采用AD8232的米家新款心電衣

如果說測步數(shù)是新時代年輕人的“運(yùn)動教練”，那么測心率就是固定的“體檢方式”了。過去，ECG、血壓和呼吸頻率的測量只有醫(yī)院監(jiān)護(hù)儀才能提供。不過隨著可穿戴設(shè)備的興起，人們能夠在不借助全套醫(yī)學(xué)設(shè)備的情況下獲得大量有關(guān)身體狀況的信息，手環(huán)、手表、心電衣等帶有監(jiān)測功能的可穿戴設(shè)備逐漸成為了收集關(guān)鍵身體信息的便捷方法。

近期小米商城新上架了一款運(yùn)動心電衣，可在運(yùn)動狀態(tài)下測量心率，觀察心率的趨勢，也可在相對靜止?fàn)顟B(tài)下測量心電圖。而其測量核心的心電豆使用了來自ADI公司的單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)護(hù)模擬前端AD8232，這樣一款“歷久彌新”的經(jīng)典芯片，用在了米家最新款的心電衣上，不得不說是一個奇妙的組合~

提防“頭號殺手”，可穿戴設(shè)備“義不容辭”

心血管疾病是危及人類生命健康的“頭號殺手”，有數(shù)據(jù)顯示，每年心血管疾病死亡人數(shù)占全球死亡總?cè)藬?shù)的29%；中國心血管病患者2.9億，每5例死亡者中有2例死于心血管病。而這類疾病都是有征兆的，在發(fā)病期的2-3天前心率波形就會發(fā)生變化，所以一款能夠有效進(jìn)行心率監(jiān)測的可穿戴設(shè)備是至關(guān)重要的，既能夠測試靜態(tài)情況下的心臟情況，也要監(jiān)控在運(yùn)動過程中心臟在承壓工作中的問題，早發(fā)現(xiàn)早治療。

我們都知道心率和心臟活動監(jiān)護(hù)通常是使用ECG測量生理電信號來實(shí)現(xiàn)。ECG測量的是人體心臟由于每次心跳使心肌去極化和復(fù)極化而產(chǎn)生的電信號。信號幅度通常為0.5mV至4mV，測量頻率范圍在0.05Hz至40Hz之間。而這需要通過將電極與皮膚相連來監(jiān)測心臟活動，為了在診斷應(yīng)用中確保與人體的良好接觸，業(yè)界的很多可穿戴設(shè)備采用了雙電極胸帶。雖然可檢測到各種ECG波形，但大多數(shù)系統(tǒng)只測量心率，并且這些胸帶穿戴起來并不舒服，因此，體育和保健行業(yè)正在尋找替代方案，例如將電極集成到運(yùn)動衫上。

米家運(yùn)動心電衣

這款米家的運(yùn)動心電衣就是典型的例子，將精心設(shè)計(jì)的導(dǎo)電織物電極植入到運(yùn)動衣中實(shí)現(xiàn)無感檢測。貼身的設(shè)計(jì)不僅可以更準(zhǔn)確地測量心率還可以用作心臟功能測量或潛在心臟病事件（如心房顫動或持續(xù)高血壓）的預(yù)警。其中測量的核心就是來自ADI的AD8232單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)護(hù)儀前端，同時AD8232的設(shè)計(jì)初衷也是專為此類低功耗可穿戴應(yīng)用而開發(fā)的。

AD8232單導(dǎo)聯(lián)ECG 前端

AD8232是一款低功耗集成式信號調(diào)理前端，專門針對 ECG和其他生物電測量開發(fā)?？赏ㄟ^接觸或非接觸測量方式監(jiān)測心率，它使用兩個或三個電極從人體獲取心電信號。該芯片可將來自電極的微弱并帶有噪雜的信號轉(zhuǎn)換為經(jīng)過濾波的大信號，以便微控制器內(nèi)置的獨(dú)立模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)能輕松將其數(shù)字化。

搞定阻抗干擾，AD8232實(shí)力“濾波”

人體的電極電壓是毫伏級別的，在測量過程中獲取的信號很弱且很噪雜，從而對運(yùn)動相關(guān)的干擾噪聲很敏感，并且電極的金屬與皮膚接觸時會產(chǎn)生極大且不平衡的接觸阻抗，這會嚴(yán)重干擾采集信號的質(zhì)量。由于這個原因，濾波對于獲取有用的信號很重要。AD8232包含了一個可同時提供增益和高通濾波的輸入放大器，它能為微弱的ECG信號帶來100V/V增益，同時抑制電極失調(diào)電壓，電極失調(diào)最高可達(dá)±300mV。

AD8232內(nèi)置增益為100V/V的儀表放大器和一個高通濾波器，能阻止皮膚上電極的半電池電位產(chǎn)生的失調(diào)電壓。輸出緩沖器和低通濾波器則可抑制肌肉活動產(chǎn)生的高頻分量（EMG信號）。此低功耗前端功耗為170μA，還可與ADI另一款16位片上計(jì)量儀ADuCM350配合使用，進(jìn)行高性能、單導(dǎo)聯(lián)ECG測量。

AD8232的濾波電路

第一個濾波器的–3dB截止頻率為FHP1?3dB=100/(2πR1C1)。由于放大器的增益和反饋架構(gòu)，濾波器截止頻率比一般預(yù)計(jì)值高100倍。上圖顯示了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)信號傳輸?shù)姆糯笃骱透鞣N濾波器級電路圖。

第一級后跟一個交流耦合網(wǎng)絡(luò)，表示第二極點(diǎn)。截止頻率由常規(guī)的一階高通濾波器設(shè)置，即FHP2?3dB=1/(2πR2C2)。兩個高通濾波器組合總共產(chǎn)生–40dB/十倍頻程滾降。下一個濾波器級支持二階低通濾波器，采用Sallen-Key配置。AD8232濾波部分不僅可以消除運(yùn)動干擾噪聲，校正基線，還可以根據(jù)人體在不同運(yùn)動狀態(tài)下的電信號變化，進(jìn)行自動適應(yīng)和調(diào)整帶寬來獲取相對準(zhǔn)確的心電數(shù)據(jù)。

結(jié)語

隨著技術(shù)的進(jìn)步，可穿戴設(shè)備不再局限于醫(yī)療保健和家庭護(hù)理上，并逐漸在運(yùn)動市場開始發(fā)力。這對設(shè)備的功耗，尺寸和準(zhǔn)確度都提出了新的挑戰(zhàn)，而ADI 的技術(shù)可以將這些頗具挑戰(zhàn)性的難題轉(zhuǎn)變?yōu)橥晟频?a target="_blank">產(chǎn)品和完整的解決方案。就如同AD8232雖然是一塊八年前的產(chǎn)品，但是作為一款僅有4mm × 4mm小型封裝的全功能構(gòu)件塊，不僅功耗極低并且價格競爭力十足，在通過對芯片以及外圍電路的調(diào)整和優(yōu)化后應(yīng)用在最新款的心電衣上依舊是最合適的。

值得一提的是，ADI在ECG應(yīng)用上積累了非常多的芯片設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及系統(tǒng)工程經(jīng)驗(yàn)，不斷推出了更多的創(chuàng)新型產(chǎn)品。AD8233便是AD8232的升級版，與AD8232比具備更低功耗（減少67%），更小體積（減少70%）以及更低的噪聲（減少25%）。AD8233同時也是非常成熟的產(chǎn)品，在穿戴式和醫(yī)療應(yīng)用上也有非常多的成功案例。