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摘要

心电图(ECG)是人体重要的生命体征，可检测心律失常、心脏病发作、心肌病等多种疾病。心电图的连续监测可以及时预防此类疾病，通过早期干预，有助于控制死亡率，降低医疗成本。为此，本文提出了一种基于石墨烯的耳后位置连续监测心电传感器。由于具有优异的导电性，采用滴铸技术将石墨烯层涂覆在Ag/AgCl ECG测量电极的表面，以改善皮肤与电极的接触。进一步与传统Ag/AgCl电极的接触质量进行比较，以评估更好的输出信号的性能。结果表明，石墨烯电极的信号在信噪比方面优于传统电极，并能清晰地反映一个心动周期的所有波形。此外，心电采集单元与CBT(核心体温)传感器集成，能够从鼓膜(耳朵)测量温度。这两种传感器都能从耳朵位置测量生命体征。此外，该设备能够通过蓝牙通信将数据发送到移动应用程序，运行在用户手机上的应用程序可以实时连续监测用户的心电图和CBT，提供了一个人性化的环境。

关键字

石墨烯传感器，心电图，智能手机

介绍

在与嵌入式系统和无线通信相关的技术领域，新时代是世界上增长最快的。当该技术在人们的日常生活中在不同领域有较大的应用时，它也在医疗保健领域提供了优质的服务。电子健康是近几年兴起的，它结合了技术、通信和医疗的概念，为人们提供了一个平台，可以在智能设备上全天候监测自己的健康状况。在这方面，移动保健是一种最新技术，其主要目的是通过移动电话和其他通信设备向世界各地的用户提供保健设施。随着移动通信和无线技术的发展，移动医疗应运而生。全球有10亿部智能手机和1亿部平板电脑可用于健康监测目的，以控制传染病的传播，并将心脏病造成的过早死亡降至最低。

心血管疾病仍然是全球死亡的主要原因。全世界每年有近1730万人死于这种疾病，预计到2030年，这一比例将增长到2360多万人。生活在低收入和中等收入国家的人口通常更容易受到心血管疾病的影响。在这些国家，通常80%的死亡发生在较年轻的人群中。移动保健的概念是对生理参数进行持续监测，以控制因心血管疾病而上升的死亡率。HR的持续监测可以帮助识别患者不同疾病的风险，如心脏病发作、心力衰竭、中风和肾功能衰竭。

可穿戴集成系统，能够将不同的生命体征，如心电和CBT结合在一个小型设备中提出。该监控系统还结合了无线宽带网络(WBAN)和无线个人区域网络(WPAN)的概念。位于身体不同区域的不同医疗传感器允许将收集的数据发送到服务器，并通过不同的无线技术(如蓝牙、ZigBee和3G[3])将数据发送到智能手机、平板电脑和其他设备。

本系统的主要目的是设计一种易于穿戴的设备，该设备可以实时监测人体的健康状况，并在智能设备上显示所需的参数，使患者在用户友好的环境中监测健康状况。拟议中的传感器将安装在耳朵内部和后面;通过耳后传感器记录心电信号，将核心体温(CBT)传感器插入耳道。耳后的概念是为了避免脱掉衣服来定位传感器在躯干区域。利用无线通信技术，在用户的智能设备上安装的App可以收集两个传感器的数据。此外，为了提高信噪比，利用石墨烯包覆的心电传感器，由于其良好的电学和物理特性，改善了心电传感器与皮肤之间的电容耦合，从而提高了心电信号质量。

文献综述

设计了不同的健康监测系统，主要可以监测不同的生命体征，主要是心电、PPG、CBT等，还可以使用不同的无线通信技术远程访问身体传感器。

He et al.[4]提出了一种可穿戴式耳上生命体征监测系统，可以借助商用传感器测量不同的生命体征，如心电图、卡介苗(Bacillus Calmette Guerin)和PPG (photoplethysmography)。在他们提出的工作中，他们还证明了耳朵是集成感知不同身体信号的天然锚点。Lee等人在[5]上做了进一步的研究，他们设计了一个可以从人体提取血糖水平和心电图信号的系统。他们的主要目的是研究使用Zigbee设备的移动健康监测服务的效率。另一方面，基于PSoC(可编程芯片上系统)的可穿戴式(PPG)传感器模块可以监测可能导致重大交通事故的驾驶员突发健康问题。该系统记录司机的PPG值，并通过蓝牙技术将数据发送到患者的手机上，可以连接到急救服务，Lin等人[6]。Mundt et al.[7]设计了一种用于太空和地面应用的可穿戴移动式生理信号监测系统。它被命名为“救生员”。该系统可以通过阻抗容积描记法测量三导联心电图、呼吸频率、心率、SpO等不同的生命体征₂、认知行为治疗(CBT)和血压(BP)。Vesico等人[8]介绍了使用夹在耳垂上的PPG传感器测量心率变异性(HRV)的相关工作。Poh等人提出了一种名为“心脏电话”的耳内PPG测量装置，用于监测心脏状况。该系统包括一个PPG测量传感器，嵌入在常规可用的耳机的耳塞中，可以很容易地戴在耳朵里。

最近的研究表明，基于石墨烯(GN)的传感器可以给世界未来的工业带来变化。此外，由于GN材料独特的电化学和物理性能，有助于提高传感器特别是生物传感器的灵敏度。石墨烯在提高传感器性能方面发挥着重要作用，特别是在临床、环境和食品研究应用方面。在本研究中，Ag/AgCl心电电极和基于传统热电堆的CBT传感器表面采用滴铸技术涂敷石墨烯。加工表面未均匀覆盖字素;约80%的表面被字素覆盖。

石墨烯传感器技术

石墨烯是一种由碳原子构成的二维元素。它有一些突出的特性，使其优先于其他元素。石墨烯最重要的特性之一是其导电性，这增加了它在电子领域的应用，特别是在传感器技术方面。

石墨烯是一种半金属零重叠碳原子群元素。它的外层包含空穴和电子作为电荷载体。石墨烯的结构是二维的，外层有四个电子用于成键，其中三个电子与另一个碳原子有关，其中一个电子可在三维空间自由获得，用于电子传导。石墨烯的第二个重要特性是机械强度;石墨烯是世界上最强的材料，因为其结构中两个碳原子之间的键合很窄，长度为0.142 nm。它的重量也很轻，约0.77毫克/米²．石墨烯材料还表现出一些光学特性，如由于其良好的电子性能[11]，可以吸收2.3%的白光。它对红外源高度敏感;因此在CBT传感器中使用此属性。

由于石墨烯具有广泛的电学和物理特性，在传感器领域，特别是生物传感器领域具有重要的作用。Justino等人[12]介绍了石墨烯在传感技术中的作用，特别是在生物传感器方面的贡献。最近几年报道的大部分工作都与石墨烯材料(GO, rGO)有关。从灵敏度、检出限和重复性等不同特性对石墨烯基传感器的性能进行了评价，这些特性是传感器良好性能和寿命所要求的。不同类型的石墨烯传感器已经用于医疗应用，如测量血糖水平、尿酸水平、胆固醇水平和更多[13]。

系统设计与实现

该系统旨在收集来自耳朵的心电、认知行为治疗(CBT)等心理信号，为用户提供一个使用移动设备实时监测自身健康状况的平台。为了实现这一目标，该系统设计具有从耳朵中提取生理信息的能力。本节将描述研究的实验方法。图1显示了该系统的框图。

图1所示。系统的框图。

为了测量心电信号，使用了Arduino的电子健康模块包。电子健康提供健康监测平台，能够测量不同的生命体征。例如，它还允许使用板上的特定引脚进行3导联心电图记录。与Arduino UNO等控制器板兼容。图2显示了电子健康包，其中控制器板用于从设备中提取模拟心电数据，然后使用微控制器ADC转换成数字格式。采用UART通信协议将数据发送到手机进行可视化。蓝牙模块用于通信目的。

图2。带有Arduino UNO微系统和数据采集系统的电子健康包。

Arduino UNO单片机板是基于AT mega 328控制器。它提供数字和模拟I/O，以及不同的通信端口。它由16 MHz晶体振荡器组成。HC-05蓝牙模块[14]用于向笔记本电脑、平板电脑、智能手机等智能设备无线传输数据。测量生命体征的电子系统原理图如图3所示。该原理图显示了ECG和CBT传感器在一个单板微控制器上的连接。

图3。数据采集系统原理图。

图4显示的数据采集系统集成了传感器和用于无线通信的蓝牙模块，以及为设备供电的电池。如图右侧所示，电极被放置在耳朵后面，而电接地连接到躯干。

图4。心电数据采集系统配有传感器和蓝牙设备，电极放置在耳后。

结果与讨论

采用Ag/AgCl凝胶型和石墨烯包覆电极等不同类型电极的心电图测量结果，并对结果进行比较和讨论。CBT传感器被插入耳道(对耳-图中没有显示)，记录的数据也如下所示。

数据记录

最初，在商业可用的监测系统(Patient Monitor PM12, Braun international)[15]上进行心电图测量相关的不同测试。它能够测量不同的生命体征，如PPG, ECG, CBT和BPM，并提供图形用户友好界面。最初的测试是为了了解信号的复杂性，也用来确定电极放置的正确位置，以提取心电信号。在3导联技术的帮助下，首次将市售Ag/AgCl电极放置在胸部。此外，同样的电极被放置在耳后，监测系统被用来研究电极在耳后的正确位置，参照胸部信号。

两种类型的电极被用来记录耳后的信号。第一种是Ag/AgCl凝胶型，第二种是AgCl凝胶型^nd是石墨烯涂层电极。为了对提取的信号进行不同的研究，我们选择了一个没有毛发的24岁受试者。第一种使用类型1电极的情况如图5所示;电极间距离为8 cm时，R波的最高振幅为3500 μV。信号的信噪比为36dB。然而，由于电极与皮肤之间的高电阻率，信号的P波并不清晰可见，但其余的关键信号如QRS复波和T波是可见的。

图5。用1型电极记录耳后心电图信号。

2^ndCase，实验是将2型电极放在耳朵后面，地面与躯干相连。由图6可以看出，由于石墨烯涂层电极的导电性较好，噪声引起的信号波动减小;改进后的信噪比为39dB。在这种情况下，可以识别出P波，且QRS波的振幅大于3600 μV。上文提到，石墨烯在皮肤和电极之间提供了良好的连接性，这有助于获得更高的波幅。

图6。用2型电极记录耳后心电图信号。

手机系统测试

使用两个场景对集成系统进行了测试;首先是认知行为疗法测量体温^nd是心电信号的测量。CBT测量使用石墨烯涂层热电堆传感器记录，该传感器被插入耳道靠近鼓膜的地方。该装置以2hz的采样频率测量温度。利用MATLAB软件进行温度监测，利用单片机进行数据采集。

试验是在正常情况下进行的，没有任何体育活动。如图7所示，CBT在36.7之间变化^oC到37.01^oC，处于人类正常的认知行为治疗范围内，读数稳定。

图7。通过移动设备监控CBT。

在心电信号的记录方面，手机上运行的app可以实时接收数据采集设备的串行数据，并显示在手机屏幕上，让用户在用户友好的情况下监控心电信号。图8显示了受试者使用石墨烯涂层电极采集的心电信号。采集单元向智能手机发送心电图数据，采样频率为124hz;数据通过蓝牙技术传输到应用程序。

图8。在Android手机上运行的应用程序上监测心电信号。

结论与未来工作

本研究利用不同的电极放置场景，从耳后记录和追踪可测量的心电信号，研制出基于耳的心电监测装置。利用Ag/AgCl电极和石墨烯电极对比分析耳后和胸部电极信号的差异。采用石墨烯电极的传统胸部测量技术的信噪比最佳，约为40dB，高于Ag/AgCl凝胶型电极;信噪比约为39dB。P波、QRS复波、T波等关键参数均清晰可见，畸变较小。

对于ECG的采集，人们注意到耳后位置具有优势，它提供了一个简单的测试环境，对患者的刺激较小，并减少了测量的干扰。该系统使用石墨烯涂层电极，在友好且无疼痛的环境下，提供测量耳后心电信号和耳道CBT信号所需精度的环境。CBT测量从耳道内鼓膜取。鼓室区域接受到下丘脑相同的血液供应;因此，所测的CBT值反映了真实的核心体温。为智能手机开发的应用程序可以实时记录心电图和认知行为治疗(CBT)。未来的工作将集中在改进石墨烯墨水在ECG和CBT传感器表面的喷涂，预计这一过程将均匀、均匀地覆盖表面，从而进一步降低皮肤电极阻抗，提高鼓膜温度的红外透射率，提供更好的信号。

参考文献

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