將心電圖添加到可穿戴設(shè)備的跟簡單快速的方法

就在您即將將最新的胸戴式產(chǎn)品帶入健康和健身可穿戴設(shè)備市場時，您意識到客戶越來越多地尋求心電圖 （ECG） 功能。這會讓你倒退幾個月，而你回去嘗試設(shè)計這個功能，對吧？錯誤的！真的嗎？你問自己，這怎么可能？好吧，讓我們看看你真正需要什么來實現(xiàn)這一點，你可能會驚訝于它可以以比你想象的更直接的方式開發(fā)。

第 1 步：模擬前端

檢測 ECG 信號所需的模擬前端 （AFE） 需要幾個不同的構(gòu)建模塊。其中包括（除其他外）帶有低通濾波器的輸入放大器、可編程增益放大器 （PGA） 和帶有數(shù)字濾波選項的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）。顯然，在可穿戴設(shè)備的有限空間中，AFE 的離散實現(xiàn)是不可行的。因此，需要一種綜合方法。在為胸戴式可穿戴設(shè)備選擇集成生物電位 ECG AFE 時，需要注意一些重要的規(guī)格和功能。理想情況下，它應(yīng)該使用具有非常高的串聯(lián)電阻 （》 500MΩ） 和高 CMRR （》 100dB） 的單個輸入通道。除了符合靜電放電 （ESD） 標準 （IEC61000-4-2） 和電磁干擾 （EMI） 過濾，IC 應(yīng)該能夠檢測導(dǎo)線是否已連接（即使在睡眠模式下），或者它們是否在正常操作中與佩戴者分離，同時還能夠從過壓條件（例如除顫）中快速恢復(fù)。必須以盡可能低的功耗提供此功能。

圖 1顯示了MAX30003的功能框圖，這是一款完全集成的生物電勢 ECG AFE，可用于滿足這些要求的可穿戴設(shè)計。該設(shè)備的一個優(yōu)點是它僅使用ONE 即可提供 ECG 波形一對電極（你在醫(yī)院看到的心電圖胡說八道！）。該 IC 的另一個重要特點是它還可以在同一封裝中執(zhí)行心率檢測。其他 ECG AFE IC 不執(zhí)行心率檢測；相反，他們依靠微控制器來執(zhí)行計算，這通常會消耗額外的 40μW 功率。該 AFE 的典型電流消耗僅為 150μW（比類似部件低近 70%），可使用單個紐扣電池供電。它符合 IEC60601-2-47 ECG 規(guī)范，使其適用于臨床和健身應(yīng)用。

圖 1. MAX30003 生物電位 AFE

第 2 步：設(shè)計運動偽影 帶通濾波器

運動偽影是由佩戴者的運動引起的虛假測量。您需要一個帶通濾波器來去除它們（或減少它們的影響）。這最好在將電極信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字域之前在模擬域中完成。實現(xiàn)這一點的主要方法是使用高通和低通濾波器降低帶寬。使用 MAX30003，可以通過將外部電容 CHPF 連接到 CAPP 和 CAPN 引腳來設(shè)置單極高通轉(zhuǎn)角頻率，如圖 2所示。 使用的值應(yīng)將高通拐角設(shè)置為 5Hz，尤其是對于大多數(shù)運動和健身應(yīng)用等高運動用途。對于臨床應(yīng)用，這可以低很多，通常低至 0.5Hz 甚至 0.05Hz。當(dāng)幾乎沒有運動時，這為診斷提供了更好質(zhì)量的心電圖信息。

圖 2. 輸入模擬帶通濾波器網(wǎng)絡(luò)

圖 3顯示了胸帶應(yīng)用的模擬帶通波特圖。

圖 3. 胸帶的模擬帶通濾波器波特圖

第 3 步：考慮您的電源選項

根據(jù)所使用的電池類型，有多種選項可以為完整的可穿戴設(shè)備供電。最簡單的選擇是使用線性穩(wěn)壓器（圖 4）從紐扣電池創(chuàng)建一個通用的 1.8V 直流電壓軌，該電壓通常在 3.4V 到 2.2V 之間變化。然而，這種方法并不是特別省電。

圖 4. 簡單的線性壓差穩(wěn)壓器電源方案

雖然使用降壓穩(wěn)壓器而不是低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器可以提高效率，但最好的解決方案是使用電源管理 IC （PMIC），如圖 5所示。

圖 5. PMIC 和 3VDC 紐扣電池

使用此類解決方案的優(yōu)勢在于，PMIC 可以為微控制器、AFE 和數(shù)字接口提供單獨的電源輸出。

審核編輯：郭婷