高性能模擬技術(shù)助力降噪聆聽“心動(dòng)”的信號(hào)

醫(yī)學(xué)正在全球發(fā)生著重大轉(zhuǎn)變，大部分變化都是基于無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)更小型設(shè)備的日益增長(zhǎng)的需求，這些設(shè)備能夠在任何地方進(jìn)行監(jiān)測(cè)、成像和患者診斷。心電圖(ECG)作為一種常見的醫(yī)療記錄，隨著ECG子系統(tǒng)越來(lái)越多地投入醫(yī)院外應(yīng)用，這就給ECG設(shè)計(jì)工程師提出了相當(dāng)嚴(yán)苛的要求：如何實(shí)現(xiàn)安全有效、能夠應(yīng)對(duì)目標(biāo)使用環(huán)境挑戰(zhàn)的ECG子系統(tǒng)。

通常而言，心電圖系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量活組織表面電位來(lái)記錄心臟在一段時(shí)間內(nèi)的電性活動(dòng)，它使用生物電位電極來(lái)拾取身體特定部位的心臟信號(hào)，兩個(gè)電極間的差分電壓或某一電極與多電極平均電壓之間的差分電壓可在測(cè)量后顯示為ECG輸出上的一個(gè)通道。ECG子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)則包括安全、共模/差模干擾、輸入動(dòng)態(tài)范圍要求、設(shè)備可靠性和保護(hù)、降噪以及EMC/RFI考慮等多個(gè)方面，本文以全球高性能模擬技術(shù)提供商ADI 公司提供的針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境的兩種心電圖測(cè)量解決方案為例，分享關(guān)于如何應(yīng)對(duì)ECG系統(tǒng)設(shè)計(jì)各種挑戰(zhàn)的方法建議。

如何打造可穿戴設(shè)備成為隨身心電“監(jiān)控儀”?

智能手機(jī)與移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，穿戴式健康設(shè)備能夠監(jiān)測(cè)用戶的重要生理信號(hào)，通過(guò)手機(jī)接入移動(dòng)通信網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送或共享，從而實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)并降低醫(yī)療成本，為穿戴式健康監(jiān)測(cè)提供了新的機(jī)遇。不過(guò)對(duì)患者而言，穿戴大塊頭、笨重、顯眼的監(jiān)護(hù)儀會(huì)很不舒服，甚至干擾到日常生活，因此可穿戴心電腕帶或手環(huán)與心電胸貼逐漸成為更合適的選擇。

用于數(shù)據(jù)收集的ADI腕表以及可以從ADI生命體征監(jiān)測(cè)(VSM)平臺(tái)獲取的示例信號(hào)

為滿足這種新興的便攜式與佩戴式監(jiān)控設(shè)備和遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)設(shè)備的ECG信號(hào)調(diào)理要求，ADI專門設(shè)計(jì)了單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)護(hù)儀模擬前端AD8233。作為一款用于心電圖及其他生物電測(cè)量應(yīng)用的集成信號(hào)調(diào)理模塊，該器件能夠在具有運(yùn)動(dòng)或遠(yuǎn)程電極放置產(chǎn)生噪聲的情況下提取、放大及過(guò)濾微弱的生物電信號(hào)，使得超低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或嵌入式微控制器能夠輕松地采集輸出信號(hào)。

與當(dāng)前很多集成解決方案中采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，除了具有小巧的2mm × 1.7mm WLCSP封裝之外，AD8233擁有著采用雙極高通濾波器的高度靈活的模擬濾波配置，通過(guò)結(jié)合芯片內(nèi)部的儀表放大器架構(gòu)和無(wú)使用約束運(yùn)算(增益)放大器，能支持用戶采用多極低通濾波技術(shù)來(lái)消除線路噪聲和其他干擾，將醫(yī)療監(jiān)護(hù)的價(jià)值和性能提升到一個(gè)新水平，目前已被多家心電手環(huán)和心電胸貼廠商看重并應(yīng)用。

同時(shí)為了提高系統(tǒng)線路頻率和其他不良干擾的共模抑制性能，AD8233內(nèi)置一個(gè)右腿驅(qū)動(dòng)(RLD)放大器，用于受驅(qū)電極應(yīng)用。此外AD8233包含一項(xiàng)快速恢復(fù)功能，可以減少高通濾波器原本較長(zhǎng)的建立長(zhǎng)尾現(xiàn)象，如果放大器軌電壓發(fā)生信號(hào)突變(如導(dǎo)聯(lián)脫離情況)，AD8233將自動(dòng)調(diào)節(jié)為更高的濾波器截止?fàn)顟B(tài)。該功能讓AD8233可以實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)，因而在導(dǎo)聯(lián)連接至測(cè)量對(duì)象的電極之后能夠盡快取得有效的測(cè)量值。

此外，可穿戴式的心臟監(jiān)護(hù)儀需要能夠進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)以提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，不能因電池充電或更換而中斷，因此確保長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間也是一項(xiàng)至關(guān)重要的特性。而AD8233 AFE的功耗在微安級(jí)，使電池續(xù)航時(shí)間得以大大延長(zhǎng)。因此雖然此設(shè)計(jì)的初衷是針對(duì)ECG應(yīng)用，但實(shí)際上任何需要放大低頻小信號(hào)(IA帶寬<1kHz)的應(yīng)用都可受益于其低功耗和小尺寸，在許多其他物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、WSN或低功耗設(shè)計(jì)中也能看到AD8233的身影。

高性能臨床診斷型設(shè)備更看重哪些指標(biāo)?

對(duì)于需求一流信號(hào)處理能力的臨床應(yīng)用，ADI同樣提供多種領(lǐng)先的高性能診斷級(jí)模擬前端，例如高度集成的ADAS1000模擬前端，便是高性能診斷級(jí)ECG監(jiān)測(cè)的首選方案。

作為功能全面的最多可實(shí)現(xiàn)5通道ECG模擬前端，ADAS1000能夠測(cè)量心電圖(ECG)信號(hào)、胸阻抗、起搏偽像及導(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)。此外，它還具有一些有助于提高ECG信號(hào)采集質(zhì)量的輔助特性，包括：多通道導(dǎo)聯(lián)驅(qū)動(dòng)選擇、可選的參考驅(qū)動(dòng)、快速過(guò)載恢復(fù)、直接輸出幅度和相位信息的呼吸電路、三導(dǎo)聯(lián)起搏檢測(cè)算法，以及交流或直流導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)選項(xiàng)。多個(gè)數(shù)字輸出選項(xiàng)則確保監(jiān)控和分析信號(hào)的靈活性。附加功能如高采樣輸出可在外部DSP、微處理器或FPGA上執(zhí)行，滿足高端客戶的需求。

典型5導(dǎo)聯(lián)配置的ADAS1000簡(jiǎn)化功能框圖

由于臨床型ECG系統(tǒng)功能配置相對(duì)豐富，ADAS1000采用一種功耗/噪聲調(diào)整結(jié)構(gòu)，以提高功耗為代價(jià)降低噪聲，可以關(guān)閉某些不用的信號(hào)采集通道，或者降低數(shù)據(jù)速率以達(dá)到省電的目的。

而針對(duì)除顫器脈沖和ESD，ECG電纜作為心臟監(jiān)視除顫器的一部分，通常利用一系列電阻(額定功率高壓電阻)來(lái)限制流入ECG前端的電流。另外，在某些保護(hù)電路中，保護(hù)電阻的ECG端具有氬燈或氙燈，用以將前置放大器端電壓限制在100V以下，此外還有限壓和限流器件來(lái)確保ECG系統(tǒng)不會(huì)受損。如果沒有某種形式的保護(hù)，多數(shù)有源器件將無(wú)法耐受ESD測(cè)試相關(guān)的電壓。為了幫助設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)分立式除顫器保護(hù)電路，ADAS1000 ECG AFE的封裝引腳具有大ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)過(guò)評(píng)估測(cè)試，能夠耐受最大的源/吸電流。

此外，為了處理噪聲問(wèn)題，ADI公司使用多種電路技術(shù)來(lái)消除典型輸入放大器的1/f噪聲，同時(shí)仍然保持較低的高斯噪聲和出色的線性度，ADI CMOS工藝也能將電報(bào)噪聲降低到非常低的水平。

總結(jié)

健康與每個(gè)人都息息相關(guān)，已成為當(dāng)今人類社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。無(wú)論是要求低功耗的便攜可穿戴式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，還是要求高性能的臨床診斷型設(shè)備，都隨著模擬電子與信號(hào)鏈技術(shù)的不斷發(fā)展而在測(cè)量精度上“精益求精”。本文以ADI公司提供的兩種心電圖測(cè)量解決方案的不同側(cè)重反映了未來(lái)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)發(fā)展的兩大方向，也為積極推動(dòng)智慧醫(yī)療的全面落地提供了很好的實(shí)現(xiàn)示例。