可穿戴設(shè)備的ECG系統(tǒng)克服心電圖噪聲和功率挑戰(zhàn)

用于個人和遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測的可穿戴心電圖（ECG）設(shè)備的需求正在增加，并且隨之而來的是對精度，可靠性和更長電池壽命的要求。這對設(shè)計人員提出了挑戰(zhàn)，因為ECG讀數(shù)對運(yùn)動和其他干擾源非常敏感，并且ECG信號的處理消耗了大部分可用的電池電量。

為了提高可靠性和用戶體驗，可穿戴設(shè)備的設(shè)計者需要一種可以提取，放大和過濾小生物電位信號，同時消耗最少功率的解決方案。為此，新的ECG心率監(jiān)測IC可以在創(chuàng)建下一代心臟監(jiān)測中發(fā)揮核心作用。

了解可穿戴設(shè)備中心電圖需求的脈搏

心電圖測量心律并幫助診斷患者的心臟問題，包括心臟病發(fā)作，心臟血流不暢和其他異常情況心臟病。

心電圖記錄心肌組織產(chǎn)生的電活動。該活動產(chǎn)生電壓或“生物電位”，其擴(kuò)散到皮膚。雖然生物電位在微伏范圍內(nèi)，但可以使用連接到皮膚的ECG電極以無創(chuàng)方式可靠地測量。

專業(yè)ECG系統(tǒng)可以使用多達(dá)10個電極連接到胸部和四肢?？纱┐鱁CG系統(tǒng)，例如胸帶和智能襯衫，使用較少的電極并且通常使用兩個或三個電極配置。這種方法減少了ECG系統(tǒng)的占地面積，提高了患者的舒適度，但舒適度必須與準(zhǔn)確性和可靠性相平衡。

這種平衡行為對于可穿戴ECG很難，因為應(yīng)用呈現(xiàn)出各種各樣的嘈雜環(huán)境導(dǎo)致信號波動的因素。即使是輕微的身體動作，如口香糖或制作面部表情，也會在ECG測量中引入噪音。由于用戶在佩戴配備ECG的可穿戴設(shè)備時可能參與身體活動，因此運(yùn)動是噪音的重要來源。其他因素也可能導(dǎo)致噪聲，包括來自電力線或其他電氣設(shè)備的干擾。

可穿戴ECG系統(tǒng)的另一個現(xiàn)實是電池電量有限。一款良好的高端智能手表，運(yùn)行速度為246毫安小時的3.78伏鋰離子電池可以運(yùn)行18小時的混合使用?？紤]到所需的通信和處理量，這是非常了不起的。

為了解決這些噪聲和功率問題，半導(dǎo)體供應(yīng)商現(xiàn)在提供專為可穿戴設(shè)備中的心率監(jiān)測而設(shè)計的集成電路（IC）。

用于可穿戴ECG的IC

這些IC中的一個是ADI公司的AD8233ACBZ-R7，這是一個完全集成的單引線ECG前端。 AD8233內(nèi)置一個專用儀表放大器，一個運(yùn)算放大器，一個右腿驅(qū)動（RLD）放大器和一個中間電源參考緩沖器。如果在移動或活動用戶應(yīng)用程序中意外斷開連接，它還具有“開/關(guān)”導(dǎo)聯(lián)和自動快速恢復(fù)電路，可在重新連接ECG導(dǎo)聯(lián)后快速恢復(fù)信號（圖1）。

圖1：AD8233 AFE集成了實現(xiàn)適用于可穿戴設(shè)備的心率監(jiān)測器前端所需的電路，包括ECG導(dǎo)聯(lián)斷開檢測和重新連接后快速恢復(fù)。 （來源：ADI公司）

噪聲關(guān)閉

AD8233設(shè)計用于在嘈雜條件下處理小的生物電勢信號，并為低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）產(chǎn)生輸出。

為了消除運(yùn)動偽影，例如由物理活動產(chǎn)生的運(yùn)動偽像，AD8233實現(xiàn)了一個雙極點(diǎn)高通濾波器。該濾波器還消除了電極半電池電位。這種半電池電位可能對ECG信號采集提出了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，因為它具有比生物電勢高得多的電壓。

AD8233還集成了一個非專用運(yùn)算放大器，可用于實現(xiàn)三極低電平 - 通過濾波器，可以進(jìn)一步降低噪音。 RLD放大器還通過改善共模抑制比（CMRR）來幫助管理噪聲。它通過檢測信號輸入端存在的共模電壓，然后將相反的信號驅(qū)動到患者體內(nèi)來實現(xiàn)。這種驅(qū)動電極功能可在患者和AD8233之間保持恒定電壓，從而提供高CMRR。

導(dǎo)線開/關(guān)檢測

檢測電極的連接狀態(tài)并提醒系統(tǒng)和用戶如果發(fā)生故障，AD8233包括引線開/關(guān)檢測電路。如前所述，這在用戶可能處于運(yùn)動狀態(tài)的可穿戴設(shè)備中特別有用。

開/關(guān)檢測可以在兩個或三個電極配置中工作。在關(guān)斷模式下，電路也可繼續(xù)工作。因此，開/關(guān)檢測的輸出可以作為ECG設(shè)計中微控制器的喚醒信號，從而使整個系統(tǒng)節(jié)省功耗。

AD8233包括快速恢復(fù)與開/關(guān)檢測電路協(xié)同工作的功能。在導(dǎo)線關(guān)閉狀態(tài)引起突然的信號變化后，快速恢復(fù)功能允許AD8233在電極重新連接到用戶后迅速恢復(fù)。

帶有AD8233的ECG電路板

為了讓設(shè)計人員快速啟動，AD8233CB-EBZ評估板將AD8233呈現(xiàn)在適用于健身應(yīng)用的可穿戴ECG前端設(shè)計中。電路板的標(biāo)準(zhǔn)配置是一個三電極心率監(jiān)測系統(tǒng)，連接到用戶手中（圖2）。

圖2：標(biāo)準(zhǔn)配置AD8233CB-EBZ評估板支持三電極心率監(jiān)測系統(tǒng)。 （來源：ADI公司）

電路板可以直接連接到輸入端的電極和輸出端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。雖然電極端子具有限流電阻，但最好首先使用ECG信號發(fā)生器測試電路板而不是使用實時主體。電阻器本身并不是一個全面的患者保護(hù)系統(tǒng)。它們可能無法防止電源和采集系統(tǒng)中的電源線瞬態(tài)或漏電流。有關(guān)醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計，最佳實踐和標(biāo)準(zhǔn)的更多指導(dǎo)，請從IEC 60601開始。

在構(gòu)建ECG系統(tǒng)時，可能需要根據(jù)包含精確度的考慮因素更改增益和過濾。應(yīng)用和電極的放置。為此，設(shè)計人員需要調(diào)整AD8233的雙極高通濾波器以及集成運(yùn)算放大器的頻率截止頻率。在AD8233CB-EBZ上，通過更改元件值進(jìn)行調(diào)整。

通過操作AD8233CB-EBZ上的開關(guān)位置，輸入偏壓選擇和電極，可以將引線開/關(guān)檢測系統(tǒng)配置為交流和直流兩種和三種電極配置?？焖倩謴?fù)功能也可以通過電路板上的開關(guān)激活。

為了節(jié)省電池電量，AD8233包括一個關(guān)斷引腳。 AD8233CB-EBZ板還提供了一個進(jìn)入待機(jī)模式的開關(guān)，使AD8233的電流消耗從典型的50μA降至1μA以下。

構(gòu)建可穿戴式ECG設(shè)備

智能可穿戴醫(yī)療設(shè)備可以結(jié)合兩種或更多功能，包括心率監(jiān)測，計步器，活動跟蹤，生物電位測量，生物阻抗測量和血氧測量。

在典型設(shè)計中，AD8233執(zhí)行ECG模擬前端（AFE）的作用。 AFE鏈接到模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），例如ADI公司的AD7915（圖3）。

圖3：In AD8233是典型的智能可穿戴設(shè)計，可用作ECG AFE，為低功耗ADC（如AD7915 ADC）提供輸入。 （來源：ADI公司）

AD7915是一款16位ADC，專為電池供電的醫(yī)療應(yīng)用而設(shè)計。與AD3233一樣，AD7915采用單電源供電，簡化了設(shè)計。 ADC通過SPI端口連接到系統(tǒng)的MCU。

在為主要處理和控制功能選擇MCU時，請尋找專為低功耗可穿戴設(shè)備設(shè)計的MCU，因為它們已經(jīng)滿足了一些核心要求。這些要求包括精度（測量生命體征時很重要），低功耗和相對全面的I/O，如NFC，USB，顯示器和音頻。

一個很好的定制示例MCU是ADI公司的ADuCM350，它基于ARM 32位Cortex-M3處理器。 IC是一種“芯片上的高精度儀表”，用于監(jiān)測生命體征，進(jìn)行電流，伏安和阻抗測量。

ADuCM350還可以通過紐扣電池供電，這是另一個節(jié)省空間的因素。

組合AD8233 AFE和ADuCM350 MCU

要將AD8233和ADuCM350組合在一起并獲得ECG信號，請使用AD8233的評估板，并使用相同的3.3 V電源運(yùn)行兩個IC（圖4）。

圖4：將AD8233與ADuCM350相結(jié)合，進(jìn)行生物阻抗和ECG測量。 （來源：ADI公司）

第一步是在系統(tǒng)內(nèi)校準(zhǔn)AD8233 AFE，以確保兩個IC的組合不會降低其規(guī)定的9.8μVp-p的噪聲性能。通過短接+ IN和-IN引腳并將它們連接到VBIAS來完成此操作。確定最大峰峰值噪聲變化，并將其除以AD8233的增益（1100）。它最終應(yīng)該在5.8μVp-p附近。

接下來，將AD8233_REFIN連接到ADuCM350上的VBIAS，并將ECG發(fā)生器應(yīng)用于AD8233上的+ IN，-IN和RLD。將ECG發(fā)生器設(shè)置為60 BPM時，輸出信號應(yīng)如圖所示（圖5）。

圖5：將ECG發(fā)生器設(shè)置為60 BPM，心率監(jiān)測器設(shè)計的輸出應(yīng)如圖所示，表明組件和系統(tǒng)的兼容性。 （來源：ADI公司）

結(jié)論

可穿戴設(shè)備為實施ECG系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn)，包括噪聲和功耗問題。然而，專為此應(yīng)用而設(shè)計的ECG心率監(jiān)測器IC和評估板正變得越來越容易獲得并得到很好的支持。這使工程師能夠快速開發(fā)解決這些問題的系統(tǒng)，并在可穿戴電子設(shè)備中提供準(zhǔn)確，低功耗，可靠的心率監(jiān)測。