基于光学原理的可穿戴心电信号监测方法及实验研究

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1、基于光学原理的可穿戴心电信号监测方法及实验研究ResearchonWearableECGSignalMeasurementBasedonOpticalTheory学科专业：光学工程作者姓名：赵静指导教师：贾大功副教授企业导师：张英高级工程师天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年十二月摘要随着大众生活水平的提高，健康问题得到了更多人的关注，应用可穿戴医疗设备进行健康状况监测逐渐成为新的生活方式。心电信号作为人体最重要的生命体征，对于心脏疾病的分析与诊断起着关键作用。应用电学传感器的心电信号监测系统主要存在测量安全性差

2、和抗电磁干扰能力差等问题，在复杂电磁环境下，容易出现心电信号失真、丢失，以至于错过突发性病态心跳，甚至造成误判。基于光学原理的心电信号监测系统具有抗电磁干扰的优势，适合在MRI、战地等复杂电磁环境下进行心电图监测。本文的主要研究目的是利用基于线性光电效应的铌酸锂电光调制器，设计一种新型可穿戴心电信号监测系统，实现胸导联心电图的采集与分析。具体研究内容如下：1.提出了基于M-Z结构电光调制器的心电信号监测系统的工作原理，分析了心电信号监测系统灵敏度的影响因素，给出了系统的理论灵敏度值；设计了光电转换、滤波和放大的信号处理

3、电路；搭建了灵敏度测试系统，实验测试系统灵敏度为0.041mW/V，与理论值的误差为3.3%。2.利用设计的光学可穿戴心电信号监测系统实时测试了V2位置和V4位置的心电图波形，并与Biopac系统心电采集的结果对比，实验结果显示：光学心电信号监测系统获得的心电图可清晰分辨出QRS波群、P波和T波等特征波形。与相同实验条件下电学采集系统的结果一致。为了检测系统的抗电磁干扰能力，在模拟电磁环境下，应用两系统再次进行心电图监测实验，实验结果显示，Biopac系统得到的心电图出现了异常问题，信噪比差值分别为24.07dB（V2

4、位置）16.75dB（V4位置），而光学系统仍可以正常工作信噪比差值分别为0.54dB（V2位置）和0.49dB（V4位置）。3.基于并联原理设计了多路心电信号采集系统，可同时监测V2位置和V4位置的心电图；基于时分复用机制设计了多路心电信号采集系统，并与基于并联原理的多路心电采集系统实验结果对比，验证了其用于心电信号采集的可行性。关键词：心电信号监测，铌酸锂调制器，线性光电效应，电磁环境，多路信号时分复用；ABSTRACTWiththeimprovementofpubliclivingstandards,people

5、begantopaymoreattentiononhealthproblems.Applicationofwearablemedicalequipmentforheathmonitoringisbecominganewlifestyle.Theelectrocardiogram(ECG)signalasoneofthemostimportantvitalsignsofthehumanbody,isarecordoftheelectricalactivitiesoftheheart.TheECGsignalcanbeus

6、edtodetermineifapatientissufferingfromanyformofcardiacailment.ThewearableECGmonitoringsystemcanperformsignalprocessingonapatient’sECGtodetecttheseirregularheartbeats.TherecentmainmethodtodetectECGsignalisbasedonelectronicsensors,whichisdifficulttointegrateandpoo

7、rmeasurementsafety.Inthecomplexelectromagneticenvironment,electronicsensorsaresensitivetosignaldistortionandloss,sothatitcannotobtainaccurateECGsignalandmissthoseirregularheartbeatsorgetwrongresults.ThewearableECGsignalmeasurementsystembasedonopticaltheorywithan

8、ti-EMIperformanceissuitableforECGmonitoringinMRI,warfieldandothercomplexelectromagneticenvironment.ThemainresearchaimistodesignawearableECGsignalmonitoringsystemusing