可穿戴設(shè)備的ECG系統(tǒng)克服心電圖噪聲和功率挑戰(zhàn)

用于個(gè)人和遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測(cè)的可穿戴心電圖（ECG）設(shè)備的需求正在增加，并且隨之而來(lái)的是對(duì)精度，可靠性和更長(zhǎng)電池壽命的要求。這對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了挑戰(zhàn)，因?yàn)镋CG讀數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)和其他干擾源非常敏感，并且ECG信號(hào)的處理消耗了大部分可用的電池電量。

為了提高可靠性和用戶體驗(yàn)，可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)者需要一種可以提取，放大和過(guò)濾小生物電位信號(hào)，同時(shí)消耗最少功率的解決方案。為此，新的ECG心率監(jiān)測(cè)IC可以在創(chuàng)建下一代心臟監(jiān)測(cè)中發(fā)揮核心作用。

了解可穿戴設(shè)備中心電圖需求的脈搏

心電圖測(cè)量心律并幫助診斷患者的心臟問(wèn)題，包括心臟病發(fā)作，心臟血流不暢和其他異常情況心臟病。

心電圖記錄心肌組織產(chǎn)生的電活動(dòng)。該活動(dòng)產(chǎn)生電壓或“生物電位”，其擴(kuò)散到皮膚。雖然生物電位在微伏范圍內(nèi)，但可以使用連接到皮膚的ECG電極以無(wú)創(chuàng)方式可靠地測(cè)量。

專業(yè)ECG系統(tǒng)可以使用多達(dá)10個(gè)電極連接到胸部和四肢?？纱┐鱁CG系統(tǒng)，例如胸帶和智能襯衫，使用較少的電極并且通常使用兩個(gè)或三個(gè)電極配置。這種方法減少了ECG系統(tǒng)的占地面積，提高了患者的舒適度，但舒適度必須與準(zhǔn)確性和可靠性相平衡。

這種平衡行為對(duì)于可穿戴ECG很難，因?yàn)閼?yīng)用呈現(xiàn)出各種各樣的嘈雜環(huán)境導(dǎo)致信號(hào)波動(dòng)的因素。即使是輕微的身體動(dòng)作，如口香糖或制作面部表情，也會(huì)在ECG測(cè)量中引入噪音。由于用戶在佩戴配備ECG的可穿戴設(shè)備時(shí)可能參與身體活動(dòng)，因此運(yùn)動(dòng)是噪音的重要來(lái)源。其他因素也可能導(dǎo)致噪聲，包括來(lái)自電力線或其他電氣設(shè)備的干擾。

可穿戴ECG系統(tǒng)的另一個(gè)現(xiàn)實(shí)是電池電量有限。一款良好的高端智能手表，運(yùn)行速度為246毫安小時(shí)的3.78伏鋰離子電池可以運(yùn)行18小時(shí)的混合使用?？紤]到所需的通信和處理量，這是非常了不起的。

為了解決這些噪聲和功率問(wèn)題，半導(dǎo)體供應(yīng)商現(xiàn)在提供專為可穿戴設(shè)備中的心率監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)的集成電路（IC）。

用于可穿戴ECG的IC

這些IC中的一個(gè)是ADI公司的AD8233ACBZ-R7，這是一個(gè)完全集成的單引線ECG前端。 AD8233內(nèi)置一個(gè)專用儀表放大器，一個(gè)運(yùn)算放大器，一個(gè)右腿驅(qū)動(dòng)（RLD）放大器和一個(gè)中間電源參考緩沖器。如果在移動(dòng)或活動(dòng)用戶應(yīng)用程序中意外斷開(kāi)連接，它還具有“開(kāi)/關(guān)”導(dǎo)聯(lián)和自動(dòng)快速恢復(fù)電路，可在重新連接ECG導(dǎo)聯(lián)后快速恢復(fù)信號(hào)（圖1）。

圖1：AD8233 AFE集成了實(shí)現(xiàn)適用于可穿戴設(shè)備的心率監(jiān)測(cè)器前端所需的電路，包括ECG導(dǎo)聯(lián)斷開(kāi)檢測(cè)和重新連接后快速恢復(fù)。 （來(lái)源：ADI公司）

噪聲關(guān)閉

AD8233設(shè)計(jì)用于在嘈雜條件下處理小的生物電勢(shì)信號(hào)，并為低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）產(chǎn)生輸出。

為了消除運(yùn)動(dòng)偽影，例如由物理活動(dòng)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)偽像，AD8233實(shí)現(xiàn)了一個(gè)雙極點(diǎn)高通濾波器。該濾波器還消除了電極半電池電位。這種半電池電位可能對(duì)ECG信號(hào)采集提出了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗哂斜壬镫妱?shì)高得多的電壓。

AD8233還集成了一個(gè)非專用運(yùn)算放大器，可用于實(shí)現(xiàn)三極低電平 - 通過(guò)濾波器，可以進(jìn)一步降低噪音。 RLD放大器還通過(guò)改善共模抑制比（CMRR）來(lái)幫助管理噪聲。它通過(guò)檢測(cè)信號(hào)輸入端存在的共模電壓，然后將相反的信號(hào)驅(qū)動(dòng)到患者體內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種驅(qū)動(dòng)電極功能可在患者和AD8233之間保持恒定電壓，從而提供高CMRR。

導(dǎo)線開(kāi)/關(guān)檢測(cè)

檢測(cè)電極的連接狀態(tài)并提醒系統(tǒng)和用戶如果發(fā)生故障，AD8233包括引線開(kāi)/關(guān)檢測(cè)電路。如前所述，這在用戶可能處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的可穿戴設(shè)備中特別有用。

開(kāi)/關(guān)檢測(cè)可以在兩個(gè)或三個(gè)電極配置中工作。在關(guān)斷模式下，電路也可繼續(xù)工作。因此，開(kāi)/關(guān)檢測(cè)的輸出可以作為ECG設(shè)計(jì)中微控制器的喚醒信號(hào)，從而使整個(gè)系統(tǒng)節(jié)省功耗。

AD8233包括快速恢復(fù)與開(kāi)/關(guān)檢測(cè)電路協(xié)同工作的功能。在導(dǎo)線關(guān)閉狀態(tài)引起突然的信號(hào)變化后，快速恢復(fù)功能允許AD8233在電極重新連接到用戶后迅速恢復(fù)。

帶有AD8233的ECG電路板

為了讓設(shè)計(jì)人員快速啟動(dòng)，AD8233CB-EBZ評(píng)估板將AD8233呈現(xiàn)在適用于健身應(yīng)用的可穿戴ECG前端設(shè)計(jì)中。電路板的標(biāo)準(zhǔn)配置是一個(gè)三電極心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，連接到用戶手中（圖2）。

圖2：標(biāo)準(zhǔn)配置AD8233CB-EBZ評(píng)估板支持三電極心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 （來(lái)源：ADI公司）

電路板可以直接連接到輸入端的電極和輸出端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。雖然電極端子具有限流電阻，但最好首先使用ECG信號(hào)發(fā)生器測(cè)試電路板而不是使用實(shí)時(shí)主體。電阻器本身并不是一個(gè)全面的患者保護(hù)系統(tǒng)。它們可能無(wú)法防止電源和采集系統(tǒng)中的電源線瞬態(tài)或漏電流。有關(guān)醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最佳實(shí)踐和標(biāo)準(zhǔn)的更多指導(dǎo)，請(qǐng)從IEC 60601開(kāi)始。

在構(gòu)建ECG系統(tǒng)時(shí)，可能需要根據(jù)包含精確度的考慮因素更改增益和過(guò)濾。應(yīng)用和電極的放置。為此，設(shè)計(jì)人員需要調(diào)整AD8233的雙極高通濾波器以及集成運(yùn)算放大器的頻率截止頻率。在AD8233CB-EBZ上，通過(guò)更改元件值進(jìn)行調(diào)整。

通過(guò)操作AD8233CB-EBZ上的開(kāi)關(guān)位置，輸入偏壓選擇和電極，可以將引線開(kāi)/關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)配置為交流和直流兩種和三種電極配置。快速恢復(fù)功能也可以通過(guò)電路板上的開(kāi)關(guān)激活。

為了節(jié)省電池電量，AD8233包括一個(gè)關(guān)斷引腳。 AD8233CB-EBZ板還提供了一個(gè)進(jìn)入待機(jī)模式的開(kāi)關(guān)，使AD8233的電流消耗從典型的50μA降至1μA以下。

構(gòu)建可穿戴式ECG設(shè)備

智能可穿戴醫(yī)療設(shè)備可以結(jié)合兩種或更多功能，包括心率監(jiān)測(cè)，計(jì)步器，活動(dòng)跟蹤，生物電位測(cè)量，生物阻抗測(cè)量和血氧測(cè)量。

在典型設(shè)計(jì)中，AD8233執(zhí)行ECG模擬前端（AFE）的作用。 AFE鏈接到模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），例如ADI公司的AD7915（圖3）。

圖3：In AD8233是典型的智能可穿戴設(shè)計(jì)，可用作ECG AFE，為低功耗ADC（如AD7915 ADC）提供輸入。 （來(lái)源：ADI公司）

AD7915是一款16位ADC，專為電池供電的醫(yī)療應(yīng)用而設(shè)計(jì)。與AD3233一樣，AD7915采用單電源供電，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。 ADC通過(guò)SPI端口連接到系統(tǒng)的MCU。

在為主要處理和控制功能選擇MCU時(shí)，請(qǐng)尋找專為低功耗可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)的MCU，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)滿足了一些核心要求。這些要求包括精度（測(cè)量生命體征時(shí)很重要），低功耗和相對(duì)全面的I/O，如NFC，USB，顯示器和音頻。

一個(gè)很好的定制示例MCU是ADI公司的ADuCM350，它基于ARM 32位Cortex-M3處理器。 IC是一種“芯片上的高精度儀表”，用于監(jiān)測(cè)生命體征，進(jìn)行電流，伏安和阻抗測(cè)量。

ADuCM350還可以通過(guò)紐扣電池供電，這是另一個(gè)節(jié)省空間的因素。

組合AD8233 AFE和ADuCM350 MCU

要將AD8233和ADuCM350組合在一起并獲得ECG信號(hào)，請(qǐng)使用AD8233的評(píng)估板，并使用相同的3.3 V電源運(yùn)行兩個(gè)IC（圖4）。

圖4：將AD8233與ADuCM350相結(jié)合，進(jìn)行生物阻抗和ECG測(cè)量。 （來(lái)源：ADI公司）

第一步是在系統(tǒng)內(nèi)校準(zhǔn)AD8233 AFE，以確保兩個(gè)IC的組合不會(huì)降低其規(guī)定的9.8μVp-p的噪聲性能。通過(guò)短接+ IN和-IN引腳并將它們連接到VBIAS來(lái)完成此操作。確定最大峰峰值噪聲變化，并將其除以AD8233的增益（1100）。它最終應(yīng)該在5.8μVp-p附近。

接下來(lái)，將AD8233_REFIN連接到ADuCM350上的VBIAS，并將ECG發(fā)生器應(yīng)用于AD8233上的+ IN，-IN和RLD。將ECG發(fā)生器設(shè)置為60 BPM時(shí)，輸出信號(hào)應(yīng)如圖所示（圖5）。

圖5：將ECG發(fā)生器設(shè)置為60 BPM，心率監(jiān)測(cè)器設(shè)計(jì)的輸出應(yīng)如圖所示，表明組件和系統(tǒng)的兼容性。 （來(lái)源：ADI公司）

結(jié)論

可穿戴設(shè)備為實(shí)施ECG系統(tǒng)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，包括噪聲和功耗問(wèn)題。然而，專為此應(yīng)用而設(shè)計(jì)的ECG心率監(jiān)測(cè)器IC和評(píng)估板正變得越來(lái)越容易獲得并得到很好的支持。這使工程師能夠快速開(kāi)發(fā)解決這些問(wèn)題的系統(tǒng)，并在可穿戴電子設(shè)備中提供準(zhǔn)確，低功耗，可靠的心率監(jiān)測(cè)。