基于EFM32系列MCU的便攜式心臟監(jiān)測儀設計

Silicon Labs(亦稱“芯科科技”)微處理器可作為新型動態(tài)心臟監(jiān)測儀的核心，該監(jiān)測儀參考案例可連續(xù)運行長達 14 天，需要高性能和相對較低的功耗。本文詳細介紹了此款基于低功耗EFM32系列32位MCU設計的便攜式心臟監(jiān)測儀的開發(fā)考量、功能特色，以及研發(fā)團隊的心得。

前言

心臟電生理學家 Gust H. Bardy 博士推出了Bardy Diagnostics，并聘請了一支小型工程師團隊，將心律診斷精度的目標轉(zhuǎn)化為監(jiān)測心臟的設備的電路板。大部分工作都圍繞在記錄的心電圖中顯示更多的細微差別，向團隊介紹心律失常的多樣性和復雜性，并顯著改變和改進了經(jīng)常與動態(tài)心電圖監(jiān)測儀一起使用的軟件。

使用動態(tài)心臟監(jiān)測儀 CAM 打造更智能的利基市場

準確的診斷始于準確的心電圖描記。眾所周知，心電圖或ECG/EKG 是一種用于記錄心臟電活動的設備。本器械是無創(chuàng)性的，通常包括放置在胸部和四肢皮膚上的電極，以測量心臟的電活動。輸出信號可用于確定或檢測可能導致心臟驟停、中風或意識喪失的異常心律(即心律失常)。這些監(jiān)測儀稱為長期心電圖 (LT-ECG) 監(jiān)測儀，可佩戴 24/7 長達 14 天，無需更換監(jiān)測電極，使患者能夠淋浴、舒適睡眠和進行鍛煉。這與歷史悠久的 Holter 監(jiān)測儀形成鮮明對比，Holter 監(jiān)測儀只能僅佩戴 1-2 天，配有多根懸垂導線，并采用簡單的工程和心律分析。Bardy 博士發(fā)明的 CAM 貼片是一種提供卓越舒適性和合規(guī)性LT-ECG的設備。

Bardy Diagnostics高級研究員Gabriel Felix表示：“雖然傳統(tǒng)的監(jiān)測儀在檢測 R 波(來自心臟的最大電信號)方面非常出色，而且確實是心臟波形的重要組成部分，但僅 R 波不足以診斷許多異常心律。其他波的低振幅偏移中隱藏著許多其他信息。波形形狀的微小變化似乎對于幫助人們獲得改善健康和管理嚴重疾病所需的特定治療至關(guān)重要。” 需要優(yōu)化設計各個級別的 CAM 系統(tǒng)，以捕捉這些微小而微妙的信號。然而，人為因素至關(guān)重要，因為該設備對患者的日?；顒痈蓴_要最小。 “老實說，和典型的心臟監(jiān)測儀一樣，當您的身體被一圈電纜和傳感器包圍時，您唯一能去的地方就是躲在臥室里?！?從 Bardy 博士的角度來看，如果您想實踐良好的醫(yī)學，徹底革新一個領(lǐng)域，那么設計的各個方面都至關(guān)重要。從包裝到對心電圖進行全面解讀的人員的培訓，每件作品都必須充滿愛。然而，一切都圍繞著Bardy監(jiān)測儀的關(guān)鍵功能：能夠感知來自心臟的非常精細、細微的電信號。這既是一項電氣設計挑戰(zhàn)，又是機械、生物和化學方面的挑戰(zhàn)。尺寸、重量和舒適度對于成功至關(guān)重要。但是，如果沒有心電圖的細微細節(jié)，其他一切都沒有價值。

Silicon Labs低功耗MCU是便攜式心臟監(jiān)測儀的核心

Silicon Labs 花了二十多年時間磨練其無線通信技術(shù)，以便幫助像 Bardy Diagnostics 等公司能夠推動其領(lǐng)域的創(chuàng)新。開發(fā)無線醫(yī)療設備面臨著三項基本工程挑戰(zhàn)。您必須保證精確、快速地提供準確的測量結(jié)果，您需要通過強大的技術(shù)來增強醫(yī)療設備的無線安全性，并且您必須通過可靠的設計和低功耗技術(shù)來最大限度地延長電池壽命。 Bardy Diagnostics 小巧輕便的CAM貼片基于 Silicon Labs EFM32架構(gòu)?；颊?a target="_blank">接口傳感器連接到系統(tǒng)的核心MCU-EFM32TG210。此設備提供集成外設(ADC、SPI、ASYNC 串行接口和定時器功能)，運行功率極低，使 CAM 貼片能有效“捕捉”那些微小的心臟細節(jié)，這將 CAM 貼片與其他可用的監(jiān)測儀區(qū)分開來。

“首先，ADC 提供了分辨率和濾波選項，確保他們能夠獲得所需的原始數(shù)據(jù)采集，同時保持在功率預算范圍內(nèi)。其次，與其他架構(gòu)相比，EFM32TG微控制器的電源管理提供了卓越的節(jié)能效果。得益于極快的睡眠和喚醒轉(zhuǎn)換、外圍設備的自動操作和低功耗時鐘生成，EFM32TG超出了系統(tǒng)要求，并且可使用標準14電池進行長達 CR1225 天的連續(xù)心電圖記錄，”Silicon Labs 的 Brian Blum 解釋道。

Gabriel 還指出，EFM32TG210 的性能和功耗模式使他們能夠按照規(guī)范設計和構(gòu)建 CAM 貼片，并最終實現(xiàn)預期結(jié)果。他認為，在設計設備時，擁有符合性能期望的 MCU 是保持項目進度和預算的關(guān)鍵?！癊FM32架構(gòu)非常好，只需一塊 48 mAh 的 CR1225 電池，即可進行長達 14 天的全面數(shù)據(jù)記錄。正在捕獲的信號可以低至 150uVpp，即使在該范圍內(nèi)，模擬波形的精細細節(jié)仍然保持清晰。該 EFM32 架構(gòu)包含高性能 ADC，可捕獲這些細節(jié)，同時保持電磁安靜的輻射特性，使小細節(jié)不會受到干擾。集成的過采樣和超強且可配置的 ADC 功能是救生的關(guān)鍵。該 EFM32 架構(gòu)在當時絕對具有革命性，大多數(shù)芯片供應商仍在追趕?！?當被問及從設計到上市的歷程時，Gabriel 解釋說需要克服許多技術(shù)挑戰(zhàn)?！拔覀儧]有發(fā)現(xiàn)任何生產(chǎn)出如此低功耗的動態(tài)系統(tǒng)的廠商。通常，在醫(yī)療行業(yè)，幾十年來，心電圖的處理方式都是相同的，這點也不例外。當時的 CAM 貼片采用全新的前端設計，低噪音、低功耗。很難找到能夠自如地處理此類工作的人，因此我們的工程團隊直接在大學畢業(yè)(或在大學期間)就接受了培訓。到目前為止，我們相信拓撲無可匹敵，并且正在被越來越多的設備所采用，取代了傳統(tǒng)的前端拓撲?！?/p>

原文標題：【應用案例】以低功耗MCU為核心的便攜式心臟監(jiān)測儀

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審核編輯：湯梓紅