電極通過連續7 d的佩戴，信噪比為29.35 dB；隨佩戴天數的增加，信噪比未出現衰減；相比Ag/AgCl電極，其透氣且有較好的生物相容性，不會對皮膚造成過敏反應。七導聯心電采集設備使用250 mA·h鋰電池供電能夠實現連續5 d的心電信號的實時監測，在靜息自汗狀態下，采集的心電信號信噪比為25.80 dB，為心電信號的處理及分析提供可靠的數據源。該系統可在不影響被測者日常生活的前提下進行實時采集，獲取高信噪比的心電信號，可應用于居家心臟康復相關的實時監護以及心臟疾病的遠程監護與早期預警。