基于EFM32系列MCU的便攜式心臟監(jiān)測儀設(shè)計

Silicon Labs(亦稱“芯科科技”)微處理器可作為新型動態(tài)心臟監(jiān)測儀的核心，該監(jiān)測儀參考案例可連續(xù)運(yùn)行長達(dá) 14 天，需要高性能和相對較低的功耗。本文詳細(xì)介紹了此款基于低功耗EFM32系列32位MCU設(shè)計的便攜式心臟監(jiān)測儀的開發(fā)考量、功能特色，以及研發(fā)團(tuán)隊(duì)的心得。

前言

心臟電生理學(xué)家 Gust H. Bardy 博士推出了Bardy Diagnostics，并聘請了一支小型工程師團(tuán)隊(duì)，將心律診斷精度的目標(biāo)轉(zhuǎn)化為監(jiān)測心臟的設(shè)備的電路板。大部分工作都圍繞在記錄的心電圖中顯示更多的細(xì)微差別，向團(tuán)隊(duì)介紹心律失常的多樣性和復(fù)雜性，并顯著改變和改進(jìn)了經(jīng)常與動態(tài)心電圖監(jiān)測儀一起使用的軟件。

使用動態(tài)心臟監(jiān)測儀 CAM 打造更智能的利基市場

準(zhǔn)確的診斷始于準(zhǔn)確的心電圖描記。眾所周知，心電圖或ECG/EKG 是一種用于記錄心臟電活動的設(shè)備。本器械是無創(chuàng)性的，通常包括放置在胸部和四肢皮膚上的電極，以測量心臟的電活動。輸出信號可用于確定或檢測可能導(dǎo)致心臟驟停、中風(fēng)或意識喪失的異常心律(即心律失常)。這些監(jiān)測儀稱為長期心電圖 (LT-ECG) 監(jiān)測儀，可佩戴 24/7 長達(dá) 14 天，無需更換監(jiān)測電極，使患者能夠淋浴、舒適睡眠和進(jìn)行鍛煉。這與歷史悠久的 Holter 監(jiān)測儀形成鮮明對比，Holter 監(jiān)測儀只能僅佩戴 1-2 天，配有多根懸垂導(dǎo)線，并采用簡單的工程和心律分析。Bardy 博士發(fā)明的 CAM 貼片是一種提供卓越舒適性和合規(guī)性LT-ECG的設(shè)備。

Bardy Diagnostics高級研究員Gabriel Felix表示：“雖然傳統(tǒng)的監(jiān)測儀在檢測 R 波(來自心臟的最大電信號)方面非常出色，而且確實(shí)是心臟波形的重要組成部分，但僅 R 波不足以診斷許多異常心律。其他波的低振幅偏移中隱藏著許多其他信息。波形形狀的微小變化似乎對于幫助人們獲得改善健康和管理嚴(yán)重疾病所需的特定治療至關(guān)重要。” 需要優(yōu)化設(shè)計各個級別的 CAM 系統(tǒng)，以捕捉這些微小而微妙的信號。然而，人為因素至關(guān)重要，因?yàn)樵撛O(shè)備對患者的日?；顒痈蓴_要最小。 “老實(shí)說，和典型的心臟監(jiān)測儀一樣，當(dāng)您的身體被一圈電纜和傳感器包圍時，您唯一能去的地方就是躲在臥室里?！?從 Bardy 博士的角度來看，如果您想實(shí)踐良好的醫(yī)學(xué)，徹底革新一個領(lǐng)域，那么設(shè)計的各個方面都至關(guān)重要。從包裝到對心電圖進(jìn)行全面解讀的人員的培訓(xùn)，每件作品都必須充滿愛。然而，一切都圍繞著Bardy監(jiān)測儀的關(guān)鍵功能：能夠感知來自心臟的非常精細(xì)、細(xì)微的電信號。這既是一項(xiàng)電氣設(shè)計挑戰(zhàn)，又是機(jī)械、生物和化學(xué)方面的挑戰(zhàn)。尺寸、重量和舒適度對于成功至關(guān)重要。但是，如果沒有心電圖的細(xì)微細(xì)節(jié)，其他一切都沒有價值。

Silicon Labs低功耗MCU是便攜式心臟監(jiān)測儀的核心

Silicon Labs 花了二十多年時間磨練其無線通信技術(shù)，以便幫助像 Bardy Diagnostics 等公司能夠推動其領(lǐng)域的創(chuàng)新。開發(fā)無線醫(yī)療設(shè)備面臨著三項(xiàng)基本工程挑戰(zhàn)。您必須保證精確、快速地提供準(zhǔn)確的測量結(jié)果，您需要通過強(qiáng)大的技術(shù)來增強(qiáng)醫(yī)療設(shè)備的無線安全性，并且您必須通過可靠的設(shè)計和低功耗技術(shù)來最大限度地延長電池壽命。 Bardy Diagnostics 小巧輕便的CAM貼片基于 Silicon Labs EFM32架構(gòu)?；颊?a target="_blank">接口傳感器連接到系統(tǒng)的核心MCU-EFM32TG210。此設(shè)備提供集成外設(shè)(ADC、SPI、ASYNC 串行接口和定時器功能)，運(yùn)行功率極低，使 CAM 貼片能有效“捕捉”那些微小的心臟細(xì)節(jié)，這將 CAM 貼片與其他可用的監(jiān)測儀區(qū)分開來。

“首先，ADC 提供了分辨率和濾波選項(xiàng)，確保他們能夠獲得所需的原始數(shù)據(jù)采集，同時保持在功率預(yù)算范圍內(nèi)。其次，與其他架構(gòu)相比，EFM32TG微控制器的電源管理提供了卓越的節(jié)能效果。得益于極快的睡眠和喚醒轉(zhuǎn)換、外圍設(shè)備的自動操作和低功耗時鐘生成，EFM32TG超出了系統(tǒng)要求，并且可使用標(biāo)準(zhǔn)14電池進(jìn)行長達(dá) CR1225 天的連續(xù)心電圖記錄，”Silicon Labs 的 Brian Blum 解釋道。

Gabriel 還指出，EFM32TG210 的性能和功耗模式使他們能夠按照規(guī)范設(shè)計和構(gòu)建 CAM 貼片，并最終實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果。他認(rèn)為，在設(shè)計設(shè)備時，擁有符合性能期望的 MCU 是保持項(xiàng)目進(jìn)度和預(yù)算的關(guān)鍵?！癊FM32架構(gòu)非常好，只需一塊 48 mAh 的 CR1225 電池，即可進(jìn)行長達(dá) 14 天的全面數(shù)據(jù)記錄。正在捕獲的信號可以低至 150uVpp，即使在該范圍內(nèi)，模擬波形的精細(xì)細(xì)節(jié)仍然保持清晰。該 EFM32 架構(gòu)包含高性能 ADC，可捕獲這些細(xì)節(jié)，同時保持電磁安靜的輻射特性，使小細(xì)節(jié)不會受到干擾。集成的過采樣和超強(qiáng)且可配置的 ADC 功能是救生的關(guān)鍵。該 EFM32 架構(gòu)在當(dāng)時絕對具有革命性，大多數(shù)芯片供應(yīng)商仍在追趕?！?當(dāng)被問及從設(shè)計到上市的歷程時，Gabriel 解釋說需要克服許多技術(shù)挑戰(zhàn)?！拔覀儧]有發(fā)現(xiàn)任何生產(chǎn)出如此低功耗的動態(tài)系統(tǒng)的廠商。通常，在醫(yī)療行業(yè)，幾十年來，心電圖的處理方式都是相同的，這點(diǎn)也不例外。當(dāng)時的 CAM 貼片采用全新的前端設(shè)計，低噪音、低功耗。很難找到能夠自如地處理此類工作的人，因此我們的工程團(tuán)隊(duì)直接在大學(xué)畢業(yè)(或在大學(xué)期間)就接受了培訓(xùn)。到目前為止，我們相信拓?fù)錈o可匹敵，并且正在被越來越多的設(shè)備所采用，取代了傳統(tǒng)的前端拓?fù)??！?/p>

原文標(biāo)題：【應(yīng)用案例】以低功耗MCU為核心的便攜式心臟監(jiān)測儀

文章出處：【微信公眾號：SiliconLabs】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

審核編輯：湯梓紅