柔性非接触生理电信号检测技术研究

发布时间：2020-09-04 08:13

　　慢性病已成为我国城乡居民死亡的主要原因,我国确诊慢性病患者近3亿人,其主要体现在对脑、心、肾等重要脏器的功能损害,影响劳动能力和生活质量。随着生活方式的变化,近年来慢性病发病率呈快速上升和年轻化趋势。ECG、EEG等人体生理电信号含有丰富的人体生理信息,反映着各项生理状况,早已被医学临床诊断和科研领域广泛应用于疾病诊断和病理研究等。因此,对生理电信号进行实时的检测和分析可以提前准确分析人体各脏器的状况,实现对相关慢性疾病的早发现、早预防、早治疗以及康复管理,可以大大改善患者生活质量,减少慢性病死亡率。传统生理信号检测采用的电极体积大、检测时需要与人体肌肤接触且必须涂导电膏,只能在特定的专业场合使用,不利于生理电信号的实时、快速和移动检测。针对现有生理信号检测电极的不足,本文提出了一种低负荷生理电信号检测技术,设计了一款柔性非接触电极,利用该电极可以隔着头发甚至衣物实现对人体生理电信号的非接触测量,操作简单、使用方便、被测者没有任何负担,为生理电信号的长期低负荷监护提供了一种新的方法。本研究制作了三种不同结构的电极,并通过实验对比优化了电极结构,实现了一款柔性非接触电极。非接触电极基于电容耦合原理,利用电极的金属感应层通过皮肤和电极间的等效电容器耦合人体生理电信号。由于其不需要与皮肤直接接触,克服了传统湿电极在便携式和长时间测量上的不足。设计了相关实验对非接触电极进行性能测试,并且探讨了绝缘层参数对非接触电极信号采集的影响,针对不同绝缘层材料、绝缘层厚度两个因素设计了相关实验研究和分析,探寻了非接触式ECG信号检测的最佳条件。对改进后的硬板和软板非接触电极进行了一系列实验研究,通过与标准湿电极测量波形进行对比,验证了本文提出的柔性非接触电极的可行性及稳定性。从实验结果来看,与传统的电极技术相比,该柔性非接触检测技术在不直接接触受试者皮肤的条件下,能够获得与标准湿电极高度吻合的生理电信号。根据柔性非接触电极的特点,设计了相应的信号采集模块、WIFI数据无线传输模块,基于MATLAB设计了交互界面,构建了基于柔性非接触的生理电信号测量系统。经非接触电极拾取的电信号经信号采集模块进行采样,获得的信号通过WIFI模块与计算机通信,计算机通过MATLAB软件编程实现对信号的实时采集、显示、原始数据存储和离线数据分析等。该技术测量过程中使用方便、操作简单、实验过程无负担,为受试者的便携、低负荷和实时生理电信号监护提供了技术基础。
【学位单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH776
【部分图文】：

示意图,电极,示意图,皮肤

以确保皮肤与电极间良好的电气接触，如图 1.1 示固定在特定的临床检测标准位置，减小电极和皮肤。除此之外，湿电极还有电位稳定、电极阻抗低、噪广泛用于临床和科研中的体表生理电信号的记录，如刺激神经传递电流电极等[4~7]。

电路图,非接触测量

图 1.2 非接触测量系统的设计Kim 等人在这一领域做出了重要贡献[16]，扩展了对电容式应用，特别指出，只要使用适当的屏蔽和接地技术，可获得很好的源接地在降低线路噪声方面非常有效。值得注意的是，对于真有源接地也可以是电容性的。这种额外的共模抑制在输入阻抗，T J.Sullivan 等提出了一种集成的、低噪声的非接触 ECG、统的稳定性较差，当电极与人体相对位置有微小变化时，测量扰；加州大学圣地亚哥分校 Gert Cauwenbergh 课题组对非接[21~25]，对各种接触和非接触电极技术进行了系统的比较，通过计电路图，实现了一款非接触式的 ECG 检测背心和 EEG 检测和处理电路集成到同一块 PCB 板上，做成了一体化设计的电中，受试者只需要穿上背心或者将绷带戴在头部即可随时随地项装置仍局限于实验室研究阶段，同时，所测信号的运动伪影过非接触电极的信号耦合实际上由源阻抗的电阻部分支配，这

波段,频带,接触噪声,等效输入噪声

体产生的 ECG 信号随机性较强，没有统一的干扰。人体的 ECG 信号本身非常微弱，属于低率在 0.05-100Hz 之间。属于复杂电磁噪声环境下干扰，这些干扰主要有：由呼吸运动引起基线漂 EMG 干扰（约 0~100Hz）等。EMG 干扰是高频号的持续时间只有 50ms 左右，在时域中 ECG外的工频及其各次谐波、电极接触噪声、电极移设备所产生的高频噪声等，这些干扰还可能与统的环境噪声、滤除干扰，保留高质量的原始计的非接触电极片应该具有高输入阻抗，高共模力同时放大器的等效输入噪声要小。的典型波形特征。根据 ECG 信号的特征波形可 P 波段、QRS 波段、T 波段和 U 波段等几个时间段波形特征如表 2.1 所示。为避免 ECG 信作频带应大于 ECG 信号有用信息的频带（0.0

【参考文献】