精密低功耗信號鏈：生物電勢測量挑戰(zhàn)簡介

在這個新的精密低功耗博客系列中，我們將深入探討進行生物電勢測量的挑戰(zhàn)。我們還將解決一些經(jīng)常出現(xiàn)的常見主題，例如：

設計精密低功耗信號鏈，最大限度地延長電池壽命

在存在各種干擾源的情況下測量小信號

了解電極以及與干電極良好接觸的困難

共模抑制比 （CMRR） 和右腿驅(qū)動 （RLD）

實施電極/導聯(lián)脫落檢測

第一個要點是需要強調(diào)的重要項目符號，不僅限于醫(yī)療保健可穿戴設備。環(huán)境監(jiān)測、現(xiàn)場儀表（電磁流量、液位、壓力和溫度檢測）、電化學氣體檢測和 pH 測量等應用都需要低功耗下的精度。那么，是什么讓這具有挑戰(zhàn)性呢？從更高電壓的雙極性電源到單 3.3V 或 1.8V 電源可大幅減少可用裕量，并限制可應用的增益。電池供電應用通?？臻g受限，因此PCB面積非常寶貴。此外，還必須考慮功率、噪聲、帶寬和測量采樣速率之間的權(quán)衡。

低功耗設計需要系統(tǒng)級方法來真正優(yōu)化電池壽命。幸運的是，ADI公司正在為完整的精密低功耗信號鏈提供建議、工具和支持，以協(xié)助實現(xiàn)這一目標。

為什么選擇生物電勢？

隨著可以檢測心房顫動（AFib）甚至睡眠呼吸暫停的產(chǎn)品的推出，基于健身的可穿戴設備和醫(yī)療保健技術之間的界限繼續(xù)模糊。過去兩年進一步強調(diào)了醫(yī)療級設備的需求和緊迫性，這些設備可以監(jiān)測家中患者的健康狀況，實現(xiàn)疾病的早期發(fā)現(xiàn)和預防，降低成本以及與醫(yī)生遠程溝通。生物電勢測量可以進一步用于各種其他應用，例如增強現(xiàn)實（AR），虛擬現(xiàn)實（VR），驗證用戶身份，甚至控制假肢。無論何種應用，采集這些信號的挑戰(zhàn)都是一樣的，本系列旨在解決設計中的痛點。如果未涵蓋某個主題，請隨時在我們專用的EngineerZone頁面上提出您的問題，用于精密低功耗信號鏈。

生物勢概述

圖 1 – 電極及其源感應的生物電勢信號 [1]

生物電勢是由體內(nèi)各種細胞的電化學活動產(chǎn)生的電信號。當這些細胞受到刺激時，會產(chǎn)生動作電位。動作電位是在相鄰細胞之間傳遞信息的一種方式，這些電位的積累可以產(chǎn)生通常測量的生物電位。圖2顯示了心臟內(nèi)的電活動和可以用皮膚電極測量的更易識別的ECG生物電位信號。這個3D心臟動畫更詳細地解釋了這一點。

圖 2 – 心臟中特殊細胞的波形和相應的 ECG 信號 [2]

測量這些生物電勢的困難在于存在其他不需要的干擾物。由于電極半電池電位和電極不匹配、緩慢移動的基線漂移、1/F噪聲和運動偽影，直流至低頻可能包含較大的偏移。請注意，這些信號不是共模，而是與生物電勢信號串聯(lián)出現(xiàn)。在較高頻率下，需要擔心的共模信號是來自交流電源的 50/60Hz。有時，其他生物電勢甚至可能是干擾源，例如測量心電圖時的肌電圖或測量腦電圖時的心電圖。圖3顯示了這些生物電勢和干擾源的重疊頻率范圍。

圖 3 – 生物電勢信號幅度、頻率范圍和干擾源示例

在下一篇博客中，我們將討論如何設計信號鏈來測量生物電勢，同時管理干擾源，包括交流和直流耦合解決方案。

審核編輯：郭婷