基于ADAS1000簡化診斷級(jí)ECG應(yīng)用設(shè)計(jì)

時(shí)間：2011-12-20 12:28:32

關(guān)鍵字：應(yīng)用設(shè)計(jì) ECG ADAS1000 BSP

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[導(dǎo)讀] 在不久前于舊金山召開的2011年度國際固態(tài)電路會(huì)議上，與會(huì)專家紛紛指出電子技術(shù)將協(xié)助推動(dòng)醫(yī)療護(hù)理體系由醫(yī)院擴(kuò)大至居家，降低相關(guān)成本并提升民眾生活質(zhì)量，而新一代處理器、無線技術(shù)、電池技術(shù)與數(shù)據(jù)采集技術(shù)的結(jié)

在不久前于舊金山召開的2011年度國際固態(tài)電路會(huì)議上，與會(huì)專家紛紛指出電子技術(shù)將協(xié)助推動(dòng)醫(yī)療護(hù)理體系由醫(yī)院擴(kuò)大至居家，降低相關(guān)成本并提升民眾生活質(zhì)量，而新一代處理器、無線技術(shù)、電池技術(shù)與數(shù)據(jù)采集技術(shù)的結(jié)合將是實(shí)現(xiàn)這樣轉(zhuǎn)變的必要條件。

作為在現(xiàn)代醫(yī)療應(yīng)用中發(fā)揮極其重要作用并獲廣泛使用的檢測設(shè)備，心電圖（ECG）設(shè)備一直在見證這樣的轉(zhuǎn)變。心電圖之父 Willem Einthoven 一百多年前發(fā)明第一臺(tái)真正意義上的心電圖設(shè)備時(shí)，龐大而笨重，需要很多人參與操作才能實(shí)現(xiàn)一次心電圖檢測。而今天，高性能12導(dǎo)聯(lián)的心電圖儀已經(jīng)可以輕松裝入口袋之中。

作為全球領(lǐng)先的高性能信號(hào)處理解決方案供應(yīng)商及醫(yī)療設(shè)備行業(yè)的長期供應(yīng)商，ADI 公司近日推出支持 ECG 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)級(jí)和診斷級(jí)性能的全集成 AFE（模擬前端）系列芯片的首款產(chǎn)品 ADAS1000，能夠測量 ECG 信號(hào)、胸阻抗、起搏檢測、導(dǎo)聯(lián)連接/脫落狀態(tài)，并將此信息以數(shù)據(jù)幀的形式輸出，以可編程數(shù)據(jù)速率提供導(dǎo)聯(lián)/矢量或電極數(shù)據(jù)。ADAS1000的推出再次續(xù)寫了心電圖設(shè)備小型化、高性能的發(fā)展趨勢。

ADAS1000 讓 ECG 設(shè)計(jì)變得如此簡單

圖1是 ECG 設(shè)計(jì)的一個(gè)單導(dǎo)聯(lián) ECG 系統(tǒng)簡化系統(tǒng)功能框圖。如果采用分立器件實(shí)現(xiàn) ECG 設(shè)計(jì)，在模擬前端部分，每個(gè)導(dǎo)聯(lián)都需要實(shí)現(xiàn)圖中保護(hù)電路、緩沖、放大及濾波、ADC 等功能電路模塊。工程師獨(dú)立完成該系統(tǒng)設(shè)計(jì)將是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的工作：首先，分立器件的選擇需要參考眾多的性能指標(biāo)，包括濾采樣速率、帶寬、噪聲，等等；為使 ECG 測量輸出信息可用，必須保證通道之間的一致性；前端信號(hào)調(diào)理電路與 ADC 之間的匹配；眾多的調(diào)試點(diǎn)，調(diào)試工作量巨大……事實(shí)上，除了圖中所示的基本功能模塊外，用戶的設(shè)計(jì)工作可能還包括：構(gòu)建 RFI 濾波器以減少諸如手機(jī)、廣播等的無線干擾；選擇合適的阻容器件設(shè)定恰當(dāng)?shù)臑V波頻率；對(duì)敏感器件增加靜電屏蔽罩以避免 ESD 干擾，使產(chǎn)品滿足 IEC 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

ECG 系統(tǒng)框圖（單導(dǎo)聯(lián)）

采用 ADAS1000 集成模擬前端，上述問題都有效回避！所有的前端信號(hào)處理都在單芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，用戶所需要完成的僅僅是按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，通過數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵寄存器的設(shè)置。電路設(shè)計(jì)變得如此簡化，只需使用幾顆貼片阻容器件即可，可以大大地縮短 ECG 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間，而模擬前端部分的調(diào)試點(diǎn)也從以前分立解決方案的幾十個(gè)減少到現(xiàn)在的幾個(gè)，從而讓系統(tǒng)調(diào)試變得非常簡單，加快產(chǎn)品面市。

高集成度使 ADAS1000 心電圖模擬前端的信號(hào)鏈材料清單明顯縮減，從原來的多達(dá)50個(gè)器件減少到只需單芯片 ADAS1000 外加幾個(gè)分立器件，極大的簡化了多電極 ECG 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。圖3是完整的 ADAS1000 評(píng)估板，其中紅框中的電路是多通道 ECG 模擬前端部分，該電路中采用了兩塊 ADAS1000 芯片（為簡化測試結(jié)果的顯示，其中一塊未貼片）以實(shí)現(xiàn)多導(dǎo)聯(lián)擴(kuò)展。從圖中可以看到電路非常干凈（為方便測試，電路中增加了額外器件和布局考慮）。

ADAS1000內(nèi)部功能框圖

ADAS1000 還能支持 ECG 的無縫擴(kuò)展。ADAS1000 很好地解決了通道間的一致性問題，針對(duì)更多導(dǎo)聯(lián)的應(yīng)用需求，您可以靈活地利用多塊 ADAS1000 輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展，高一致性讓信號(hào)看起來就像來自同一塊芯片，幾乎不增加系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試難度。

ADAS1000 的其它主要特性和優(yōu)勢包括：直流耦合通道方案具有簡化輸入切換、增加功能、降低功耗和獨(dú)特的后處理優(yōu)勢；5個(gè) ECG 電極測量的工作功耗僅19mW，可以方便地禁用任何不用的通道或特性，使一個(gè)導(dǎo)聯(lián)的最低功耗僅11mW；低噪聲性能（0.05 Hz至150 Hz范圍內(nèi)10 µV峰峰值）支持終端設(shè)備監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)；提供不同的數(shù)據(jù)幀速率（2kHz、16kHz、128kHz），最大程度地簡化數(shù)據(jù)采集任務(wù)；能夠簡化整體設(shè)計(jì)，去除許多分立器件，并縮減系統(tǒng)整體尺寸、降低功耗、縮短開發(fā)時(shí)間。該器件還集成了起搏器脈搏檢測和呼吸測量功能，這些特性對(duì)于高性能 ECG 系統(tǒng)至關(guān)重要。

基于 ADAS1000的開發(fā)評(píng)估板

高集成度而不失設(shè)計(jì)靈活性

高集成度的優(yōu)勢通常以缺乏設(shè)計(jì)靈活性為代價(jià)，然而 ADAS1000 在某種程度上讓設(shè)計(jì)師更具設(shè)計(jì)靈活性，因?yàn)橛脩魩缀蹩梢岳?SPI 數(shù)據(jù)接口通過對(duì)寄存器配置，實(shí)現(xiàn)針對(duì)任何一個(gè)環(huán)節(jié)的相關(guān)特性進(jìn)行設(shè)定，包括濾波器帶寬設(shè)定、數(shù)據(jù)速率設(shè)定、采樣速率設(shè)定、通道禁用，等等。

心電圖設(shè)備針對(duì)不同的應(yīng)用有不同的要求，例如家用的便攜性、低功耗和低成本，而診所和醫(yī)院對(duì)設(shè)備的特性和性能要求更高。借助高度集成的 ADAS1000 AFE，設(shè)計(jì)人員將能開發(fā)出更緊湊、更便攜的新一代 ECG 系統(tǒng)，也可以提供有效分析病人心臟狀況所需的診斷級(jí)精度。該器件可以針對(duì)噪聲性能、功耗或數(shù)據(jù)速率進(jìn)行優(yōu)化配置，適合家用、救護(hù)車和臨床 ECG 系統(tǒng)。

功耗是便攜式 ECG 最重要的指標(biāo)。對(duì)于便攜式的動(dòng)態(tài)心電圖監(jiān)測儀，通常病人需要隨身攜帶連續(xù)一星期或幾天以了解心臟的跳動(dòng)規(guī)律，真正判斷心臟部位的健康狀況。對(duì)于這一類 ECG 市場來說，一般至少要保證8到10個(gè)小時(shí)的設(shè)備續(xù)航能力，就目前的鋰電池容量來看，這對(duì)系統(tǒng)的功耗設(shè)計(jì)是一個(gè)挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)工程師必須對(duì)系統(tǒng)中每一個(gè)用到的器件都要提出嚴(yán)格的功耗預(yù)算。ADAS1000 在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到了這一點(diǎn)，可以最大程度地實(shí)現(xiàn)功耗和性能的均衡考慮。為降低功耗，用戶在使用 ADAS1000 時(shí)可以方便地禁用任何不用的通道或特性，可以關(guān)閉信號(hào)采集通道，降低采樣速率，或采用不同的數(shù)據(jù)幀速率，從而可以使一個(gè)導(dǎo)聯(lián)的最低功耗低至11mW。此外，ADAS1000采用了一種靈活的功耗/噪聲調(diào)整選擇，可以針對(duì)特定應(yīng)用以容忍適當(dāng)噪聲來降低功耗，或以提高功耗為代價(jià)降低噪聲。

全面技術(shù)支持助您輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在推出集成模擬前端子系統(tǒng) ADAS1000 芯片同時(shí)，ADI 還提供了 ADAS1000 的全功能評(píng)估板，它包括該 AFE、電源、用于簡化開發(fā)和制造的控制與接口選項(xiàng)，并且能夠配置該 AFE（從5導(dǎo)聯(lián)到12導(dǎo)聯(lián)）進(jìn)行最終部署。包括全功能評(píng)估板和評(píng)估軟件平臺(tái)在內(nèi)的該套演示評(píng)估系統(tǒng)是對(duì) ADAS1000 芯片進(jìn)行性能評(píng)估的良好工具，板上兩片 ADAS1000 可支持演示1到12導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)（需軟件支持），而完整的 USB 控制軟件可讓用戶方便地對(duì)芯片進(jìn)行配置以及對(duì) ECG 信號(hào)和呼吸信號(hào)的觀察和分析；5V板上電源，兩片 ADP151 提供 ADAS1000 的通電需要；可選的在 CEG 通路上的 R&C 電路使得用戶可以按照系統(tǒng)要求靈活調(diào)整自己的濾波及線纜模式。為了簡化制造測試、開發(fā)以及提供整體上電測試，ADAS1000 通過 CAL DAC提供一套直流和交流測試激勵(lì)、CRC 冗余測試，以及對(duì)所有相關(guān)寄存器地址空間的回讀功能。

ADI 可以為 ECG 系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供除電極以外的全套配套器件，包括 Blackfin®DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）、單芯片 USB 隔離器 ADuM4160、四通道數(shù)字隔離器 ADuM2401、5kV DC/DC 轉(zhuǎn)換器ADuM6000、收發(fā)器 ADF7023、線性調(diào)節(jié)器 ADP150 和 ADP151。

除了提供演示評(píng)估系統(tǒng)和配套器件外，ADI 專門針對(duì)醫(yī)療電子應(yīng)用成立的健康保健事業(yè)部匯集了全球具有豐富醫(yī)療電子應(yīng)用設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的專家，他們可以為 ECG 產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更具針對(duì)性的專業(yè)建議，解決設(shè)計(jì)難題。

ADI助力中國廠商進(jìn)軍市場

與五大巨頭（GE、日立、飛利浦、西門子和東芝）瓜分主要蛋糕的全球 CT 市場不同，心電圖市場的全球主要供應(yīng)商達(dá)數(shù)十家，更有數(shù)以百計(jì)的中小規(guī)模制造商。因此，對(duì)于近年來迅速成長的中國本土醫(yī)療設(shè)備企業(yè)來說，快速增長的全球 ECG 市場是最具發(fā)展前景、更具競爭機(jī)會(huì)的市場之一。

ADI 擁有全球領(lǐng)先的模擬和數(shù)字技術(shù)，并將醫(yī)療電子作為重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域之一，ADI 公司更在四年前成立了專門的健康保健事業(yè)部以加強(qiáng)在該領(lǐng)域的持續(xù)技術(shù)領(lǐng)先性和技術(shù)服務(wù)能力。ADAS1000 產(chǎn)品的推出正是根據(jù)當(dāng)今 ECG 產(chǎn)品發(fā)展的特殊需求開發(fā)的高集成度芯片，高集成度、優(yōu)化的前端方案帶來的簡化設(shè)計(jì)優(yōu)勢和快速產(chǎn)品面市將有助于中國廠商的加入全球市場競爭，將推動(dòng) ECG 設(shè)備市場的新一輪革新。