一种抗干扰心电检测系统、检测方法、专用柔性石墨烯电极及其制备方法与用途与流程

本发明涉及一种个人健康监护及医疗电子设备，具体地说是涉及一种抗干扰心电检测系统、检测方法、专用柔性石墨烯电极及其制备方法与用途。

背景技术：

心电信号直接反应心脏的工作状态，异常的心电信号随机出现，时间不固定，且持续时间较短。现有临床心电图机每次检查仅持续数分钟，信息量非常有限，难以有效的捕捉异常心电信号。动态心电图能够持续记录心脏状况，是发现心脏异常活动的重要依据。在日常生活中，利用可穿戴心电监护设备，在不妨碍日常工作和生活的情况下，佩戴者可以在家中、工作岗位以及户外旅行中随时随地检测心电信号，及时关注自己的心脏状态，有助于尽早发现心脏异常状况，给医生的诊断提供重要的数据。这是现代医学检测发展的必然趋势，同时，对于社会的老龄化及社区医疗水平有限等社会问题也给出了有效的解决方案，具有实用性。

现有的商用ag/agcl心电电极存在生物毒性，不适宜长时间佩戴，并且电极面与皮肤采用导电凝胶粘接，牢固性差，容易脱落，人体运动对心电信号会产生较大干扰；此外，随着使用时间增长，导电凝胶会脱水干涸，导电性变差，信号幅值衰减严重。因此，需要开发生物兼容性好、导电性能稳定的心电电极及实时心电监测系统。

专利cn104452309a公开了一种化学镀银的导电织物的制备方法，其利用织物上已经生成的聚苯胺引发金属银的生成，从而得到导电织物，但该制备方法会排放大量废水，不利于环境保护。专利cn105286855a公开了一种干性心电电极的制备方法，利用弹性pdms基底制备生物兼容性好的心电电极，但是舒适性及透气性有待进一步提高。专利cn104739403a公开了一种石墨烯纳米墙柔性心电电极及其制备方法，该方法在金属表面沉积石墨烯，不容易把石墨烯转移到柔性衬底上。专利cn105088749a公开了一种采用浸渍-烘干的方法在棉织物纤维表面覆盖氧化石墨烯，再将氧化石墨烯还原为石墨烯，从而得到石墨烯/棉布柔性导电织物，但该方法中的浸渍-烘干过程需要重复几十次，制备方法复杂，且石墨烯仅覆盖于棉织物纤维的表面，若制成电极，在穿戴清洗后，导电性能迅速降低，使用寿命较短。

此外，心电电极与皮肤之间存在接触电阻，人体心跳、呼吸及肢体运动都会导致检测电极与皮肤之间接触阻抗的变化，对心电信号探测产生严重的干扰，会导致心电信号基线漂移，影响了心电信号的稳定性和可靠性，不利于医生对病人健康状况的准确评估。专利cn104490387a及cn101422362a公开了抑制运动伪差的心电检测系统，然而上述专利均需要激励电路实现接触阻抗的测量，系统复杂并且测量频带有限。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种抗干扰心电检测系统，以解决现有便携采集终端心电检测容易受运动伪迹干扰，心电信号漂移严重，抑制干扰的系统复杂，不易实现等问题。

本发明的目的之二是提供一种抗干扰心电检测方法，以提供一种可去除运动伪迹的心电检测方法，得到平稳心电信号。

本发明的目的之三是提供一种抗干扰心电检测系统专用柔性石墨烯电极，以解决需要多种类型传感器才能采集不同类型的信号，及现有穿戴式柔性电极生物兼容性差、舒适性及透气性差，使用寿命短等问题。

本发明的目的之四是提供一种柔性石墨烯电极的制备方法，以采用简便的方法制备生物兼容性好、使用寿命长的柔性石墨烯电极。

本发明的目的之五是提供一种柔性石墨烯电极的用途，用于抗干扰心电检测系统中运动伪迹信号的检测，通过算法处理去除心电信号中的运动伪迹信号，得到稳定、可靠的心电信号。

本发明的目的之一是这样实现的：

一种抗干扰心电检测系统，包括：

柔性石墨烯电极，其经负压沉积附着有石墨烯材料的海绵层在加装扣件并连接心电导联线后制成，分为第一电极和第二电极，所述第一电极用于探测人体心电信号，所述第二电极用于探测其与人体皮肤间的接触电阻，第一电极和第二电极固定位置相邻；

心电信号采集处理模块，其与所述第一电极相接，用于采集人体心电信号；

阻抗测量模块，其与所述第二电极相接，用于测量所述第二电极在所受的外部压力发生变化时其本征阻抗的对应变化情况，并据此计算得到运动伪迹信号；以及

信号处理模块，分别与所述心电信号采集处理模块和所述阻抗测量模块相接，用于将所述心电信号与运动伪迹信号协同处理，以去除心电信号中的运动伪迹，并将处理后的心电信号存储或传输。

所述心电信号采集处理模块包括：

心电信号采集电路，分别与所述第一电极和信号放大电路相接，用于通过第一电极采集人体心电信号；

信号放大电路，分别与所述心电信号采集电路和滤波处理电路相接，用于对采集的人体心电信号进行放大处理；

滤波处理电路，分别与所述信号放大电路和模数转换电路相接，用于对经放大处理后的人体心电信号进行滤波处理；以及

模数转换电路，分别与所述滤波处理电路和所述信号处理模块相接，用于将滤波处理后的人体心电信号转换成数字信号后输出到信号处理模块。

所述阻抗测量模块包括：

接触阻抗测量电路，分别与所述第二电极和曲线拟合电路相接，用于测量第二电极在受到外部压力变化时的本征阻抗的变化情况；以及

曲线拟合电路，分别与所述阻抗测量电路和所述信号处理模块相接，用于对所测得的本征阻抗的非线性变化信号进行运算，以得到运动伪迹信号。

本发明的目的之二是这样实现的：

一种抗干扰心电检测方法，包括如下步骤：

（a）将柔性石墨烯电极固定到弹性紧身衣或胸带上，令受检者穿上该弹性紧身衣或束上该胸带，使柔性石墨烯电极与人体表面皮肤接触良好，以减少接触电阻；

（b）将柔性石墨烯电极中的第一电极和第二电极分别调整到人体的心电信号测量位置处，通过测量人体运动过程中柔性石墨烯电极的本征阻抗随时间的变化情况，建立压力-阻抗特性曲线，计算得到人体与柔性石墨烯电极的接触力变化波形，从而得到人体运动状态波形；

（c）通过柔性石墨烯电极和心电信号采集电路采集人体表面的心电信号，所采集的心电信号经信号放大电路的放大和滤波处理电路的滤波处理后，再经模数转换电路转化为数字信号并缓存；

（d）通过柔性石墨烯电极和接触阻抗测量电路测量柔性石墨烯电极的阻抗；利用柔性石墨烯电极的本征阻抗随所施加外界压力变化的特性，通过电极阻抗检测而提取人体运动状态信号；通过曲线拟合电路将接触阻抗测量电路所测得的阻抗信号进行运算，得到运动伪迹信号的曲线；

（e）通过信号处理模块将所采集的心电信号与运动伪迹信号协同处理，去除心电信号中的运动伪迹信号，并将处理后得到的平稳心电信号进行存储或者上传到远程服务器进行心电信号的异常分析等智能分析。

本发明的目的之三是这样实现的：

一种抗干扰心电检测系统专用柔性石墨烯电极，通过将石墨烯材料经负压沉积附着在海绵层上，得到石墨烯-海绵导电复合物，在所述石墨烯-海绵导电复合物上加装有扣件，心电导联线通过所述扣件固定连接在所述石墨烯-海绵导电复合物上。

所述扣件包括用绝缘材料制成的第一卡扣和用金属材料制成的第二卡扣，所述第一卡扣穿过石墨烯-海绵导电复合物与所述第二卡扣相互扣合，并且，所述第一卡扣用于将石墨烯-海绵导电复合物固定到弹性紧身衣或胸带上，所述第二卡扣用于实现石墨烯-海绵导电复合物与心电导联线的固定连接。

本发明的目的之四是这样实现的：

一种柔性石墨烯电极的制备方法，包括如下步骤：

（a）以海绵层作为过滤介质，采用真空抽滤法将氧化石墨烯水溶液中的氧化石墨烯附着在柔性海绵层的表面及孔道内部，经干燥后得到氧化石墨烯-柔性海绵复合物；

（b）在搅拌条件下，将得到的氧化石墨烯-柔性海绵复合物浸渍于化学还原剂溶液中，经水洗、干燥后得到石墨烯-柔性海绵导电复合物；

（c）采用步骤（b）所得石墨烯-柔性海绵导电复合物制得可固定到贴身衣物上的柔性石墨烯电极。

步骤（a）中，氧化石墨烯水溶液的浓度为4~6mg/l；干燥方式是将吸附氧化石墨烯的柔性海绵置于真空烘箱中，于40~80℃下干燥3~10h。

步骤（b）中，所述还原剂是浓度为0.15~0.20mol/l的nabh4水溶液；搅拌条件是在室温下缓慢搅拌10h；干燥方式为将水洗后的氧化石墨烯-海绵复合物放置于真空烘箱中，于40℃~80℃干燥3~10h。

本发明的目的之五是这样实现的：

一种柔性石墨烯电极在抗干扰心电检测系统中的应用，以采集人体心电信号及运动伪迹信号，并于同期心电信号中去除运动伪迹信号。

本发明的抗干扰心电检测系统及检测方法可实时检测佩戴者在运动状态下的心电信号及电极-皮肤接触阻抗，得到运动伪迹信号，信号传输稳定，噪声小；通过信号运算处理，克服了运动伪迹对于心电信号的干扰，得到平稳的心电信号，保障了心电检查结果的实时性、准确性及可靠性；所采集、处理的信号可自动保存到便携终端或上传到远程服务器，为后续的智能诊疗提供合理数据。

本发明的柔性石墨烯电极经由负压将石墨烯附着于海绵层的表面及孔道内部，形成三维立体导电网络，改善了电极接触性，则人体运动时对石墨烯电极产生摩擦及接触力的改变可引起柔性石墨烯电极本征阻抗发生变化，检测其阻抗变化即可实现运动状态检测；同时，该电极在较宽的频带内具有稳定的阻抗，心电信号频率响应好。

本发明采用氧化石墨烯为原料，通过真空抽滤法制备了氧化石墨烯-柔性海绵导电复合物，将氧化石墨烯更均匀、牢固地附着到柔性海绵的表面和孔道内，减少摩擦损耗，然后利用还原法得到石墨烯-柔性海绵导电复合物，采用卡扣等连接件将石墨烯-柔性海绵导电复合物制成可固定至贴身衣物的柔性石墨烯电极。本发明制备流程简单，石墨烯基底材料柔软，对皮肤无刺激，生物兼容性好，克服了传统ag/agcl电极的生物毒性，便于用户长期穿戴，且可反复多次清洗，使用寿命长。

附图说明

图1是抗干扰心电检测系统的结构示意图。

图2是所制备的柔性石墨烯电极的本征阻抗图。

图3是所制备的柔性石墨烯电极的电极压力-阻抗图。

图4是所制备的柔性石墨烯电极的结构示意图。

图5是穿戴式抗干扰心电检测紧身衣的结构示意图。

图6是穿戴式心电检测胸带的结构示意图。

图7是柔性石墨烯电极采集到的受运动干扰的心电信号波形。

图8是柔性石墨烯电极采集到的运动伪迹信号。

图9是采用本发明的抗干扰心电检测系统所得到的动态心电信号波形图。

图中，1、柔性石墨烯电极，11、第一卡扣，12、石墨烯-柔性海绵导电复合物，13、第二卡扣，14、第一电极，15、第二电极，2、心电导联线，3、心电信号采集处理模块，31、心电信号采集电路，32、信号放大电路，33、滤波处理电路，34、模数转换电路，4、阻抗测量模块，41、接触阻抗测量电路，42、曲线拟合电路，5、信号处理模块，6、心电信号采集处理终端。

具体实施方式

下面结合实施例进一步详细说明本发明，但不以任何形式限制本发明。

下述实施例中所用试剂均为分析纯或化学纯，且均可市购或通过本领域普通技术人员熟知的方法制备。下述实施例均实现了本发明的发明目的。

如图1所示，本发明的抗干扰心电检测系统包括柔性石墨烯电极1、心电信号采集处理模块3、阻抗测量模块4及信号处理模块5。

柔性石墨烯电极1是经负压沉积附着有石墨烯材料的海绵层在加装扣件并连接心电导联线2后制成，分为第一电极14和第二电极15，第一电极14用于探测人体心电信号，第二电极15用于探测其与人体皮肤间的接触电阻，第一电极与第二电极的固定位置相邻。

心电信号采集处理模块3用于采集人体心电信号，其包括心电信号采集电路31、信号放大电路32、滤波处理电路33及模数转换电路34。心电信号采集电路31一端与第一电极14相接，另一端与信号放大电路32相接，用于通过第一电极31采集人体心电信号。信号放大电路32另一端与滤波处理电路33相接，用于对采集的人体心电信号进行放大处理。滤波处理电路33另一端与模数转换电路34相接，用于对经放大处理后的人体心电信号进行滤波处理。模数转换电路34另一端与信号处理模块4相接，用于将滤波处理后的人体心电信号转换成数字信号后输出到信号处理模块5。

阻抗测量模块4用于测量第二电极15在所受的外部压力发生变化时其本征阻抗对应的变化情况，并据此计算得到运动伪迹信号，其包括接触阻抗测量电路41和曲线拟合电路42。接触阻抗测量电路41的一端与第二电极15相接，另一端与曲线拟合电路42相接，用于测量第二电极在受到外部压力变化时的本征阻抗的变化情况。曲线拟合电路42的另一端与信号处理模块5相接，用与对所测得的本征阻抗的非线性变化信号进行运算，以得到运动伪迹信号。

信号处理模块5分别与心电信号采集处理模块3和阻抗测量模块4相接，用于将所述心电信号与运动伪迹信号协同处理，以去除心电信号中的运动伪迹，并将处理后的心电信号存储或传输到服务器进行进一步智能分析处理，如进行心电信号的房颤、早搏等异常分析。

实施例1

配置浓度为5mg/ml的氧化石墨烯水溶液，将布氏漏斗安装在抽滤瓶上，然后将厚度为5mm，形状为圆形，直径为20mm，密度为25kg/m³的柔性海绵覆盖于布氏漏斗底部，打开真空泵进行抽滤，使布氏漏斗中保持负压为2.0×10⁴pa，之后将浓度为5mg/ml的氧化石墨烯水溶液慢慢倾倒在柔性海绵上，直至完成抽滤。柔性海绵的形状还可以设置为圆形、椭圆形、多边形或其他美观的图案。将吸附氧化石墨烯的柔性海绵置于真空烘箱中，于50℃下干燥3h，得到氧化石墨烯-柔性海绵复合物。将氧化石墨烯-柔性海绵复合物浸渍于0.17mol/lnabh4的水溶液中，在室温下缓慢搅拌10h，然后将浸渍nabh4后的氧化石墨烯-柔性海绵复合物取出水洗，在真空烘箱中于50℃下干燥3h，得到石墨烯-柔性海绵导电复合物。将石墨烯-柔性海绵导电复合物粘贴于卡扣上，即可得到柔性石墨烯电极，以便于柔性石墨烯电极与贴身衣物的固定。

图2比较了本发明的柔性石墨烯电极与传统ag/agcl电极本征阻抗，从图中可以看出，石墨烯电极在整个测量频率内具有平坦的阻抗曲线，呈现纯阻性阻抗，而ag/agcl电极本征阻抗随着频率改变，呈现容性阻抗，对不同频率心电信号频率响应不同。

图3示出了本发明的柔性石墨烯电极本征阻抗随外界压力变化特性。从图3中可以看出，施加的压力越大，石墨烯-柔性海绵电极的孔隙越小，电导率越高，本征阻抗越低。通过拟合所采集的数据即可得到柔性石墨烯电极的压力-阻抗关系曲线。

将柔性石墨烯电极固定到心电信号测量位置附近，人体运动会引起接触压力的变化，从而使石墨烯-柔性海绵导电复合物受压力产生形变，海绵网格间隙减小，接触面积增加，导电性增加，进而导致本征阻抗减小。因此，柔性石墨烯电极的阻抗变化信息可以反映人体与电极的接触力大小，测量人体运动过程中石墨烯电极的本征阻抗随时间的变化，即可根据图2的压力-阻抗曲线计算得到人体与电极的接触力变化波形，从而得到人体运动状态波形。

实施例2

图4示出了柔性石墨烯电极1的结构示意图，包括第一卡扣11、石墨烯-柔性海绵导电复合物12及第二卡扣13。第一卡扣11由绝缘材料聚氯乙烯制备而成，第二卡扣13由金属材料铜制备而成，第一卡扣11穿过石墨烯-柔性海绵导电复合物12。且和第二卡扣13相配合，共同将石墨烯-柔性海绵导电复合物12固定到弹性紧身衣（如图5所示）或胸带（如图6所示）上，使柔性石墨烯电极1与人体表面皮肤接触良好。此外，第二卡扣13可与通用电极导联线连接，方便柔性石墨烯电极的更换。心电导联线2采用扣式导联线，以便于与柔性石墨烯电极的连接与分离。心电导联线2通过第二卡扣13固定连接在石墨烯-柔性海绵导电复合物12上。

本发明抗干扰心电检测系统中的柔性石墨烯电极包括第一电极14和第二电极15，具有多个数据通道，能够同时采集心电信号及电极的本征阻抗随所施加外界压力改变的变化。

心电信号采集处理模块3中的心电信号采集电路31采用12位采样精度单片机msp430f149；信号放大电路32采用低噪声集成放大器，优选地，采用ad8232集成信号调理模块；滤波处理电路33采用低通及50hz陷波滤波器；模数转换电路34采用12位采样精度单片机msp430f149实现心电信号的模拟-数字转换及存储。

阻抗测量模块4利用柔性石墨烯电极的本征阻抗随所施加外界压力变化的特性，通过电极阻抗检测而提取人体运动状态信号。接触阻抗测量电路41采用ad5933阻抗测量芯片，曲线拟合电路42用以将接触阻抗测量电路所测得的阻抗信号进行运算，得到运动伪迹信号的曲线。

信号处理模块5为微处理器，其将所采集的心电信号与运动伪迹信号协同处理，对受干扰的心电信号进行重构，去除心电信号中的运动伪迹信号，并将处理后的心电信号自动保存到便携终端或上传到远程服务器，以进行智能分析。

采集过程中，将两片柔性石墨烯电极1固定到弹性紧身衣或胸带上，令受检者穿上该弹性紧身衣或束上该胸带，使柔性石墨烯电极与人体表面皮肤接触良好。将柔性石墨烯电极1中的第一电极14和第二电极15分别调整到人体的心电信号测量位置处，通过测量人体运动过程中柔性石墨烯电极的本征阻抗随时间的变化情况，建立压力-阻抗特性曲线，计算得到人体与柔性石墨烯电极的接触力变化波形，从而得到人体运动状态波形。通过柔性石墨烯电极1和心电信号采集电路31采集人体表面的心电信号，所采集的心电信号经高精密放大器ad8232进行微弱心电信号的放大与低通滤波，以降低噪声干扰，再通过陷波滤波器减少50hz工频信号的干扰，经滤波处理后的心电信号经过12位精度模数转换芯片msp430f149转化为数字信号并缓存。通过柔性石墨烯电极1和接触阻抗测量电路41测量柔性石墨烯电极的阻抗；利用柔性石墨烯电极与皮肤之间的接触电阻通过ad5933阻抗测量芯片进行采样，得到人体运动状态信号；通过曲线拟合电路42将接触阻抗测量电路所测得的阻抗信号进行运算，得到运动伪迹信号的曲线。通过信号处理模块5将所采集的心电信号与运动伪迹信号协同处理，去除心电信号中的运动伪迹信号，并将处理后得到的平稳心电信号进行存储或者上传到远程服务器进行智能分析。

图7示出了在人体步行状态下，未采用本文中的抗干扰心电检测系统时，利用石墨烯电极及心电信号采集处理模块所采集到的动态心电信号波形，心电信号qrs波明显可见，但存在较大的基线漂移，严重干扰信号p波幅值的判断。图8为通过测量石墨烯电极阻抗变化得到的运动伪迹信号，从图中亦可见，运动伪迹干扰信号与图7中的心电信号波形接近。利用回声状态网络算法，根据图7中运动干扰信号的特征对图7受干扰心电信号进行处理，去除心电信号波形中的运动伪迹干扰，得到如图9所示的平稳心电信号。