從米家心電衣看心率監測設可穿戴心率測試挑戰與解決方案分析

隨著(zhù)可穿戴技術(shù)愈漸成熟，人們不再滿(mǎn)足于獲取限定條件下的身體數據，而是希望在任何情況下都能夠準確的了解自身身體狀況。于是更便捷，更舒適，更精準，能夠在各種環(huán)境下精確測量的可穿戴設備成為了市場(chǎng)的“寵兒”。

近期小米商城新上架了一款運動(dòng)心電衣，可在運動(dòng)狀態(tài)下準確測量心率，觀(guān)察心率的趨勢，也可在相對靜止狀態(tài)下測量心電圖，這一產(chǎn)品的推出引起了不少電子數碼愛(ài)好者的關(guān)注，經(jīng)過(guò)評測發(fā)現其測量核心的心電豆使用了來(lái)自ADI公司的單導聯(lián)心率監護模擬前端AD8232。值得一提的是，AD8232是一款“出生”于8年前的產(chǎn)品，這樣一款“歷久彌新”的經(jīng)典芯片用在了米家最新款的心電衣上，不得不說(shuō)是一個(gè)奇妙的組合~

米家心電衣

獲取心率數據，舒適和準確一樣重要！

心血管疾病是危及人類(lèi)生命健康的“頭號殺手”，有數據顯示，每年心血管疾病死亡人數占全球死亡總人數的29%；中國心血管病患者2.9億，每5例死亡者中有2例死于心血管病。而這類(lèi)疾病都是有征兆的，在發(fā)病期的2-3天前心率波形就會(huì )發(fā)生變化，所以一款能夠有效進(jìn)行心率監測的可穿戴設備是至關(guān)重要的，既能夠測試靜態(tài)情況下的心臟情況，也要監控在運動(dòng)過(guò)程中心臟在承壓工作中的問(wèn)題，早發(fā)現早治療。

我們都知道心率和心臟活動(dòng)監護通常是使用ECG測量生理電信號來(lái)實(shí)現。ECG測量的是人體心臟由于每次心跳使心肌去極化和復極化而產(chǎn)生的電信號。信號幅度通常為0.5mV至4mV，測量頻率范圍在0.05Hz至40Hz之間。而這需要通過(guò)將電極與皮膚相連來(lái)監測心臟活動(dòng)，為了在診斷應用中確保與人體的良好接觸，業(yè)界的很多可穿戴設備采用了雙電極胸帶。雖然可檢測到各種ECG波形，但大多數系統只測量心率，并且這些胸帶穿戴起來(lái)并不舒服，因此，體育和保健行業(yè)正在尋找替代方案，例如將電極集成到運動(dòng)衫上。

米家心電衣_心電豆

這款米家的運動(dòng)心電衣就是典型的例子，將精心設計的導電織物電極植入到運動(dòng)衣中實(shí)現無(wú)感檢測。貼身的設計不僅可以更準確地測量心率還可以用作心臟功能測量或潛在心臟病事件（如心房顫動(dòng)或持續高血壓）的預警。其中測量的核心就是來(lái)自ADI的AD8232單導聯(lián)心率監護儀前端，其設計初衷也是專(zhuān)為此類(lèi)低功耗可穿戴應用而開(kāi)發(fā)的。值得一提的是，ADI利用其在ECG應用上積累的芯片諸多設計經(jīng)驗以及系統工程經(jīng)驗，后續在A(yíng)D8232的基礎上推出了全新升級版AD8233。

AD8233 是一種適用于心電圖 (ECG) 和其他生物電勢測量應用的集成信號調理模塊。根據設計，該器件用于在嘈雜條件下采集、放大和過(guò)濾微小的生物電勢信號，例如由于運動(dòng)或遠處放置電極而產(chǎn)生的信號。借助這種設計，超低功率模數轉換器 (ADC) 或嵌入式微控制器可輕松采集輸出信號。

完整ECG和低功耗信號調理前端

超高配置靈活濾波，AD8233完美Handle可穿戴

人體的電極電壓是毫伏級別的，在測量過(guò)程中獲取的信號很弱且很噪雜，從而對運動(dòng)相關(guān)的干擾噪聲很敏感，并且電極的金屬與皮膚接觸時(shí)會(huì )產(chǎn)生極大且不平衡的接觸阻抗，這會(huì )嚴重干擾采集信號的質(zhì)量。由于這個(gè)原因，濾波對于獲取有用的信號很重要。AD8233提供高度靈活的濾波器配置：雙極點(diǎn)可調高通濾波器、帶可調增益的三極點(diǎn)可調低通濾波器以及一個(gè)RFI濾波器，這對于許多應用在惡劣的電氣環(huán)境下實(shí)現一致且可信的操作非常重要。

其中二極高通濾波器來(lái)消除運動(dòng)偽影和電極半電池電勢，這種濾波器與放大器的儀表架構緊密耦合，從而在單級中實(shí)現大增益和高通濾波，進(jìn)而節省空間和成本。三極低通濾波器是AD8233借助一個(gè)通用運算放大器形成的，用于消除更多噪聲。RFI濾波器有助于從熱電偶進(jìn)行任何高頻拾取。以上所有濾波器用戶(hù)都可以自行選擇截止頻率，以便滿(mǎn)足不同應用類(lèi)型的需求。在易用性和靈活性方面，為了改善系統中線(xiàn)路頻率的共模抑制和減輕其他不想要的干擾，AD8233 集成了一個(gè)帶關(guān)斷功能的右腿驅動(dòng)(RLD)放大器和一個(gè)非專(zhuān)用運算放大器。

值得一提的是，AD8233 還包含了一項快速恢復功能，使高通濾波器原本較長(cháng)的建立時(shí)間縮短。當有突然到電源軌的信號時(shí)（例如發(fā)生導聯(lián)關(guān)閉情況），AD8233 會(huì )自動(dòng)調整到更高的濾波器截止頻率。此功能可讓 AD8233 快速恢復，從而確保在將電極連接到測量對象后盡快執行有效測量。

集成參考結補償和斷線(xiàn)檢測特性的熱電偶電路

ADI低功耗AFE應用不止于此

隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，可穿戴設備不再局限于醫療保健和家庭護理上，并逐漸在運動(dòng)市場(chǎng)開(kāi)始發(fā)力。這對設備的功耗，尺寸和準確度都提出了新的挑戰，而ADI 的技術(shù)可以將這些頗具挑戰性的難題轉變?yōu)橥晟频漠a(chǎn)品和完整的解決方案。

就如同AD8232雖然是一塊八年前的產(chǎn)品，但是在通過(guò)對芯片以及外圍電路的調整和優(yōu)化后應用在最新款的心電衣上依舊是最合適的。其升級版AD8233則性能更優(yōu)，具備更低功耗（減少67%），更小體積（減少70%）以及更低的噪聲（減少25%）。AD8233同時(shí)也是非常成熟的產(chǎn)品，在穿戴式和醫療應用上也有非常多的成功案例。

此外，由于低功耗 (50 uA)、小巧的2 mm x 1.7 mmWLCSP封裝、關(guān)斷引腳以及靈活架構的巧妙結合，AD8233的應用范圍不僅僅限于ECG前端，該器件在物聯(lián)網(wǎng)、WSN或任何其他低功耗設計領(lǐng)域也能夠完美勝任。