高性能模拟技术助力降噪聆听“心动”的信号

医学正在全球发生着重大转变，大部分变化都是基于无线技术的发展，以及对更小型设备的日益增长的需求，这些设备能够在任何地方进行监测、成像和患者诊断。心电图(ECG)作为一种常见的医疗记录，随着ECG子系统越来越多地投入医院外应用，这就给ECG设计工程师提出了相当严苛的要求：如何实现安全有效、能够应对目标使用环境挑战的ECG子系统。

通常而言，心电图系统通过测量活组织表面电位来记录心脏在一段时间内的电性活动，它使用生物电位电极来拾取身体特定部位的心脏信号，两个电极间的差分电压或某一电极与多电极平均电压之间的差分电压可在测量后显示为ECG输出上的一个通道。ECG子系统设计的主要挑战则包括安全、共模/差模干扰、输入动态范围要求、设备可靠性和保护、降噪以及EMC/RFI考虑等多个方面，本文以全球高性能模拟技术提供商ADI 公司提供的针对不同应用环境的两种心电图测量解决方案为例，分享关于如何应对ECG系统设计各种挑战的方法建议。

如何打造可穿戴设备成为随身心电“监控仪”?

智能手机与移动通信技术的迅速发展，穿戴式健康设备能够监测用户的重要生理信号，通过手机接入移动通信网或互联网进行数据远程传送或共享，从而实现医学监护并降低医疗成本，为穿戴式健康监测提供了新的机遇。不过对患者而言，穿戴大块头、笨重、显眼的监护仪会很不舒服，甚至干扰到日常生活，因此可穿戴心电腕带或手环与心电胸贴逐渐成为更合适的选择。

用于数据收集的ADI腕表以及可以从ADI生命体征监测(VSM)平台获取的示例信号

为满足这种新兴的便携式与佩戴式监控设备和远程健康监护设备的ECG信号调理要求，ADI专门设计了单导联心率监护仪模拟前端AD8233。作为一款用于心电图及其他生物电测量应用的集成信号调理模块，该器件能够在具有运动或远程电极放置产生噪声的情况下提取、放大及过滤微弱的生物电信号，使得超低功耗模数转换器(ADC)或嵌入式微控制器能够轻松地采集输出信号。

与当前很多集成解决方案中采用的拓扑结构不同，除了具有小巧的2mm × 1.7mm WLCSP封装之外，AD8233拥有着采用双极高通滤波器的高度灵活的模拟滤波配置，通过结合芯片内部的仪表放大器架构和无使用约束运算(增益)放大器，能支持用户采用多极低通滤波技术来消除线路噪声和其他干扰，将医疗监护的价值和性能提升到一个新水平，目前已被多家心电手环和心电胸贴厂商看重并应用。

同时为了提高系统线路频率和其他不良干扰的共模抑制性能，AD8233内置一个右腿驱动(RLD)放大器，用于受驱电极应用。此外AD8233包含一项快速恢复功能，可以减少高通滤波器原本较长的建立长尾现象，如果放大器轨电压发生信号突变(如导联脱离情况)，AD8233将自动调节为更高的滤波器截止状态。该功能让AD8233可以实现快速恢复，因而在导联连接至测量对象的电极之后能够尽快取得有效的测量值。

此外，可穿戴式的心脏监护仪需要能够进行连续监测以提供准确的数据，不能因电池充电或更换而中断，因此确保长续航时间也是一项至关重要的特性。而AD8233 AFE的功耗在微安级，使电池续航时间得以大大延长。因此虽然此设计的初衷是针对ECG应用，但实际上任何需要放大低频小信号(IA带宽<1kHz)的应用都可受益于其低功耗和小尺寸，在许多其他物联网节点、WSN或低功耗设计中也能看到AD8233的身影。

高性能临床诊断型设备更看重哪些指标?

对于需求一流信号处理能力的临床应用，ADI同样提供多种领先的高性能诊断级模拟前端，例如高度集成的ADAS1000模拟前端，便是高性能诊断级ECG监测的首选方案。

作为功能全面的最多可实现5通道ECG模拟前端，ADAS1000能够测量心电图(ECG)信号、胸阻抗、起搏伪像及导联连接/脱落状态，并将此信息以数据帧的形式输出，以可编程数据速率提供导联/矢量或电极数据。此外，它还具有一些有助于提高ECG信号采集质量的辅助特性，包括：多通道导联驱动选择、可选的参考驱动、快速过载恢复、直接输出幅度和相位信息的呼吸电路、三导联起搏检测算法，以及交流或直流导联脱落检测选项。多个数字输出选项则确保监控和分析信号的灵活性。附加功能如高采样输出可在外部DSP、微处理器或FPGA上执行，满足高端客户的需求。

典型5导联配置的ADAS1000简化功能框图

由于临床型ECG系统功能配置相对丰富，ADAS1000采用一种功耗/噪声调整结构，以提高功耗为代价降低噪声，可以关闭某些不用的信号采集通道，或者降低数据速率以达到省电的目的。

而针对除颤器脉冲和ESD，ECG电缆作为心脏监视除颤器的一部分，通常利用一系列电阻(额定功率高压电阻)来限制流入ECG前端的电流。另外，在某些保护电路中，保护电阻的ECG端具有氩灯或氙灯，用以将前置放大器端电压限制在100V以下，此外还有限压和限流器件来确保ECG系统不会受损。如果没有某种形式的保护，多数有源器件将无法耐受ESD测试相关的电压。为了帮助设计师设计分立式除颤器保护电路，ADAS1000 ECG AFE的封装引脚具有大ESD保护结构，已经过评估测试，能够耐受最大的源/吸电流。

此外，为了处理噪声问题，ADI公司使用多种电路技术来消除典型输入放大器的1/f噪声，同时仍然保持较低的高斯噪声和出色的线性度，ADI CMOS工艺也能将电报噪声降低到非常低的水平。

总结

健康与每个人都息息相关，已成为当今人类社会关注的热点。无论是要求低功耗的便携可穿戴式医疗监护系统，还是要求高性能的临床诊断型设备，都随着模拟电子与信号链技术的不断发展而在测量精度上“精益求精”。本文以ADI公司提供的两种心电图测量解决方案的不同侧重反映了未来医疗监护系统发展的两大方向，也为积极推动智慧医疗的全面落地提供了很好的实现示例。