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基于容性耦合电极的非接触式心电信号采集系统

王禹寒，谢睿，孙世文，米海宁，丁文彬，李鸿强

（天津工业大学电子与信息工程学院，天津300387）

摘要：心血管疾病是目前世界上发病率和死亡率最高的疾病之一，已经严重威胁到人们的健康。心电图是人体心脏电活动的直观

反映，是目前诊断心血管疾病的重要依据。传统的心电信号采集系统体积较大，操作困难非专业人士难以使用。本文设计的非接触式

电极可以通过由人体皮肤、衣物和电极极面形成的电容，通过耦合方式拾取人体的心电信号，并将处理后的人体心电信号无线发送至

移动终端，实现方便、快捷、舒适的心电监测。研发出一款操作便捷，能够长期实时监测人体心电信号的设备显得尤为重要。

关键词：心电信号；非接触式；耦合电极；电路模型

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.10.112

中图分类号：TN911.7文献标示码：A文章编码：1672-7274（2019）10-0151-02

1引言的空隙，衣物和人体皮肤的角质层都可以等效成并联着的RC单

当今社会，科学技术不断发展，给人们带了更加优越的物质元，每一个RC单元相应的阻抗可以表示为：

生活，同时随着社会发展，人们的生活节奏不断加快。环境的持

续恶化、社会压力激增、人口老龄化程度不断提高，这些因素都

使得我国心血管病发病率上升显著，在未来几年心血管病的发病

人数任将持续增长[1]

。

在心血管疾病的诊断和治疗中，心电图起着关键作用。心电

信号的额长期实时监测，对于心血管疾病的早期预警和治疗都有

[2]

着重要的意义。在传统的临床心电信号检测系统中，被广泛使

用的是Holter心电图检测系统[3，4]。Holter心电图检测系统需要

使用数个Ag-AgCl电极并通过导电膏固定在人体的各个部位，诸

如前胸、手臂和腿部等特殊部位。虽然这种检测系统能够采集到

图1非接触式心电信号采集系统硬件系统框图

较好质量的心电信号，但操作复杂，普通使用者在没有医护人员

帮助的情况下很难正确的操作设备并准确的采集到心电信号。并

且由于导电膏的毒性可能会给使用者带来皮肤红肿或过敏等不良

后果，湿式电极中水分会被人体温度蒸发，随着水分的蒸发采集图2柔性PCB电路

到的心电信号质量会显著降低。因此，采用湿式电极的心电检测电极部分还包括前置放大电路，心电信号前置放大电路采用

系统不适合用于长时间的心电检测。针对此类问题，我们研究出运算放大器的电压跟随原理，增大信号的输入阻抗，降低其输

一种不含导电膏、操作方便的基于容性耦合电极的非接触式心电出阻抗。前置放大电路输入阻抗可达100MΩ，共模抑制比大于

信号采集系统。128dB。其中，人体心电信号相当于电压源V，C是人体皮肤和

ss

柔性织物电极之间的等效耦合电容，心电信号由电压源V发出，

2非接触式心电信号采集系统设计s

经过耦合电容C输入到运算放大器中。R为偏置电阻，为运算

2.1