专业心率监测器克服了心电噪声和电源的挑战---凯利讯半导体

　　针对个人和远程医疗监控的可穿戴式心电图(ECG)设备的需求正在增加，其对准确性、可靠性和电池寿命的要求也越来越高。这对设计人员来说是一个挑战，因为ECG读数对运动和其他干扰源高度敏感，而心电信号的处理消耗了大量可用的电池电量。

　　为了提高可靠性和用户体验，可穿戴设备的设计者需要一种能够提取、放大和过滤小生物电位信号的解决方案，同时消耗最小的能量。为此，新的心电图心率监测器可以在下一代心脏监测的创造中发挥核心作用。

　　对可穿戴设备的ECG要求进行测量

　　心电图测量心律，有助于诊断心脏病患者的心脏问题，包括心脏病发作、心脏血流不佳和其他异常心脏状况。

　　心电图记录了心肌组织产生的电活动。这种活动产生的电压，或“生物电位”，扩散到皮肤。虽然生物电位是在微伏范围内，但它可以通过附着在皮肤上的ECG电极可靠地测量。

　　专业的心电系统可以使用多达10个电极连接到胸部和四肢。可穿戴的心电图系统，例如胸带和智能衬衫，使用更少的电极，通常使用两到三种电极配置。这种方法减少了ECG系统的足迹，以增加病人的舒适度，但是舒适必须与准确性和可靠性保持平衡。

　　这种平衡法对于可穿戴式ECGs来说是很困难的，因为该应用程序提出了一个噪声环境，各种因素导致了信号的波动。即使是轻微的身体运动，如嚼口香糖或做面部表情也能在心电图测量中引入噪音。由于用户可能在穿戴设备时进行身体活动，所以运动是噪音的重要来源。其他因素也会导致噪音，包括电力线路或其他电气设备的干扰。

　　可穿戴ECG系统的另一个现实是电池电量有限。一款性能优良的高端智能手表，可以运行3.78伏锂离子电池，提供246毫安时，可以运行18个小时的混合使用。考虑到所需的通信和处理数量，这是很值得注意的。

　　为了解决这些噪音和电力问题，半导体供应商现在提供集成电路(ICs)，专门设计用于可穿戴设备的心率监测。

　　用于可穿戴心电图的集成电路

　　其中一种是模拟装置AD8233ACBZ-R7，一种完全集成的单导ECG前端。AD8233包括一个专门的仪表放大器，一个运算放大器，一个右腿驱动(RLD)放大器和一个midsupply参考缓冲器。如果在移动或主动用户应用程序中出现意外断开，它还会导致“On/Off”检测电路和一个自动快速恢复电路，在ECG导通被重新连接后快速恢复信号(图1)。

　　模拟装置图AD8233 AFE。

　　图1:AD8233 AFE集成电路，实现了适合可穿戴设备的心率监视器的前端，包括ECG导线断开检测和重新连接后的快速恢复。(来源:凯利讯半导体)

　　的声音了

　　AD8233被设计用于在嘈杂的条件下使用小的生物电位信号，并输出到低功率模数转换器(ADC)。

　　为了消除运动工件，例如物理活动产生的工件，AD8233实现了一个双极高通滤波器。这个过滤器也能去除电极的一半的电势。这一半的细胞电位对心电图信号采集具有相当大的挑战性，因为它比生物电位具有更高的电压。

　　AD8233还集成了一个未提交的运算放大器，可以用来实现一个三极低通滤波器，从而进一步降低噪声。RLD放大器还通过改进共模抑制比(CMRR)来帮助控制噪声。它通过感知信号输入中的共模电压，然后将一个相反的信号输入病人。这种驱动电极的功能在患者和AD8233之间维持恒定的电压，给予高CMRR。

　　开/关检测

　　为了检测电极的连接状态，并在发生故障时向系统和用户发出警报，AD8233包括开启/关闭检测电路。如前所述，这在可穿戴设备中特别有用，用户可以在其中活动。

　　On/off检测可以在两种或三种电极配置中工作。在关机模式下，电路也继续运行。因此，在ECG设计中，on/off检测的输出可以作为微控制器的唤醒信号，使整个系统能够节省电力。

　　AD8233包括一个快速恢复功能，它与on/off检测电路协同工作。在由铅关闭状态引起的突然信号变化后，快速恢复功能允许AD8233在电极重新连接到用户后迅速恢复。

　　带有AD8233的ECG电路板

　　为了让设计师快速入门，AD8233CB-EBZ评估板在可穿戴心电图前端设计中展示了AD8233，用于健身应用。董事会的标准配置是一个连接到用户手的三个电极心率监测系统(图2)。

　　模拟装置图AD8233CB-EBZ评价板。

　　图2:AD8233CB-EBZ评估板的标准配置支持三个电极心率监测系统。(来源:凯利讯半导体)

　　电路板可以直接连接到输入端的电极和输出的模数转换器(ADC)。虽然电极端子有限流电阻器，但明智的做法是先用心电信号发生器对电路板进行测试，而不是使用带电的物体。电阻器本身并不是一个全面的病人保护系统。它们可能无法保护通过电力和采集系统的供应线路瞬变或泄漏电流。要获得更多关于医疗系统设计、最佳实践和标准的指导，请从IEC 60601开始。

　　在构建ECG系统时，可能需要根据包括精确的应用程序和放置电极的考虑来更改增益和过滤。为了做到这一点，设计师需要调整AD8233的双极、高通滤波器和集成运算放大器的频率截止频率。在AD8233CB-EBZ上，通过更改组件值来进行调整。

　　通过控制开关位置、输入偏置选择和AD8233CB-EBZ上的电极，可以为AC和DC配置两种和三种电极配置。快速恢复的功能也可以通过在板上的开关来激活。

　　为了节省电池电量，AD8233包括一个关机销。AD8233CB-EBZ董事会还提供了一个开关进入待机模式,带来了AD8233典型的电流减少50μAμA小于1。

　　构建可穿戴心电设备

　　智能可穿戴医疗设备可以结合两个或多个功能，包括心率监测、计步器、活动跟踪、生物电位测量、生物阻抗测量和血氧测量。

　　在典型的设计中，AD8233扮演ECG模拟前端(AFE)的角色。AFE连接到模数转换器(ADC)，例如模拟设备的AD7915(图3)。

　　模拟装置图AD8233用作ECG AFE。

　　图3:在典型的智能可穿戴设计中，AD8233可以作为ECG AFE，为低功率ADC提供输入，例如AD7915 ADC。(来源:凯利讯半导体)

　　AD7915是一个16位ADC，专为电池供电的医疗应用而设计。和AD3233一样，AD7915也从单一电源运行，这有助于简化设计。在SPI端口上，系统的MCU的ADC接口。

　　在选择主要处理和控制功能的单片机时，寻找那些专为低功耗可穿戴设备设计的设备，因为它们已经解决了一些核心需求。这些要求包括精度(测量生命迹象时重要)、低功耗和相对全面的I/O，如NFC、USB、显示和音频。

　　一个很好的定制例子MCU是模拟设备的ADuCM350，它基于ARM 32位的Cortex-M3处理器。集成电路是一种“芯片上的高精度仪表”，用于监测生命体征、进行电流测量、电压测量和阻抗测量。

　　ADuCM350也可以由一个硬币电池供电，这是另一个节省空间的因素。

　　结合AD8233 AFE和ADuCM350单片机。

　　要将AD8233和ADuCM350结合并获得一个ECG信号，使用AD8233的评估板，并同时运行两种ic(图4)。

　　AD8233与ADuCM350结合的模拟装置示意图(按全尺寸点击)

　　图4:将AD8233与ADuCM350结合，进行生物阻抗和心电测量。(来源:凯利讯半导体)

　　第一步是校准系统中的AD8233 AFE确保两者的结合ICs没有退化其9.8µVp-p的噪声性能。这样做可以做空+IN和IN -IN - pin，并将它们连接到VBIAS。确定最大峰间噪声变化，并除以AD8233的增益(1100)。它应该结束µVp-p 5.8左右。

　　接下来，将AD8233_REFIN连接到ADuCM350上的VBIAS，并在AD8233上应用ECG生成器以+IN、IN和RLD。当ECG生成器设置为60 BPM时，输出信号应该如图5所示(图5)。

　　ECG发生器的图像设置为60 BPM。

　　图5:ECG发电机组设置在60 BPM时，心率监视器设计的输出应如图所示，指示组件和系统兼容性。(来源:凯利讯半导体)

　　结论

　　可穿戴设备为实现ECG系统带来了挑战，包括噪音和电力消耗问题。然而，专门为这个应用而设计的心电监护仪和评估板正变得越来越可用，并且得到了很好的支持。这使得工程师能够快速开发出解决这些问题的系统，并在可穿戴电子设备中提供准确、低功率、可靠的心率监测。