微功耗IC消除心率監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)

使用各種最新的微功耗、高精度 IC 組件，可以設(shè)計(jì)出還具有附加功能的低功耗心率監(jiān)測(cè)器 （HRM）。本文討論這些組件和功能。

設(shè)計(jì)便攜式心率監(jiān)測(cè)器的嚴(yán)格性足以讓任何人患上心絞痛。首先，心臟監(jiān)護(hù)儀必須滿足安全性、可靠性和準(zhǔn)確性的最高標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)人員還必須應(yīng)對(duì)紐扣電池的功率限制。將市場(chǎng)對(duì)增加功能但不增加空間、功率或成本的需求添加到需求列表中，胃灼熱就會(huì)開(kāi)始。

幸運(yùn)的是，松了一口氣。使用各種最新的微功耗、高精度 IC 組件，可以設(shè)計(jì)出還具有附加功能的低功耗心率監(jiān)測(cè)器 （HRM）。

低功耗IC最關(guān)鍵的功能是延長(zhǎng)HRM的電池壽命，HRM實(shí)時(shí)測(cè)量患者的心率或記錄下來(lái)以供以后研究。便攜式HRM使用電池長(zhǎng)時(shí)間工作，并且需要低電流消耗。幾十年來(lái)，低壓電池一直被用作動(dòng)態(tài)心電圖監(jiān)護(hù)儀和其他便攜式心電圖系統(tǒng)中的單一電源，以確保安全。心臟病患者或敏感設(shè)備最不需要的就是“熱”線路電壓的沖擊。微功率IC工作在低電壓和低電流，從而節(jié)省電池電量。

人力資源管理的模擬前端

計(jì)算心率和顯示心電波是HRM的主要目的，它還應(yīng)提供導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)。圖1顯示了人力資源管理設(shè)計(jì)的框圖。模擬前端使用微功率儀表放大器（儀表放大器）和運(yùn)算放大器（運(yùn)算放大器）以及微轉(zhuǎn)換器，其中包括12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、采樣保持放大器和數(shù)字處理器。處理后的數(shù)據(jù)被發(fā)送到PC進(jìn)行顯示。

圖1.微功耗儀表放大器是心率監(jiān)測(cè)器的出色輸入放大器

微功耗儀表放大器是出色的輸入放大器。低功耗、小尺寸、高共模抑制比 （CMRR） 以及軌到軌輸入和輸出非常適合電池供電型應(yīng)用。高性能微功耗儀表放大器解決了測(cè)量體表電位的許多典型挑戰(zhàn)，范圍為0.2 mV至2 mV。此應(yīng)用的最佳儀表放大器應(yīng)具有高CMRR，以幫助抑制共模信號(hào)，例如來(lái)自手術(shù)室設(shè)備的線路噪聲或高頻EMI。軌到軌輸出有助于寬動(dòng)態(tài)范圍，從而實(shí)現(xiàn)比典型儀表放大器更高的增益。此外，設(shè)計(jì)人員應(yīng)尋找能夠?qū)崿F(xiàn)自然RC濾波器的微功耗儀表放大器，以便在放大器前面使用串聯(lián)輸入電阻時(shí)降低高頻噪聲。

在主信號(hào)鏈中的微功耗儀表放大器之后，是一個(gè)積分器反饋網(wǎng)絡(luò)，由4.7 μF電容和100 kΩ電阻實(shí)現(xiàn)，用于設(shè)置高通濾波器的?3 dB截止頻率。它可抑制電極半電池過(guò)電位可能產(chǎn)生的任何差分直流偏移。微功耗運(yùn)算放大器提供 13× 的額外增益來(lái)放大微弱信號(hào)。有源二階低通貝塞爾濾波器可消除大于約50 Hz的信號(hào)。

由于該電路由電池供電，因此將電路的基準(zhǔn)電壓連接到患者允許患者充當(dāng)基準(zhǔn)電壓源，從而增加共模抑制。這在測(cè)量ECG信號(hào)時(shí)很重要。請(qǐng)注意，某些機(jī)器將通過(guò)踩踏產(chǎn)生動(dòng)力，因此不使用隔離。

參考

本設(shè)計(jì)假設(shè)ECG信號(hào)范圍為0.2 mV至2 mV。為防止信號(hào)被箝位并最大化ADC的動(dòng)態(tài)范圍（0 V至1.25 V），增加了0.625 V偏置。如圖2所示，電阻分壓器和緩沖器產(chǎn)生0.625 V基準(zhǔn)電壓源，該基準(zhǔn)電壓源也用于偏置ECG信號(hào)，如圖1所示。

圖2.電阻分壓器和緩沖器產(chǎn)生0.625 V基準(zhǔn)電壓源

導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)

如果電極的電接觸不良，HRM 應(yīng)發(fā)出警報(bào)。當(dāng)與微功耗儀表放大器輸入端的兩個(gè)20 MΩ電阻配合使用時(shí)（見(jiàn)圖1），當(dāng)電極從患者身上脫落時(shí)，電阻會(huì)偏移輸入。正常工作時(shí)，微功耗儀表放大器的輸出是基準(zhǔn)電壓;如果電極脫落，輸出變?yōu)? V。 圖3顯示了導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)電路;微功耗儀表放大器的輸出連接到檢測(cè)電路的輸入端。

圖3.儀表放大器輸出連接到導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)電路的輸入端

實(shí)際上，導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)電路是一個(gè)比較器，其遲滯是使用放大器實(shí)現(xiàn)的。高增益比較器確定輸入電壓是高于還是低于基準(zhǔn)電壓，并輸出表示凈差值符號(hào)的電壓。遲滯通過(guò)使用少量的正反饋來(lái)消除噪聲引起的不穩(wěn)定性。在單電源操作中，基準(zhǔn)電壓源必須失調(diào)，以使電路完全在第一象限內(nèi)工作。圖 4 顯示了如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。電阻分壓器（R2和R1）產(chǎn)生一個(gè)正基準(zhǔn)電壓，與輸入電壓進(jìn)行比較。設(shè)計(jì)直流閾值的公式如圖4所示。

圖4.比較器在單電源供電中的工作原理

參考圖3，R1 = 5.1 kΩ，R2 = R3 = 2.4 MΩ，V抄送= 3.3 V， V老= 0 V， V哦= 3.3 V. 使用圖 4 中的公式，
我們計(jì)算：

正常工作時(shí)，微功耗儀表放大器的輸出應(yīng)為 V裁判，因此當(dāng)引線斷開(kāi)時(shí)，比較器的輸出為0 V。當(dāng)比較器的輸出上升到3.3 V時(shí)，微功耗儀表放大器的輸出也是0。 根據(jù)微控制器的中斷模式，上升沿或高電平可以觸發(fā)微控制器的中斷。當(dāng)引線再次導(dǎo)通時(shí)，比較器的輸出將降至0V，下降沿或低電平可以觸發(fā)中斷。

微轉(zhuǎn)換器中的信號(hào)處理

圖5顯示了HRM的模擬輸出。我們可以看到從220 V電源線耦合的50 Hz噪聲。采集的信號(hào)可由微轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字陷波濾波器處理。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于200 Hz采樣頻率的二階FIR濾波器。 使用極點(diǎn)零點(diǎn)放置方法，陷波濾波器設(shè)計(jì)用于抑制50 Hz干擾。

圖5.監(jiān)視器的模擬輸出顯示從電源線耦合的噪聲

來(lái)自MATLAB的FDATool（如圖6所示）用于設(shè)計(jì)陷波濾波器。在極點(diǎn)零點(diǎn)圖中，兩個(gè)零點(diǎn)放置在 ±π/2 相位。在 200 Hz 采樣率下，將刪除 50 Hz 分量。

圖6.使用MATLAB的FDATool，數(shù)字陷波濾波器旨在消除噪聲

零點(diǎn)放在一個(gè)單位圓圈中——FIR的系數(shù)是整數(shù)——因此微轉(zhuǎn)換器的計(jì)算負(fù)擔(dān)將大大減少。傳遞函數(shù)如下：

傳遞函數(shù)可以轉(zhuǎn)換為可編程遞歸算法，

其中：
n，表示現(xiàn)值
n ? 1 表示前一瞬間的值，依此類(lèi)推。
根據(jù)系數(shù)，C碼如圖7所示。

圖8顯示了數(shù)字陷波濾波器后的ECG波。50 Hz 噪聲已被消除。

圖7.陷波濾波器的C代碼

圖8.心電波，減去噪音，顯示在PC上

心率計(jì)算的準(zhǔn)確性

根據(jù)心臟監(jiān)護(hù)儀、心率計(jì)和警報(bào)器的 ANSI/AAMI EC13：2002 標(biāo)準(zhǔn)，允許的最小心率計(jì)范圍為 30 bpm 至 200 bpm，允許的讀數(shù)誤差“不大于輸入速率的 ±10%，或 ±5 bpm，以較大者為準(zhǔn)”。

這種HRM設(shè)計(jì)使用福祿克的MPS450多參數(shù)ECG模擬器，以不同的心率在HRM板的輸入端生成ECG信號(hào)。微型轉(zhuǎn)換器對(duì)電路板的輸出進(jìn)行采樣并計(jì)算心率值，然后將其傳輸?shù)絇C進(jìn)行顯示。

功耗

HRM設(shè)計(jì)為由鋰電池或紐扣電池供電，因此可以長(zhǎng)時(shí)間用于便攜式應(yīng)用，例如運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。應(yīng)保證模擬前端的工作電壓范圍為1.8 V至5 V。

采用3.3 V電源時(shí)，模擬前端板功耗為300 μA，微轉(zhuǎn)換器功耗為330 μA（使用1 MHz內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘）。HRM 的總電流消耗為 660 μA。 假設(shè)紐扣電池容量為 50 mA，該電池可以確保大約 75 小時(shí)的工作時(shí)間——對(duì)于便攜式顯示器來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非?？捎^的持續(xù)時(shí)間——這在很大程度上是由低功耗 IC 實(shí)現(xiàn)的。

審核編輯：郭婷