高可靠性心臟監(jiān)護(hù)儀設(shè)計詳解 - 全文

　　作者：意法半導(dǎo)體公司 Adriano Basile， Fabrizio Librizzi

　　前言

　　提升生活品質(zhì)當(dāng)然是改變?nèi)粘Ｉ罘绞介_始，但是，監(jiān)視健康參數(shù)和具體的營養(yǎng)方案有助于降低高血壓、血脂異常和肥胖癥的發(fā)病率。改變生活方式對年輕人同樣有益。美國運動醫(yī)學(xué)會 （ACSM）發(fā)布一些國際健康生活方式指引并在美國高中執(zhí)行。如果不改變?nèi)粘Ｉ罘绞?，?dāng)步入中年時，周運動量將會少得可憐。事實上，周運動量少于1小時的中年女士死于心血管疾病的概率是運動量較多的同齡女士的兩倍 （見圖 1）。

　　既然監(jiān)視生活方式和健康參數(shù)已成為正確診斷病癥的重要因素，本文將介紹一個新的能夠監(jiān)視心臟及其間接參數(shù)的儀器。

圖 1： ACSM推薦高品質(zhì)的生活

　　全世界各國的醫(yī)療保健支出都在增長，呼聲越來越高的慢性病和傳染病預(yù)防治療方案是各國政府需要解決的問題，這使科醫(yī)療健康向所謂的“病患保健與自理”方向發(fā)展。病患幾乎不再被動接受醫(yī)生的護(hù)理建議，而是在醫(yī)生的指導(dǎo)下，能夠更好地自理。這就產(chǎn)生一種有健康意識的很多政府機(jī)關(guān)和獨立組織也提倡的生活方式。

　　圖 2： 床式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

　　這一新的設(shè)想適用于越來越多的保健站（PoC）。保健站分布在城市的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村莊中，被視為進(jìn)入公共醫(yī)療健康組織的第一個入口，人們想要在保健站咨詢配備快速診斷工具的醫(yī)療人員。其中，心電監(jiān)護(hù)儀（ECG）是最基本的診斷儀器。保健站的心電監(jiān)護(hù)儀通常是電腦輔助型心電監(jiān)測機(jī)，這種機(jī)型沿用傳統(tǒng)床式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)（圖2）的模擬子系統(tǒng)，使用PC機(jī)處理并顯示數(shù)據(jù)。在這種硬件配置中，PC機(jī)扮演兩個重要角色：保存和檢索心電數(shù)據(jù)；管理系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)。

　　最近的研究證明，連續(xù)診斷反饋數(shù)據(jù)可增強(qiáng)人們持續(xù)改進(jìn)生活方式的意志。健康遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)顯然是個人醫(yī)生與病患保持直接聯(lián)系的解決方案。

　　意法半導(dǎo)體的 D-ECG心電監(jiān)護(hù)儀方案

　　電極是采集心電數(shù)據(jù)的傳感器（圖3），將活的生物組織內(nèi)的離子電流轉(zhuǎn)換成電子醫(yī)療儀器的模擬前端能夠檢測的電子電流。為理解心電圖等生物電信號產(chǎn)生的原因，我們應(yīng)該考慮下面幾個要素：

　　1. 心肌細(xì)胞的電活動；被置于與體液成份相同的同質(zhì)水浴培養(yǎng)基中的單個心肌細(xì)胞的電活動導(dǎo)致的細(xì)胞外電勢；

　　2. 置于一個大型含體液離子成份的導(dǎo)電介質(zhì)中的大量心肌組織的電活動導(dǎo)致的細(xì)胞外電勢；

　　3. 這些細(xì)胞外電勢與身體表面記錄的總電活動即心電圖信號之間的關(guān)系

圖3： 心電信號波形

　　對診斷有重要意義的心電信號頻率范圍在0.05－250 Hz之間，為確保完美捕獲信號，模擬前端必須能夠放大心電圖信號，濾除非生物信號（例如，電源線噪聲）以及無關(guān)的生物干擾（例如EMG），并集成一個在 80 – 120 dB范圍內(nèi)共模抑制比（CMMR）優(yōu)異的高增益差分放大器。

　　在心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)內(nèi)，計算機(jī)存儲器、顯示器和打印機(jī)都是用于保存和顯示心電數(shù)據(jù)。心電監(jiān)護(hù)儀的電極通常情況下被固定在患者身體上（見圖2） ，這些電極連線被稱之為導(dǎo)聯(lián)線（I， II， III， aVR， aVL， aVF， V1， V2，V3， V4， V5， V6）。

　　例如：

　　· 導(dǎo)聯(lián) I = RA – LA （右臂 – 左臂）

　　· 導(dǎo)聯(lián) II = RA – LF （右臂 – 左腳）

　　· 導(dǎo)聯(lián) III = LA – LF （左臂 – 左腳）

　　· aVR 是在右臂取得：

　　· aVL 是在左臂取得：

　　· aVF是在左腿取得：

　　· V1 是置于胸骨右緣第四肋間的電極與VWCT的差值

　　本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)9月《智能醫(yī)療特刊》Change The World欄目，轉(zhuǎn)載請注明出處！
　　

　　· V2是置于胸骨左緣第四肋間的電極與VWCT的差值

　　· V3是置于V2和V4間隔處的電極與VWCT的差值

　　· V4 是置于鎖骨中線與第五肋間相交處的電極與VWCT的差值。

　　· V5是置于左腋中線水與第五肋間相交處的電極與VWCT的差值。

　　· V6是置于腋中線水與第五肋間相交處的電極與VWCT的差值

　　其中 VWCT是虛擬參考點，又稱威爾遜導(dǎo)聯(lián)中心點（WCT）：

圖 4： HM301D框圖

　　意法半導(dǎo)體HM301D （見圖 4）是一個適合的心電信號采集方案，除前文提及的必備功能外，還具有一系列全集成可配置的數(shù)字帶通濾波器，讓醫(yī)療人員能夠選擇性分析心電波形。

　圖 5： 多片結(jié)構(gòu)

　　經(jīng)過濾波和處理后，心電數(shù)據(jù)通過SPI端口傳至外部微控制器。每個HM301D芯片都包含三個完整的心電差分通道，最多可將4個HM301D芯片連接在一起，構(gòu)成一個多導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)護(hù)儀（見圖5）。

　　全球有大約300萬人使用起搏器，像心電監(jiān)護(hù)儀這樣的診斷類儀器必須支持起搏器脈沖分析。HM301D有兩個起搏器專用通道，每條通道提供10 kHz帶寬和起搏脈沖檢測可調(diào)功能。

　　除心電分析功能外，HM301D具有全集成的阻抗測量通道，提供體重和呼吸速率計算所需的功能。 HM301D通過心電監(jiān)護(hù)儀的兩個電極向人體發(fā)射高頻方波弱電流，然后測量最終的電壓?；跀?shù)字帶通濾波器的IQ調(diào)制/解調(diào)技術(shù)提供與呼吸相關(guān)的時變頻率成份中的現(xiàn)實頻率和設(shè)想頻率，以及與體重有關(guān)的非時變頻率成份。

　　其它功能特性包括右腿驅(qū)動器、WCT驅(qū)動器、屏蔽驅(qū)動器和一個輸入連接矩陣。低壓電源和低功耗還使該芯片特別適用于電池供電裝置。

　　HM301D評估板： STEVAL-IME002Vx

　　STEVAL-IME002Vx是一系列基于HM301D診斷級模擬前端芯片的評估板。HM301D是意法半導(dǎo)體針對生物電和生物阻抗測量推出的新產(chǎn)品。

圖 6： STEVAL-IME002V1評估板

圖7： STEVAL-IME002V2評估板

　　該系列評估板共有STEVAL-IME002V1 和 STEVAL-IME002V2兩款產(chǎn)品，分別用于演示HM301D在心電監(jiān)護(hù)儀（或病患監(jiān)護(hù)系統(tǒng)） （ECG）和自動體外除顫器（AED）中的性能表現(xiàn)。

　　這兩款電路板還搭載一個32位的STM32微控制器，用于管理HM301D的SPI協(xié)議和電路板與PC機(jī)之間的USB通信。兩款電路板都能配合專用PC機(jī)軟件圖形用戶界面，演示不同的應(yīng)用配置的工作情況。

　　為優(yōu)化硬件開發(fā)，兩款電路板幾乎相同；唯一不同之處是板載元器件，通過比較圖6和圖7，我們很容易看出不同之處。

　　STEVAL-IME002Vx評估板通過SPI菊花鏈拓?fù)渥疃嗫蛇B接三個 HM301D芯片，因此，STEVAL-IME002V1可能有1個、2個或3個HM301D芯片，分別用U1、U2和U3表示；STG3692 （低壓高帶寬四通道SPDT開關(guān)）用于管理三種配置之間的開關(guān)。三個芯片連接只能使用菊花鏈拓?fù)?。換句話說，在沒有U1時，無法使U1和U2工作。準(zhǔn)許開關(guān)順序是U1；U1和 U2； U1、U2和 U3。

　　HM301D的每一條輸入線上都有ESD保護(hù)器件ESDALCL6-2SC6，該器件符合IEC61000-4-2 規(guī)范的4級保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

　圖 8： 板上連接邏輯圖

　　圖8的硬件框圖描述了板上所有元器件之間邏輯連接線路，同時圖10給出了元器件在電路板上的布局。

圖 9： SPI菊花鏈

　　圖9所示是STM32F103CBT6外設(shè)與HM301D芯片之間的邏輯連接圖，其中STM32F103CBT6是SPI總線的主控制器，負(fù)責(zé)管理SPI開關(guān)通道（通過STG3692），開關(guān)微控制器與SDO信號的連接線路。

圖10： STEVAL-IME002Vx電路板布局

　　為評測HM301D芯片的不同工作模式，評估板準(zhǔn)許第一個 HM301D （U1）的采用雙極或單極連接模式，而另外兩個HM301D （U2和 U3）的連接始終采用單極模式。

　　表1：首個基于 HM301D的接收定位輸入配置

　　特別是在STEVAL-IME002V1電路板上，U1被配置成采集艾因特霍芬（Einthoven）正三角形信號，其極點是LA （左臂）、 RA （右臂）和LL（左腿），三個極點直接連接U1。此外，RL （右腿）是電勢的參考電極，與U1的9號針相連。這種連接方式使心電圖正面肢體導(dǎo)聯(lián)線數(shù)據(jù)檢索變得十分容易。事實上，導(dǎo)聯(lián)線 I 是LA與RA的電勢差；導(dǎo)聯(lián)線 II是LL與RA的電勢差；導(dǎo)聯(lián)線III 是LL與LA的電勢差。導(dǎo)聯(lián)線的連接是由電阻R1、R2、R3和R15控制（見表1）。

　　傳統(tǒng)臨床心電圖機(jī)多數(shù)使用單通道放大器，其數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)準(zhǔn)許通過一個多點開關(guān)選擇所需的導(dǎo)聯(lián)線連接方式。STEVAL-IME002V1評估板上的HM301D芯片可記錄所有導(dǎo)聯(lián)（I， II， III， V1， V2， V3， V4， V5， V6）數(shù)據(jù) ，并通過圖形用戶界面的參數(shù)設(shè)置功能，將采集到的數(shù)據(jù)送入生物電位放大器放大。用戶還可以在PC機(jī)上記錄心電導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)。

　　電極V1、V2、V3假如存在，通過單極方式連至U2，電極 V4、V5、V6單極連至U3。U2和U3芯片的連接方式都是單極模式，以主設(shè)備（U1）的 WCT為參考信號。

　　特別注意的是，STEVAL-IME002V2電路板上只安裝U1，并被配置成僅采集導(dǎo)聯(lián)I，即LA與RA的電勢差。

　　一旦按照表1完成必要的配置后，評估板即可投入使用。事實上，電路板還有配套的STM32固件，使STM32微控制器能夠從HM301D檢索所有的心電信號， 通過USB數(shù)據(jù)線傳送到PC機(jī)。

　　該評估板還為客戶提供一個圖形用戶界面（GUI）的PC軟件，該軟件可設(shè)置心電監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)的參數(shù)（見圖11），并在顯示屏上繪制所采集信號的波形（見圖12）。

圖11： EDEN界面主窗口

　　用戶可以輕松打印心電數(shù)據(jù)或保存到本地磁盤，以備深入分析或治療后診斷。

　　此外，軟件圖形界面還能檢索HM301D阻抗通道的信息，測量人體阻抗以及因呼吸而引起的各種變化。

　　STEVAL-IME002Vx評估板上的HM301D還能測量保護(hù)器件和電路板本身產(chǎn)生的串聯(lián)電阻。用戶必須考慮這個參數(shù)。在對話框的右側(cè)（見圖12），用戶可以看到導(dǎo)聯(lián)線斷開檢測和相關(guān)阻抗。導(dǎo)聯(lián)線斷開檢測是連續(xù)檢查置于人體上的電極的連接狀況，當(dāng)相關(guān)標(biāo)志變紅色時，用戶必須查看電極在病患身體上的物理連接狀況。

圖 12： 心電數(shù)據(jù)繪圖窗口

　　結(jié)論

　　本文介紹意法半導(dǎo)體的心電監(jiān)護(hù)儀模擬前端解決方案，該設(shè)計對醫(yī)療保健站很有價值，代表了心電監(jiān)護(hù)應(yīng)用模擬前端的最新成果。其模塊化及其固件和軟件幫助用戶輕松設(shè)計屬于自己的前端芯片。