基于ECG AFE簡(jiǎn)化病人監護儀設計

ADI公司

在較高水平的系統以及病人監控設備的元件系統中不難發(fā)現，許多數據采集系統都存在典型的信號鏈，包括信號采集、信號調理與處理以及工作通信。如果再深入探究，就會(huì )發(fā)現有很多的設計問(wèn)題需要理解，比如有關(guān)信號完整性和共模抑制對信號的影響等問(wèn)題等等。保證使用電氣連接設備的病人的安全同樣至關(guān)重要，但這會(huì )增加設計的復雜度。病人有時(shí)可能需要進(jìn)行除顫，在這時(shí)候，我們必須防止系統自身受到此類(lèi)活動(dòng)的影響。不僅如此，還有其他的許多行業(yè)規范以及實(shí)踐中的實(shí)際問(wèn)題也會(huì )影響系統的最終設計。

圖1是12導聯(lián)ECG（心電圖）監控器件的典型信號鏈，架構非常復雜，存在各種細微差別和復雜性。

圖1 12導聯(lián)ECG監控器件的典型信號鏈

ECG監控

ECG的測量，即心臟的電活動(dòng)。測量ECG信號的設備包括便攜式動(dòng)態(tài)心電監護儀、臨床心電圖儀以及高通道心臟標測系統，這些設備在不斷開(kāi)發(fā)中。這些測量系統使用的環(huán)境十分廣泛，圖2中所示的是其中的一些典型場(chǎng)合。例如醫院的使用環(huán)境包括手術(shù)室、重癥監護室、電生理實(shí)驗室等，每種環(huán)境都有需要解決的設計難題。這些環(huán)境所面臨的設計難題的復雜性和測量目標都十分廣泛，而且范圍仍在不斷擴大。隨著(zhù)醫療保健行業(yè)朝著(zhù)遠程病人監控方向發(fā)展，開(kāi)發(fā)人員面臨著(zhù)一系列新的挑戰，需要隨時(shí)提出新的應對措施。

ECG信號

ECG信號是心臟在一段時(shí)間內電性活動(dòng)的經(jīng)胸反映，通過(guò)皮膚電極采集并于外部進(jìn)行記錄。它是由心電圖設備產(chǎn)生的無(wú)創(chuàng )記錄。ECG信號的幅度通常為0.25mV~5mV，由各種波所組成，如正常竇性心律圖。正常竇性心律的偏差說(shuō)明可能存在異常，醫生可以借此評估病人的健康狀況并作出相應處理。

ECG信號的采樣圖由P波、QRS波群和T波組成，代表一個(gè)心動(dòng)周期中的心臟電性活動(dòng)。一個(gè)心跳周期 P波：心房收縮；QRS波群：心室興奮；T波：心室激動(dòng)后的復原活動(dòng)。如今，通過(guò)研究心臟不同層面的電氣特性，心臟病專(zhuān)家能夠確定很多與心臟功能相關(guān)的異?，F象。如圖3所示。

ECG測量

在ECG測量中，電極即電勢傳感器，放置在胸部和/或四肢各個(gè)部位。導聯(lián)來(lái)自ECG電極的各種數學(xué)組合。雖然出于歷史的原因，有些人認為這已經(jīng)過(guò)時(shí)，但在臨床環(huán)境中，12導聯(lián)ECG依然是最常見(jiàn)的設置。12導聯(lián)ECG包括三個(gè)標準肢體導聯(lián)，即右臂、左臂和左腿，稱(chēng)為Einthoven導聯(lián)。還有三個(gè)加壓肢體導聯(lián)VR、VL與VF，也就是通常所說(shuō)的Goldberg加壓導聯(lián)，以及6個(gè)心前區導聯(lián)，即V1~V6。心前區導聯(lián)也稱(chēng)V導聯(lián)，大多數心臟病專(zhuān)家認為其屬于獨立矢量，這也是威爾遜中心電端和目標V電極的差異所在。威爾遜中心電端本身由右臂、左臂和左腿導聯(lián)組成，可進(jìn)行3分頻。我們可以發(fā)現，要想形成12導聯(lián)ECG，只需連接9個(gè)電極即可。通常還會(huì )采用第10個(gè)電極來(lái)提供“右腿驅動(dòng)”，隨著(zhù)映射的心臟層面增加，測量心臟生物電信號也變得更加復雜。

如圖4所示，Einthoven導聯(lián)和V導聯(lián)一樣可視為獨立矢量，信號來(lái)自導聯(lián)1、2、3，從兩臂間或一條手臂與左腿之間測量得出。加壓導聯(lián)aVL、aVR和aVF與導聯(lián)1、2、3源自同樣的三個(gè)電極。以aVL為例，正極為左臂，負極為右腿和右臂的組合。因此，上述導聯(lián)不屬于獨立導聯(lián)。在胸導聯(lián)連接V1~V6，6個(gè)正電極放置于胸部，之前提到的作為測量參考的威爾遜中心電端則相當于負電極。


圖2 醫療保健系統中需要ECG監控的環(huán)境


圖3 ECG信號


圖4 經(jīng)過(guò)心臟的aVx導聯(lián)測量

電極就位以后，就可以開(kāi)始測量心臟的電性活動(dòng)。圖5顯示的是典型的12導聯(lián)ECG打印結果。橫軸方向每個(gè)大正方形為200ms，每個(gè)小正方形為40ms?？v軸方向當增益為1時(shí)，每個(gè)小正方形相當于100μV，即0.1mV。增益為1時(shí)，最左側的校準信號代表1mV CAL信號的10mm垂直偏轉。1mV的CAL信號通常寬160ms。每個(gè)導聯(lián)均體現在ECG帶上，用以識別心臟特征的異常情況。

圖5 ECG波形/心律

了解了ECG測量的端點(diǎn)、電極的連接和導聯(lián)的形成，以及最終ECG打印結果后，兩個(gè)端點(diǎn)之間存在一系列模擬和數字信號處理過(guò)程，由于可用于采集和處理生物電信號的方法眾多，情況變得更加復雜。測量生物電信號的方法在某種程度上決定了信號鏈的架構。采用直流耦合還是交流耦合？?jì)烧叨己艹Ｓ?，也各有利弊。例如，在交流耦合系統中，顧名思義，信號的直流分量在前端級之后即經(jīng)高通分揀去除。信號隨后遇到高增益，再由ADC進(jìn)行處理，該系統中12 ADC很常見(jiàn)。在直流耦合系統中，目標信號會(huì )受到直流失調電壓的影響，通常約為300mV。因此，在經(jīng)高階ADC數字化處理前，前端只能采用低增益。由于整體信號的動(dòng)態(tài)范圍較寬，分辨率必須很高。一般而言，直流耦合系統是未來(lái)的發(fā)展趨勢，因為該系統的復雜性較低，而且可采用后端信號處理，整體系統的靈活性大大增強。

共模抑制

共模抑制在整體系統設計中同樣舉足輕重。ECG可以測量心臟電氣系統產(chǎn)生的電壓。電壓值依不同病人而決定，變化范圍十分廣泛。例如，在母親子宮內的胎兒產(chǎn)生的ECG約為10μV以下，而成人則可能為5mV。測量完成后，ECG子系統還會(huì )受到無(wú)用環(huán)境電信號的影響，例如交流主電源、安全系統噪聲，以及射頻干擾(RFI)。這些電氣干擾出現在測量系統的輸入端，屬于共模噪聲，當存在與系統共模抑制比相關(guān)的小差分信號時(shí)，能夠抑制大共模信號。醫用標準需要的共模抑制約為100db。而實(shí)際臨床用途則要求達到120db。

ECG信號還會(huì )受到多種共模源的破壞，包括電源線(xiàn)干擾、電極與皮膚間的接觸噪聲、以及其他電氣設備的電磁干擾。ECG設計必須能在暴露于此類(lèi)瞬時(shí)輸入時(shí)依然維持其共模及差分輸入性能。大多數ECG系統如今都銷(xiāo)往全球，設計人員必須考慮最壞情況下的交流主電源輸入范圍。例如，澳大利亞西部的交流主電源電壓可高達264 VAC rms，而尖峰電壓達6 kV。這種環(huán)境下的共模抑制大約是美國的兩倍，美國的主電源電壓為120 VAC rms。這一情況以及可能發(fā)生的電極失調和極化對差分和共模輸入動(dòng)態(tài)范圍要求較高。ECG電壓的峰峰值通常為500μV~3mV，因此目標信號數字化之前的模擬前端輸入能力的動(dòng)態(tài)范圍至關(guān)重要。如今的ECG前端采用銀或氯化銀電極，動(dòng)態(tài)輸入范圍約為±1V，除顫器電極板上的電壓可達±1.5V以上。因此，為了降低共模噪聲的影響，鑒于前端級已具備出色的固有共模抑制特性，通常推薦共模抑制在100 db以上。

如今的設計技術(shù)十分豐富。系統若能降低共模噪聲，提高有效共模抑制比，例如優(yōu)化昂貴的高品質(zhì)ECG電極的使用，就能限制基線(xiàn)漂移之類(lèi)無(wú)用噪聲的進(jìn)入。大多數ECG電纜都嵌有保護電阻以進(jìn)行除顫器保護。這種影響以及電纜電容差異和前端EMI濾波會(huì )引起共模信號不平衡，從而導致相位從共模向差模偏移，甚至發(fā)生轉換。因此，平衡的輸入設計至關(guān)重要。“右腿驅動(dòng)”技術(shù)可以減少多導聯(lián)配置的共模抑制。即使是雙導聯(lián)系統，也可通過(guò)采用“右腿驅動(dòng)”，將電流驅動(dòng)至與輸入共模信號存在180°相位差，從而降低放大器測得的對地共模電壓。電流抑制必須考慮到電極阻抗不匹配，調整相對電流相位，從而將有效共模信號降至最低。輸入射頻干擾可通過(guò)多種方法消除，包括差分和共模濾波、環(huán)境遮蔽，以及后端算法?？傊?，共模抑制在差分放大器的輸入端必須達到零失調，因為差分輸入電壓可達±1V。系統設計需要考慮的問(wèn)題還有很多，病人安全、噪聲消減、EMS和ESD等等。

病人監控系統

病人監控系統有兩種重要測量方法。第一種方法是呼吸測量。在醫院環(huán)境中，通過(guò)脈搏、血壓、體溫、呼吸和意識水平的生理觀(guān)察，醫生和護士可以及時(shí)獲得與病人健康或其他狀況相關(guān)的信息。在這些參數中，呼吸速率是一項重要的生命體征，體現了病人的不適或呼吸問(wèn)題。正常呼吸速率由年齡、健康和壓力水平?jīng)Q定。新生兒的呼吸速率每分鐘約30次~60次，成人的正常呼吸速率約為每分鐘12次~20次，可能因壓力、疾病或活動(dòng)增加而增多。病人監控儀采用共模阻抗充氣造影術(shù)來(lái)確定病人的呼吸速率，使用的電極與ECG導聯(lián)記錄一樣。測量呼吸速率的關(guān)鍵是測量胸腔的電阻抗，它會(huì )隨著(zhù)每次吸氣和呼氣而變化。該電路可向病人施加高頻差分電流，通過(guò)一對電極和阻抗變化實(shí)現，阻抗變化由呼吸引起，從而產(chǎn)生相應的電壓變化，可用同一對或另一對電極測得。

病人監控儀的第二種重要測量方法是起搏器脈沖檢測。對安裝起搏器的病人而言，相對ECG信號，了解并采集起搏器產(chǎn)生的脈沖及其形態(tài)更為重要。在許多臨床應用環(huán)境中，了解起搏器的工作原理至關(guān)重要。比方說(shuō)，如果你想同步反映心臟狀態(tài)，就必須了解起搏器如何作用于心房和心室，以保證起搏器不會(huì )被檢測成正常傳導的QRS波群，具體而言，在沒(méi)有起搏器脈沖產(chǎn)生心臟收縮的情況下，如果起搏器沒(méi)有采集心臟組織信號，就必須在植入起搏器時(shí)設置合適的閾值電平。精確檢測起搏器的脈沖也很重要，這樣才能防止將其與隨機噪聲尖峰相混淆。

解決方案

ECG監控或測量適用的應用場(chǎng)合與環(huán)境十分廣泛，ADI采用了新的模擬前端ECG子系統ADAS1000以應對各種環(huán)境的需求。首先，ADAS1000可滿(mǎn)足診斷測量系統的需求，支持臨床環(huán)境標準。有些診斷系統需要較高的電連接，ADAS-1K就能憑借其可擴展架構給予支持。其次，ADAS1000開(kāi)發(fā)時(shí)還考慮到了便攜性和低功耗的發(fā)展趨勢。由于A(yíng)DAS1000的元件數量減少，功耗降低，開(kāi)發(fā)人員可同時(shí)采用各種優(yōu)化設計，有助于重新定義便攜式系統的工業(yè)設計。最后，ECG子系統的多種重要功能集成到一塊芯片上，不僅降低了器件本身的成本，也降低了整體系統成本。ADAS1000還可大大減少高元件數量的系統固有的無(wú)形成本，例如庫存控制和可靠性問(wèn)題。

圖6為ADAS1000功能框圖，大致上標出了ADAS1000的重要元件。這是一個(gè)高度集成的模擬前端子系統，能夠將ECG前端的元件數量從50個(gè)有源器件減少到只有1個(gè)。ADAS1000集成了重要元件，有助于簡(jiǎn)化設計，加速產(chǎn)品上市，這些元件如下：5個(gè)從輸入到后端數字濾波器的獨立ECG信號采集路徑，1個(gè)“右腿驅動(dòng)”電極，呼吸測量電路，1個(gè)片內脈搏檢測算法、保護交流與直流的引腳，以及校準電路。

圖6 ADAS1000功能框圖

ADAS1000考慮到了ECG測量系統兩方面的重要問(wèn)題。一方面是主要生命體征的采集：ECG、可用于確定呼吸速率的胸阻抗以及脈搏檢測。另一方面是保證測量精確可靠所需的其他功能。“右腿驅動(dòng)”可用于改善共模抑制，從而獲得更多的ECG信息?？蛇x參考導聯(lián)：共?？山璐双@得相關(guān)導聯(lián)信息?？焖龠^(guò)載恢復：心臟病專(zhuān)家希望除顫時(shí)能在一秒內完成快速過(guò)載恢復，ADAS1000即能滿(mǎn)足這一要求。導聯(lián)脫落檢測：幫助臨床醫護人員了解電極何時(shí)從病人身上脫落。以及校準功能：正如之前提到的一樣，醫生可借此為主要信號的幅度提供參考。

ADAS1000是一種直流耦合系統，它采用了性能高達20位的ADC，以及后端片內數字過(guò)濾器，支持靈活濾波與吞吐量選項。ADAS1000固有共模抑制通常為110 dB，考慮到了我們之前所提到的問(wèn)題。呼吸測量可在2個(gè)或4個(gè)導聯(lián)上完成，從而提供不同層次的解決方案。除了片內起搏器脈沖檢測算法之外，如果設計人員使用自己的算法，還可選用快速數據通道。

ADAS1000測量胸阻抗時(shí)采用的方法如圖7所示，典型的呼吸測量電路由驅動(dòng)電路和測量電路組成。ADAS1000的驅動(dòng)部分基于DAC設計，在編程設置的頻率下將兩個(gè)錯相交流耦合電流提供給一對電極。電流通過(guò)一系列電阻和電容傳遞至病人。交流耦合可將病人與直流電隔離開(kāi)，并可通過(guò)向病人施加共模電壓緩解焦慮。電流幅度由交流耦合電容值決定，用戶(hù)可通過(guò)增大電容來(lái)增加病人的電流，同時(shí)增加信噪比。不過(guò)，同時(shí)也會(huì )產(chǎn)生更大的電壓差分。載波電極間的阻抗等于電纜電阻之和，包括每個(gè)電極的除顫保護電阻，通常為1kΩ~10kΩ，電極與皮膚的接觸阻抗，通常為50Ω~700Ω，以及身體的大塊組織與電極間的阻抗，約為100Ω~500Ω。由于上述大阻抗的存在，目標是測量呼吸過(guò)程中出現的較小的身體阻抗變化。阻抗的峰峰值通常為0.2Ω~5Ω。

圖7 典型的呼吸測量電路

片內脈搏與偽像檢測是與ECG輸入并行的功能，可在高頻狀態(tài)下分接ADC，檢測采用數字狀態(tài)機完成。數字脈搏算法存在三種情況，在三個(gè)矢量或導聯(lián)上運行，或者四個(gè)矢量或導聯(lián)上運行，以檢測脈搏和偽像。采樣速率與實(shí)際算法屬ADi專(zhuān)利技術(shù)。不過(guò)，脈搏與偽像功能有明確規定，能夠檢測并測量寬度在100μs~2ms，幅度在400μV~250mV的脈搏偽像，脈搏與偽像過(guò)濾器可過(guò)濾每分鐘的換氣脈沖。用戶(hù)若想采用自己的脈搏檢測方案，可使用第二個(gè)串行接口。

ADAS1000十分靈活，適用于各種應用場(chǎng)合的便攜式監控儀或高端診斷設備。通過(guò)可調功耗選項，開(kāi)發(fā)人員可以調整設計以適應其終端系統的需求。對于那些需要5個(gè)以上患者電極（不包括“右腿驅動(dòng)”）的應用而言，開(kāi)發(fā)人員很容易將多個(gè)器件進(jìn)行級聯(lián)。我們可以將多個(gè)ADAS1000器件進(jìn)行無(wú)縫組合，將電極數量調整到5個(gè)或更多，電極數量?jì)H受后端處理器處理能力的限制。因此，對真正的12導聯(lián)ECG系統而言，可以對兩個(gè)ADAS1000芯片進(jìn)行級聯(lián)，以提供所需數量的患者電極。對心臟標測系統之類(lèi)需要大量ECG采集路徑的應用來(lái)說(shuō)，可以級聯(lián)多個(gè)ADAS1000以獲得所需的電極數量。器件組合是ADAS1000的固有功能，因此當通道數量增加時(shí)，需要的外部元件很少。

問(wèn)答選編

問(wèn)：請問(wèn)病人監護儀能監視哪些參數？

答：基本參數包括ECG(心電圖、心率、ST段、心律失常分析)，SpO2(血氧飽和度、脈率)，Nibp(無(wú)創(chuàng )血壓)，體溫，呼吸；其他包括麻醉氣體分析，呼吸二氧化碳等。

問(wèn)：請問(wèn)ADAS1000集成了哪些功能？相比交流耦合方式，直流耦合能降低成本嗎？

答：ADAS1000集成了ECG信號、胸廓阻抗、起搏測量、導聯(lián)連接/脫落狀態(tài)檢測等功能，而且用戶(hù)可方便靈活選擇導聯(lián)/向量或電極數據輸出格式，同時(shí)數據速率可軟件控制。低功耗和小尺寸特性使得此芯片非常適合便攜式和電池供電系統應用，其高性能也使得此芯片適合高端診斷級的ECG設備使用。ADAS1000是集成度較高的ECG模擬前端，可將前端元件數從多達50個(gè)有源器件減少至僅一個(gè)（5導聯(lián)系統），簡(jiǎn)化ECG系統設計，縮短上市時(shí)。相比交流耦合方式，直流耦合不需要模擬的濾波器，從這一點(diǎn)上來(lái)說(shuō)是可以降低成本的。

問(wèn)：請問(wèn)如何將檢測到的信號與身體狀態(tài)關(guān)聯(lián)起來(lái)？

答：專(zhuān)業(yè)醫生可以判斷，有些軟件也可以自動(dòng)判斷。

問(wèn)：請問(wèn)如何解決工頻干擾問(wèn)題？有哪些方法？

答：解決工頻干擾較為有效的辦法是使用高CMRR的儀表放大器，提供“右腿驅動(dòng)”反饋電路。另外可以使用軟件的方法設計50Hz/60Hz濾波器來(lái)解決。

問(wèn)：采用哪些方法解決共模抑制問(wèn)題？

答：主要是設計架構，比如“右腿驅動(dòng)”、屏蔽驅動(dòng)、布線(xiàn)布局、電路設計等。

問(wèn)：ADAS1000的滿(mǎn)功耗是多少?是否適合用在移動(dòng)ECG上?

答：22mW，主要應用之一就是移動(dòng)ECG。

問(wèn)：ECG的安全可靠問(wèn)題該如何有效解決？

答：安全性需要通過(guò)系統設計來(lái)保證，主要是電氣隔離?？蓞⒖糀DI的ADuM2xxx、ADuM6xxx系列產(chǎn)品?？煽啃灾饕从吃诋a(chǎn)品一致性和耐壓上，前者可選擇高品質(zhì)高集成器件解決，后者在ESD方面需要仔細考慮，甚至小到一個(gè)限流電阻的選擇都需要注意。

問(wèn)：ADAS1000的RLD電極有些什么特性？

答：ADAS1000具有專(zhuān)門(mén)的“右腿驅動(dòng)”電路，包括RLD放大器，專(zhuān)用的電極輸出管腳，反饋管腳?？梢杂脜⒖茧妷候寗?dòng)，也可以用多通道平均驅動(dòng)，詳細描述可以參見(jiàn)ADAS1000的手冊。

問(wèn)：12電極和5電極ECG測量，各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？哪個(gè)應用更為廣泛些？

答：12電極在傳統心電圖上應用廣泛，3/5電極在傳統監護儀/心電Holder上使用比較廣泛，更適合便攜式應用。相對來(lái)說(shuō)，3/5電極市場(chǎng)更為廣泛。

問(wèn)：ADAS1000用在手提心電圖儀時(shí)，對ECG的電源管理有什么好的建議?

答：選用板級電源的話(huà)，可以采用多路現行穩壓器。另外，ADI的ADP2114是一顆紋波和噪聲性能極佳的開(kāi)關(guān)電源芯片，也可以考慮。

問(wèn)：請問(wèn)在使用該芯片的過(guò)程中，如何進(jìn)行ESD和除顫的保護？

答：可以在A(yíng)DAS1000前面加上ESD和除顫的保護電路，如空氣放電管或者TVS。

問(wèn)：為了降低電源對ECG的干擾，需要采取那些措施?

答：需要采取的措施有：使用線(xiàn)性電源、增加去耦電容，增加LC濾波、磁珠；合理PCB布局；采用差分走線(xiàn)，使用電池供電等。

問(wèn)：在解決共模抑制問(wèn)題時(shí)提到“右腿驅動(dòng)”，請問(wèn)什么是“右腿驅動(dòng)”？

答：“右腿驅動(dòng)”用于穩定人體信號的共模電壓在系統電平之內，并有助于抑制共模噪聲。

問(wèn)：ADAS1000在節能上，有什么新的亮點(diǎn)？

答：ADAS1000低功耗和小尺寸。1導聯(lián)通常為11 mW，3導聯(lián)通常為14 mW。使能所有導聯(lián)時(shí)通常為19 mW，適合便攜式、電池供電系統的應用，可也可以采用禁用不同功能以節省電力，可降低ADC采集速率和數據速率以節省電力。

問(wèn)：請問(wèn)開(kāi)發(fā)板是基于什么平臺？是否提供軟件代碼作為參考設計？ADAS1000的SPI最高速率是多少？

答：開(kāi)發(fā)板是基于BF527的DSP平臺，提供驅動(dòng)部分代碼設計，以及NI的軟件開(kāi)發(fā)工具。ADAS1000 SPI接口最高提供128k-16bit的心電數據給用戶(hù)。

問(wèn)：請問(wèn)有ADAS1000應用的監護醫療方案提供嗎？

答：ADI提供NIBP和SpO2的參考板，另外ADI還有Blackfin的主板可以提供。

問(wèn)： ADAS1000支持I2C通訊么？

答：ADAS1000提供2個(gè)SPI接口，一個(gè)是標準的SPI，另外一個(gè)是使用MASTER方式的高速SPI端口。