ADI模擬前端ADAS1000低功耗五電極心電圖(ECG)系統(tǒng)解決方案 - 全文

　　ADI公司的低功耗五電極心電圖（ECG）系統(tǒng)采用ADAS1000模擬前端（AFE）。 ADAS1000能夠測(cè)量心電圖（ECG）信號(hào)、胸阻抗、人工起搏信號(hào)、導(dǎo)聯(lián)連接/脫落狀態(tài)，并將此信息以數(shù)據(jù)幀的形式輸出，以可編程數(shù)據(jù)速率提供導(dǎo)聯(lián)/矢量或電極數(shù)據(jù)。它具有低功耗和小尺寸特性，適合電池供電的便攜式應(yīng)用。本文介紹了ADAS1000主要特性， 功能方框圖，以及心電圖（ECG）系統(tǒng)解決方案框圖，所用主要元件以及ECG系統(tǒng)所使用的主要產(chǎn)品。

　　ADAS1000能夠測(cè)量心電圖（ECG）信號(hào)、胸阻抗、人工起搏信號(hào)、導(dǎo)聯(lián)連接/脫落狀態(tài)，并將此信息以數(shù)據(jù)幀的形式輸出，以可編程數(shù)據(jù)速率提供導(dǎo)聯(lián)/矢量或電極數(shù)據(jù)。它具有低功耗和小尺寸特性，適合電池供電的便攜式應(yīng)用。它還是一款高性能器件，因此適用于高端診斷設(shè)備。

　　ADAS1000旨在簡(jiǎn)化采集和確保高質(zhì)量ECG信號(hào)的任務(wù)。心臟后處理是一種增值功能，可在外部DSP、微處理器或FPGA上執(zhí)行。多個(gè)數(shù)字輸出選項(xiàng)則確保監(jiān)控和分析信號(hào)的靈活性。ADAS1000針對(duì)生物電信號(hào)應(yīng)用提供了一種低功耗、小型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　它還具有一些有助于提高ECG信號(hào)的采集質(zhì)量輔助特性，包括：多通道均值受驅(qū)導(dǎo)聯(lián);可選的參考驅(qū)動(dòng);快速過載恢復(fù);返回幅度和相位信息的靈活呼吸電路;在3個(gè)導(dǎo)聯(lián)上運(yùn)行內(nèi)置起搏信號(hào)檢測(cè)算法;以及交流或直流導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)選項(xiàng)。

　　由于ECG系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，因此ADAS1000采用一種靈活的功耗/噪聲調(diào)整選擇，以提高功耗為代價(jià)降低噪聲。為了省電，可以關(guān)閉信號(hào)采集通道，也可以降低數(shù)據(jù)速率。

　　為了簡(jiǎn)化制造測(cè)試、開發(fā)以及提供整體上電測(cè)試，ADAS1000通過CAL DAC提供一套直流和交流測(cè)試激勵(lì)、CRC冗余測(cè)試，以及對(duì)所有相關(guān)寄存器地址空間的回讀功能。

　　ADAS1000提供56引腳LFCSP和64引腳LQFP兩種封裝選項(xiàng)，額定溫度范圍為-40°C至+85°C。

　　ADAS1000主要特性

　?。?）生物電信號(hào)輸入，數(shù)字信號(hào)輸出

　　（2）5 個(gè)采集（ECG）通道 + 1個(gè)受驅(qū)導(dǎo)聯(lián)

　　（3）IC并行可用于10多個(gè)電極的測(cè)量

　?。?）交流和直流導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)

　?。?）3個(gè)導(dǎo)聯(lián)內(nèi)置起搏信號(hào)檢測(cè)算法

　　（6）-- 支持使用者數(shù)字起搏信號(hào)

　?。?）胸阻抗測(cè)量（內(nèi)部/外部路徑）

　　（8）可選參考導(dǎo)聯(lián)

　　ADAS1000應(yīng)用

　?。?）ECG：監(jiān)控與診斷

　　（2）床邊病人監(jiān)護(hù)

　?。?）便攜式遙測(cè)

　?。?）動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀

　　（5）自動(dòng)體外除顫器（AED）

　?。?）心臟除顫器

　?。?）便攜式監(jiān)護(hù)儀

　?。?）心臟起搏器編程器

　?。?）病人運(yùn)送

　　（10）壓力測(cè)試

　　圖1.ADAS1000功能方框圖

　　心電圖（ECG）系統(tǒng)解決方案

　　心電圖（ECG）系統(tǒng)通過測(cè)量活組織表面電位來記錄心臟在一段時(shí)間內(nèi)的電性活動(dòng)。它使用生物電位電極來拾取身體特定部位的心臟信號(hào)，兩個(gè)電極間的差分電壓或某一電極與多電極平均電壓之間的差分電壓可在測(cè)量后顯示為ECG輸出上的一個(gè)通道。

　　模擬前端（AFE）的主要功能是將心臟信號(hào)數(shù)字化。由于需要抑制來自強(qiáng)射頻源、起搏信號(hào)、導(dǎo)聯(lián)脫落信號(hào)、共模頻率、其他肌肉信號(hào)及電噪聲的干擾，該過程十分復(fù)雜。通常，AFE包括儀表放大器（INA）、濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

　　ECG系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮和主要挑戰(zhàn)

　　設(shè)計(jì)ECG系統(tǒng)時(shí)，需要克服各種挑戰(zhàn)，例如安全、共模抑制、直流偏置、RFI（射頻干擾）/EMC（電磁兼容性）、輸入保護(hù)和等效輸入噪底。

　　優(yōu)先考慮與患者和操作員安全相關(guān)的交流主電源隔離，以及與患者電極粘附相關(guān)的源電流或吸電流。確保不存在能產(chǎn)生流經(jīng)患者的電流超過10 _A rms的常態(tài)或單一故障條件路徑。確?；颊唠娐返闹绷骷暗皖l隔離達(dá)到交流主電源的10次諧波及以上。確?；颊吲c接地之間至少5000 V的隔離。

　　標(biāo)準(zhǔn)要求指定測(cè)試的共模抑制比（CMRR）稍低于100 dB，某些臨床用途要求120 dB?！坝彝闰?qū)動(dòng)”等技術(shù)有助于降低INA的CMRR要求，但仍需要仔細(xì)整體考慮元件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　粘附于皮膚的電極產(chǎn)生的直流偏置電壓可高達(dá)_300 mV。測(cè)量幅度僅有幾mV的目標(biāo)信號(hào)時(shí)，該直流偏置電壓會(huì)有很大影響。

　　系統(tǒng)不能受到附近其他符合AAMI、ISO和IEC標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)療設(shè)備的影響。系統(tǒng)也不能經(jīng)交流主電源或其他“外部電纜”發(fā)出或“傳導(dǎo)”超過IEC60601-1-2標(biāo)準(zhǔn)的輻射。

　　有必要保護(hù)ECG前端系統(tǒng)受到因環(huán)境和人為瞬變?cè)斐傻膿p害，例如除顫器保護(hù)和靜電放電（ESD）。

　　在20秒或更長(zhǎng)周期內(nèi)，于0.05 Hz至150 Hz帶寬上測(cè)量的_V（峰峰值）輸入噪底限制常常是一大挑戰(zhàn)。需要采用各種硬件和軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)所需噪底。

　　圖2. 心電圖（ECG）系統(tǒng)解決方案框圖

　　心電圖（ECG）系統(tǒng)解決方案框圖中主要元件

　　圖3.心電圖（ECG）系統(tǒng)外形圖

　　ECG系統(tǒng)所使用的主要產(chǎn)品