基于织物电极的非接触式心电信号采集系统研究

发布时间：2017-08-25 02:08

  本文关键词：基于织物电极的非接触式心电信号采集系统研究

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【摘要】：心血管疾病是当今社会中威胁人类生命健康最主要的疾病之一,而心电图是诊断心血管疾病最有效、最方便、最经济的方法。目前,医用临床心电信号采集设备,体积较大,成本较高,不宜移动,操作较为复杂,而且其使用的湿式电极因为导电膏的存在会导致诸如佩戴不方便、导电膏脱水致使所采集的心电信号质量下降等问题。本文基于电容耦合原理研究了一种容性耦合织物电极,并在此基础上设计了一种具有低功耗和高输入阻抗的非接触式心电信号采集系统。该系统由非接触式容性耦合织物电极、心电信号调理电路、心电信号处理电路、电源电路和上位机信号显示模块等五部分组成。采用三维立体机织法以不锈钢丝为材料织造的导电织物作为心电采集电极极面,建立了非接触式心电采集系统中人体皮肤和电极界面的等效电路模型和前端容性耦合电极的电路模型。根据人体皮肤和电极界面的等效电路模型,研究并分析了耦合电极有效面积、人体皮肤和电极之间距离及衣物的材质对耦合电容电容值的影响。通过在耦合电容之后串联电容的方式,使得当圆形电极的直径为2cm,电极与人体皮肤之间的距离达到4mm时,总耦合电容的电容值仍可达到电极与人体皮肤距离为0.1mm时的74.17%,降低了电极与人体皮肤之间距离对耦合电容大小的影响。根据前端容性耦合电极的电路模型,分析了耦合电容的电容值对容性耦合织物电极拾取心电信号的影响,并确定了非接触式容性耦合电极的输出信噪比计算公式。实验部分,本文使用Fluke-ProSim2人体生命体征模拟器对系统信号采集的准确性进行了测试,并分别隔着0.25mm、 0.51mm和0.89mm的棉质衣物对容性耦合电极的有效性进行了测试。结果表明,本文所研究的非接触式心电信号采集系统信号采集准确可靠,使用PCB板容性耦合电极,在隔着0.89mmm厚的棉质衣物时,可有效的采集到人体心电信号中的R波及T波等信息。使用容性耦合织物电极,在隔着0.51mm厚的棉质衣物时,可有效的采集到人体心电信号中的QRS波群及T波等信息。本文所研究的基于织物电极的非接触式心电信号采集系统运用电容耦合原理采集心电信号,具有体积小、重量轻、操作简单、适用于心电信号长期实时采集等优点,电极极面为柔性导电织物,在保证了心电信号采集质量的前提下大大的提高了佩戴的舒适性,使心电信号采集设备能够更好的走进普通家庭,对心血管疾病的防治具有重要意义。
【关键词】：心电信号 非接触式 导电织物 耦合电极 电路模型
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R54;TN911.7
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 论文的研究背景10-12
• 1.1.1 心血管疾病的重大危害10-11
• 1.1.2 心血管疾病的防治措施11-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.2.1 心电信号采集技术的发展现状12-14
• 1.2.2 心电信号采集技术的发展趋势14-15
• 1.3 论文的研究目的和意义15-16
• 1.4 论文的主要研究内容及章节安排16-18
• 第二章 非接触式心电信号采集系统总体方案设计18-26
• 2.1 心电信号基础理论18-21
• 2.1.1 人体心电信号产生的机理18-19
• 2.1.2 人体心电信号的组成19
• 2.1.3 人体心电信号的特点19-20
• 2.1.4 影响人体心电信号采集的因素20
• 2.1.5 心电信号导联体系分析20-21
• 2.2 非接触式心电采集系统的设计原则和功能需求21-23
• 2.2.1 系统的设计原则21-22
• 2.2.2 系统的功能需求22-23
• 2.3 非接触式心电信号采集系统总体结构设计23-25
• 2.3.1 系统硬件结构组成23-24
• 2.3.2 系统软件结构组成24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第三章 基于导电织物的容性耦合电极设计26-38
• 3.1 导电织物的制备26-28
• 3.1.1 导电织物的选材26
• 3.1.2 不锈钢丝导电织物的织造26-28
• 3.2 不锈钢丝导电织物导电性能的测试28-29
• 3.3 非接触式容性耦合电极的分析29-34
• 3.3.1 人体皮肤和电极界面的分析29-31
• 3.3.2 人体皮肤和电极之间耦合电容的分析31-34
• 3.4 非接触式容性耦合电极电路结构的设计34-37
• 3.5 本章小结37-38
• 第四章 非接触式心电信号采集系统硬件电路设计38-50
• 4.1 心电信号调理电路38-43
• 4.1.1 带通滤波器的设计38-41
• 4.1.2 陷波滤波器的设计41-43
• 4.2 心电信号处理电路43-45
• 4.2.1 主控芯片及其外围电路43-44
• 4.2.2 A/D转换芯片及其外围电路44-45
• 4.3 系统电源电路45-48
• 4.3.1 5V稳压及负5V电压发生电路45-46
• 4.3.2 3.3V电压发生电路46-48
• 4.4 本章小结48-50
• 第五章 非接触式心电信号采集系统软件设计50-62
• 5.1 非接触式心电信号采集系统下位机软件50-53
• 5.1.1 Keil uVision 4开发环境50
• 5.1.2 下位机主程序流程图50-51
• 5.1.3 A/D转换子程序设计51-52
• 5.1.4 串口通信子程序设计52-53
• 5.2 非接触式心电信号采集系统上位机软件53-60
• 5.2.1 LabVIEW开发环境53-54
• 5.2.2 上位机主程序流程图54-55
• 5.2.3 串口通信子程序55-56
• 5.2.4 心电信号数据处理子程序56
• 5.2.5 数字滤波和波形显示子程序56-57
• 5.2.6 数据存储及波形回放子程序57-60
• 5.3 本章小结60-62
• 第六章 非接触式心电信号采集系统的实验验证与结果分析62-72
• 6.1 系统测试音信号测试62
• 6.2 系统信号采集准确性测试62-65
• 6.3 PCB板容性耦合电极心电信号采集测试65-67
• 6.4 容性耦合织物电极心电信号采集测试67-69
• 6.5 本章小结69-72
• 第七章 总结与展望72-74
• 7.1 论文工作总结72-73
• 7.2 展望73-74
• 参考文献74-80
• 发表论文和参加科研情况80-81
• 致谢81

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本文编号：734425