實(shí)驗(yàn)室電路之用于病人監(jiān)護(hù)的心電圖前端

 連接/參考器件

ADAS1000集成呼吸與脈搏檢測的心電圖(ECG)前端

ADP151超低噪聲、200 mA CMOS線性穩(wěn)壓器

評估和設(shè)計(jì)支持

電路評估板

評估板(EVAL-ADAS1000SDZ)

系統(tǒng)演示平臺(tái)(EVAL-SDP-CB1Z)

設(shè)計(jì)和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢

本電路是高度集成的心電圖(ECG)前端，用于電池供電式病人監(jiān)護(hù)應(yīng)用。圖1顯示典型5導(dǎo)聯(lián)(4個(gè)肢體導(dǎo)聯(lián)和1個(gè)心前胸導(dǎo)聯(lián))ECG測量系統(tǒng)物理連接的頂層框圖，該系統(tǒng)集成了呼吸與脈搏檢測功能。這種配置通常用于便攜式遙測ECG測量或線路供電式床邊儀器的最小導(dǎo)聯(lián)設(shè)置。

在皮膚表面測量時(shí)，ECG信號(hào)幅度較小，通常為1 mV.有關(guān)病人的健康及其它參數(shù)的重要信息都蘊(yùn)藏在那個(gè)小信號(hào)之中，因此要求器件具有μV級的測量靈敏度。就系統(tǒng)而言，許多醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)都要求最大噪聲不超過30μV p-p;然而，設(shè)計(jì)人員通常把這一數(shù)值定的更低。因此，設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)層面需求的解決方案時(shí)，必須考慮所有的噪聲源。

ADAS1000的額定噪聲性能針對多種不同的工作環(huán)境。電源須經(jīng)過設(shè)計(jì)，確保不會(huì)降低整體性能。選擇ADP151線性穩(wěn)壓器是由于它的超低噪聲性能(9μV rms典型值，10 Hz至100 kHz)，配合ADAS1000的電源抑制性能，可確保ADP151產(chǎn)生的噪聲不影響整體噪聲性能。

圖1.用于典型4電極+ RLD或5導(dǎo)聯(lián)配置的ADAS1000簡化功能框圖(未顯示所有連接和去耦)

電路描述

ADAS1000五電極ECG模擬前端(AFE)解決新一代低功耗、低噪聲、高性能系留式和便攜式ECG系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)。

ADAS1000是一款高度集成的芯片，由五個(gè)電極輸入和一個(gè)專用右腿驅(qū)動(dòng)(RLD)輸出參考電極組成，專為監(jiān)控與診斷級ECG測量而設(shè)計(jì)。

除了支持監(jiān)控ECG信號(hào)的基本元件，ADAS1000還配備了呼吸測量(胸阻抗測量)、起搏偽像檢測、導(dǎo)聯(lián)/電極連接狀態(tài)以及內(nèi)部校準(zhǔn)等功能。

單個(gè)ADAS1000支持5個(gè)電極輸入，輕松進(jìn)行傳統(tǒng)的6導(dǎo)聯(lián)ECG測量。并聯(lián)第二個(gè)ADAS1000從機(jī)設(shè)備便可將系統(tǒng)調(diào)節(jié)到真正的12導(dǎo)聯(lián)測量(由9個(gè)電極和1個(gè)RLD組成)，若加入多個(gè)從機(jī)設(shè)備(3個(gè)或更多)，便可將系統(tǒng)調(diào)節(jié)到15導(dǎo)聯(lián)測量甚至更多。

呼吸 ADAS1000集成用于在46 kHz至64 kHz的可編程頻率下進(jìn)行呼吸驅(qū)動(dòng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，以及用于簡化這一復(fù)雜測量過程的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。測量信號(hào)經(jīng)解調(diào)，轉(zhuǎn)換為幅度和相位信息，可據(jù)此確定相應(yīng)的呼吸信息，從而得到具體的線纜參數(shù)。本電路使用內(nèi)部電容時(shí)分辨率為200 mΩ，使用外部電容時(shí)具有較高的分辨率(<200 mΩ)。電路具有靈活的開關(guān)方案，允許測量三個(gè)導(dǎo)聯(lián)中的一個(gè)(I、II或III)。

起搏檢測算法起搏檢測算法在四根可能的導(dǎo)聯(lián)線(I、II、III或aVF)中的三根上運(yùn)行三個(gè)數(shù)字算法實(shí)例。它與內(nèi)部抽取和濾波并行針對高頻心電圖數(shù)據(jù)運(yùn)行。該算法設(shè)計(jì)用于檢測并測量寬度范圍從100 μs到2 ms、幅度從400 μV到1000 mV的起搏偽像。ADAS1000返回一個(gè)標(biāo)志，用以表示是在一根還是多根導(dǎo)聯(lián)線上檢測到起搏信號(hào)，同時(shí)返回檢測到信號(hào)的高度和寬度。當(dāng)用戶希望運(yùn)行自己的數(shù)字起搏算法時(shí)，ADAS1000提供了一個(gè)高速起搏接口，以極快的數(shù)據(jù)速率(128 kHz)提供ECG數(shù)據(jù)，與此同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)接口上經(jīng)過濾波和抽取的ECG數(shù)據(jù)保持不變。

低功耗 ADAS1000針對低功耗設(shè)計(jì)，僅需21 mW便可進(jìn)行5個(gè)ECG電極的測量。若需進(jìn)一步降低電池供電式動(dòng)態(tài)心電和遙測儀等應(yīng)用的整體功耗，所有未用到的通道和特性都可輕松禁用，以便進(jìn)一步將單個(gè)ECG導(dǎo)聯(lián)的功耗降低至11 mW.

低噪聲

若需在不同條件下進(jìn)行正確診斷，則低噪聲性能至關(guān)重要。終端設(shè)備需要借助于ADAS1000的噪聲性能，以符合監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。ADAS1000允許在噪聲性能、功耗以及數(shù)據(jù)速率之間進(jìn)行權(quán)衡取舍，適合用于多種產(chǎn)品之中。在功耗并非主要問題的線路供電式ECG系統(tǒng)中，ADAS1000的性能同樣非常出色。

使用器件的高性能模式可優(yōu)化其噪聲性能，該模式下片上SAR ADC的采樣速率上升至2 MSPS，因此具有更高的信噪比(SNR)。

靈活的數(shù)據(jù)速率

標(biāo)準(zhǔn)串行接口可輸出所有ECG相關(guān)信息，包括導(dǎo)聯(lián)脫落狀態(tài)、起搏、呼吸和其它輔助功能。統(tǒng)稱“包”或“幀”的大量32位或16位數(shù)據(jù)字通過數(shù)據(jù)總線的串行SDO引腳輸出。提供不同的數(shù)據(jù)幀速率(2 kHz、16 kHz或128 kHz)，確保最終簡化數(shù)據(jù)采集任務(wù)。最低的數(shù)據(jù)速率(2 kHz)可實(shí)現(xiàn)更多抽取功能，并且針對低噪聲性能優(yōu)化了幀數(shù)據(jù)速率。還可在跳躍模式下讀取數(shù)據(jù)，該模式每次都在第二或第三個(gè)字時(shí)從設(shè)備讀取包或幀。數(shù)據(jù)速率最低為500 Hz.

ADAS1000評估板連接SDP板的照片見圖2.

評估板設(shè)計(jì)為提供1導(dǎo)聯(lián)至12導(dǎo)聯(lián)ECG測量。

圖2. ADAS1000評估板/SDP板(EVAL-SDP-CB1Z)

用于便攜式ECG應(yīng)用中的電池

用于便攜式ECG設(shè)備中的電池種類各異，在某些情況下可能會(huì)用AA或AAA電池，方便更換或充電。

電池增加了儀器儀表的整體重量。由于病人的舒適度非常重要，因此減少整體解決方案的尺寸和重量并保持電池壽命就成了便攜式ECG應(yīng)用的首要考量因素。

最新產(chǎn)品傾向于使用化學(xué)電池，如鋰離子電池，并且電池供電時(shí)間可從幾小時(shí)到幾天，具體時(shí)間視產(chǎn)品而定。

電池電壓范圍取決于系統(tǒng)中元器件的電源范圍。ADAS1000需要3.3 V的AVDD.因此，若使用了ADP151穩(wěn)壓器，則電池必須供應(yīng)至少3.7 V的電源，所需裕量為400 mV.鋰離子或鋰聚合物電池的標(biāo)稱電壓為3.7 V;然而，放電電壓大約為3.2 V.因此，需要兩個(gè)堆棧確保ADP151達(dá)到3.7 V的最小電壓。

選擇合適的電源解決方案ADAS1000至少需要兩條供電軌——AVDD和IOVDD.如表1所示，ADCVDD和DVDD供電軌是可選的;使用ADAS1000集成的片上LDO，可分別從AVDD或IOVDD供電軌獲取電源。

表1. ADAS1000所需的電源

AVDD和IOVDD在評估板上由3.3 V電源供電。為IOVDD供電軌選擇3.3 V，以保持與EVAL-SDP-CB1Z上的SPORT接口兼容。若需要與工作在較低電源電壓下的微控制器接口，則IOVDD電源電壓可低至1.65 V.

或者，如果需要電源效率更高的解決方案，可通過ADAS1000上的硬件引腳(VREG_EN)禁用ADCVDD和DVDD內(nèi)部供電軌，以便通過外部電源驅(qū)動(dòng)ADCVDD和DVDD供電軌。由于ADCVDD供電軌在片上為ADC供電，必須盡量保持其干凈，并且一定不能與含有噪聲的數(shù)字電源一同使用。

根據(jù)具體的工作模式，為單個(gè)ADAS1000供電的AVDD供電軌電源電流通常在8 mA和15 mA之間，并使能所有5路通道;可禁用不工作的通道以降低功耗。

專用的ADP151同時(shí)作用于評估板上的AVDD和IOVDD電源。注意每個(gè)ADP151都可驅(qū)動(dòng)200 mA電流，因此可為系統(tǒng)內(nèi)的其它元器件供電。ADP151穩(wěn)壓器的輸入來自電路板上供其它用途的5 V供電軌。

加入適當(dāng)?shù)臑V波后，單個(gè)ADP151即可同時(shí)提供AVDD和IOVDD供電軌的電源，確保AVDD供電軌不受IOVDD供電軌上的任何數(shù)字噪聲影響。

EVAL-ADAS1000SDZ評估板設(shè)計(jì)成能夠以大約250 mA為EVAL-SDP-CB1Z板提供所需的5 V電源。ADP2503降壓/升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器可由連接板卡的4.5 V至5.5 V輸入電源產(chǎn)生5 V供電軌。

若該硬件連接SDP板并由電池供電，則總功耗將很快耗盡電池的電量。

常見變化

ADAS1000系列中的其它引腳兼容型ECG前端提供的功能較少。例如，ADAS1000-4是3通道版本，帶脈搏與呼吸檢測功能;ADAS1000-3提供3路ECG通道但不帶脈搏或呼吸檢測功能。ADAS1000-2是配套器件，具有5路ECG通道，適用于組合配置模式，支持12導(dǎo)聯(lián)ECG測量(9個(gè)ECG電極和1個(gè)RLD)。表2列出了該系列各產(chǎn)品間的差異。這些產(chǎn)品系列確保了靈活的配置，可從較少的導(dǎo)聯(lián)數(shù)一路擴(kuò)展至15導(dǎo)聯(lián)測量，甚至更多。

可將DC-DC轉(zhuǎn)換器用于電源以獲得更高的效率，但需謹(jǐn)慎布局布線并避免紋波噪聲。

表2. ADAS1000系列不同產(chǎn)品的功能概覽

主接口針對希望使用自有數(shù)字起搏算法的用戶而提供，參見ADAS1000數(shù)據(jù)手冊中的“第二串行接口”部分。

電路評估與測試

設(shè)備列表

需要以下設(shè)備：

EVAL-ADAS1000SDZ套件，包括EVALADAS1000SDZ評估板、5 V壁式電源、含有ADAS1000評估軟件的CD

EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示板

集成USB端口的PC，且已安裝ADAS1000評估軟件

可用于信號(hào)捕捉的病人仿真器或函數(shù)發(fā)生器

有關(guān)如何使用ADAS1000評估板的詳細(xì)說明，請參考ADAS1000SDZ用戶指南。圖3顯示使用評估板軟件的典型屏幕截圖，評估板連接病人仿真器。

圖3.連接病人仿真器的ADAS1000屏幕截圖，心率= 70 BPM

噪聲測量評估板軟件用于捕獲采用ADAS1000評估板時(shí)ECG導(dǎo)聯(lián)路徑的峰峰值噪聲性能。結(jié)果如圖4所示。器件配置條件如下：

增益設(shè)置為1.4

ADC采樣速率為2 MSPS(高性能模式)

數(shù)據(jù)速率為2 kHz

在數(shù)字導(dǎo)聯(lián)模式下配置(數(shù)字計(jì)算型導(dǎo)聯(lián))

ECG通道連接1.3 V內(nèi)部測試音

圖4.使用ADAS1000評估板和評估軟件時(shí)導(dǎo)聯(lián)模式下ADAS1000噪聲測量的屏幕截圖

x軸表示時(shí)間，顯示幾秒內(nèi)的信號(hào)捕獲;y軸的單位為μV，表示這些條件下，信號(hào)在±7μV范圍內(nèi)變化的噪聲性能。這與期望的ADAS1000性能一致，并且與使用低噪聲線性臺(tái)式電源時(shí)相同硬件上的性能相當(dāng)。它證明了評估板上的ADP151電源電路并未導(dǎo)致ADAS1000整體噪聲的顯著增加。

使用本評估板和電路筆記的條件

有關(guān)完整的免責(zé)聲明，請參考ADAS1000SDZ用戶指南。

本評估板設(shè)計(jì)基于“原狀”提供，無任何形式的明示或暗示性擔(dān)保，ADI公司及其附屬機(jī)構(gòu)、員工、董事、管理層、委托人和代理人不承擔(dān)使用本板卡或設(shè)計(jì)造成的任何法律責(zé)任。除此之外，雙方了解并同意：若可以預(yù)料ADI公司產(chǎn)品發(fā)生故障或失效可能會(huì)導(dǎo)致人身傷害或死亡，則評估板或設(shè)計(jì)不允許用于安全至關(guān)重要的醫(yī)療應(yīng)用中(如生命支持等)。不允許使用本板卡作為診斷目的，不允許將其連接到人類或動(dòng)物身上。不可在除顫器或其它設(shè)備中使用本評估板，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生的高壓將超過板卡上的供電軌電壓。

本評估板僅限評估和開發(fā)使用，不可用作最終產(chǎn)品，或作為最終產(chǎn)品的一部分使用。在這些應(yīng)用中以任何方式使用本評估板或設(shè)計(jì)，則由使用者自行承擔(dān)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn);由于未經(jīng)授權(quán)使用而給ADI公司、其附屬機(jī)構(gòu)、員工、董事、管理層、委托人和代理人帶來的全部責(zé)任和費(fèi)用，應(yīng)由使用方賠償全部損失。使用方全權(quán)負(fù)責(zé)遵守與此類使用相關(guān)的所有法律和法規(guī)要求。