簡(jiǎn)介

現(xiàn)在看來(lái)，醫(yī)療和健身監(jiān)視器中下一個(gè)重要功能將是心電圖 (ECG) 功能，但如果你的可穿戴設(shè)備沒(méi)有呢？ 你會(huì)感覺(jué)到自己的壓力陡增，因?yàn)槟愕臐撛诳蛻?hù)群已經(jīng)跳上了即將出發(fā)的ECG列車(chē)，而你卻只能眼睜睜地看著他們離去。 當(dāng)然，你沒(méi)辦法在自己的可穿戴設(shè)備中快速添加這項(xiàng)功能，那么現(xiàn)在追趕還來(lái)得及嗎？ 如果只是往可穿戴設(shè)備中添加ECG功能，是不會(huì)耗費(fèi)太多成本和時(shí)間的。

或許你可以放松一下。在這個(gè)設(shè)計(jì)方案中，我們利用在胸前佩戴的可穿戴設(shè)備中測(cè)量ECG信號(hào)的理論和實(shí)踐，提出了一個(gè)復(fù)合解決方案，以加快設(shè)計(jì)速度并顯著減少采用這項(xiàng)新興技術(shù)所需的時(shí)間。

什么是電位？

生物電位測(cè)量需要將兩個(gè)或兩個(gè)以上的電極與患者的身體皮膚接觸，以檢測(cè)心臟產(chǎn)生的小電信號(hào)。然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將其發(fā)送至微處理器進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算和/或顯示。心電圖（ECG或EKG）是與心肌關(guān)聯(lián)的電信號(hào)隨時(shí)間變化的測(cè)量和圖形表示。R-R間期是指心臟周期性電信號(hào)峰值振幅之間的時(shí)間間隔，也稱(chēng)為R波峰（圖1）。

圖1：R-R間期是典型心電圖波形。（資料來(lái)源：Maxim Integrated）

ECG和R-R測(cè)量可用于心率監(jiān)測(cè)，以幫助診斷特定的心臟狀況，如心律失常。這些情況可能很難診斷，因?yàn)樗鼈冊(cè)谂R床環(huán)境中不一定表現(xiàn)出來(lái)。可穿戴設(shè)備為醫(yī)療專(zhuān)業(yè)人員提供了在醫(yī)院外長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控患者身體狀況的能力， 為他們提供更多的信息來(lái)幫助檢測(cè)和診斷。對(duì)于認(rèn)真的健身愛(ài)好者，也可以通過(guò)心電圖洞察訓(xùn)練時(shí)的巔峰表現(xiàn)間隔。

胸帶測(cè)量

與皮膚接觸的電極可以是濕電極或干電極，用來(lái)接收ECG信號(hào)。濕電極用粘性凝膠附著在身體上，通常用于臨床診斷。胸帶通常使用的是干電極。電極通常是用兩個(gè)襯墊制成的彈性和導(dǎo)電材料，連接到一個(gè)小型、密封、電池供電的電子電路。電子設(shè)備先進(jìn)行ECG信號(hào)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后一般使用藍(lán)牙?將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)街鳈C(jī)設(shè)備。為了讓設(shè)備輕薄小巧、佩戴舒適，傳感器電子設(shè)備通常用一個(gè)紐扣電池供電。在開(kāi)始設(shè)計(jì)基于胸帶的ECG和心率傳感器時(shí)，有多個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和重要考慮因素。

電極和輸入電路

電極需要與身體有高質(zhì)量的連接，以提供振幅足夠的可靠信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。電極尺寸和材料特性也會(huì)影響檢測(cè)信號(hào)的質(zhì)量和電平。雖然干電極比濕電極方便很多（可以輕松放上去拿下來(lái)），但干電極剛放在身體上時(shí)，阻抗非常高。 這意味著ECG信號(hào)可能會(huì)衰減成為小信號(hào)。干電極啟動(dòng)問(wèn)題通常持續(xù)時(shí)間很短，等到佩戴者充分鍛煉開(kāi)始出汗，就能降低阻抗并增加信號(hào)電平。為應(yīng)對(duì)干電極啟動(dòng)問(wèn)題，ECG通道模擬電路的輸入阻抗應(yīng)非常高，以便將衰減保持在最小程度。另外，雖然在醫(yī)院測(cè)量心電圖可以讓患者身體固定并使用多個(gè)電極，但對(duì)于便攜式設(shè)備的移動(dòng)佩戴者來(lái)說(shuō)這并不現(xiàn)實(shí)。電極數(shù)應(yīng)盡量減少（理想情況下不超過(guò)兩個(gè)，例如單通道）。

模擬信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)偽影

在鍛煉時(shí)隨著身體的移動(dòng)，有多個(gè)因素會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量。例如，在跑步或騎自行車(chē)時(shí)，衣服撞擊身體和/或胸帶的運(yùn)動(dòng)以及電極的運(yùn)動(dòng)都會(huì)對(duì)ECG信號(hào)形成干擾。要保持ECG信號(hào)質(zhì)量，就必須從運(yùn)動(dòng)偽影中去除這種干擾。 一般情況下，這種運(yùn)動(dòng)偽影在來(lái)自?xún)蓚€(gè)電極墊的信號(hào)上都很常見(jiàn)，因此模擬前端的共模抑制比 (CMRR) 需要盡可能高。另外應(yīng)該注意的是，傳感器電子元件越重，在使用時(shí)越有可能彈起，從而產(chǎn)生更多的運(yùn)動(dòng)偽影。

功耗

為了使胸帶保持舒適和實(shí)用，在形狀上必須盡可能采用非侵入式，讓電子設(shè)備和電源占用的空間盡量小（理想情況下用一個(gè)紐扣電池）。而這必然要求極低的功耗，因?yàn)楫a(chǎn)生的任何熱量都可能會(huì)讓佩戴者感到不適，同時(shí)也會(huì)縮短電池壽命。

一種集成解決方案

平衡這些關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素非常具有挑戰(zhàn)性。要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確讀數(shù)所需的信號(hào)質(zhì)量水平，同時(shí)以小型、耐用、輕便的外形尺寸保持可靠的低功耗運(yùn)行，這并非易事。在下一節(jié)中，我們將提供詳細(xì)步驟說(shuō)明如何將ECG測(cè)量功能添加到胸前的可穿戴設(shè)備中。

第1步：模擬前端

檢測(cè)ECG信號(hào)所需的模擬前端 (AFE) 有幾個(gè)不同的構(gòu)成模塊， 其中包括一個(gè)帶低通濾波器的輸入放大器、一個(gè)可編程增益放大器 (PGA) 和一個(gè)帶數(shù)字濾波選項(xiàng)的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。顯然，在可穿戴設(shè)備的有限空間內(nèi)，分立式AFE是不現(xiàn)實(shí)的， 因此集成式AFE就應(yīng)運(yùn)而生。在為胸前的可穿戴式裝置選擇集成式生物電位ECG AFE時(shí)，應(yīng)考慮一些重要的規(guī)范和功能。出于前面提到的原因，理想情況下應(yīng)使用具有極高串聯(lián)電阻 (> 500MΩ) 和高共模抑制比 (> 100dB) 的單輸入通道。除了ESD合規(guī)性 (IEC61000-4-2) 和EMI濾波，集成電路 (IC) 還需要能夠檢測(cè)在正常工作狀態(tài)下引線是已連接（即使在睡眠模式下），還是已與佩戴者分離，同時(shí)還要能夠從過(guò)電壓條件（如除顫）快速恢復(fù)。此功能必須以盡可能低的功耗提供。

(圖2) 顯示了滿(mǎn)足這些要求的可穿戴設(shè)計(jì)中使用的全集成生物電位ECG模擬前端的功能框圖。該設(shè)備的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它使用一對(duì)電極（單通道）提供ECG波形，并在同一個(gè)包中執(zhí)行心率檢測(cè)。類(lèi)似的ECG AFE IC不執(zhí)行心率檢測(cè)， 而是依賴(lài)微控制器來(lái)進(jìn)行計(jì)算，這通常會(huì)額外消耗40μW的功率。該AFE的典型電流消耗僅為150μW（幾乎比同類(lèi)部件低70%），可使用單枚紐扣電池供電。它符合IEC60601-2-47 ECG規(guī)范，適用于臨床和健身應(yīng)用。

圖2：生物電位AFE IC（資料來(lái)源：Maxim Integrated）

第2步：設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)偽影帶通濾波器

在將電極信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之前，最好在模擬信號(hào)中除去或減少運(yùn)動(dòng)偽影。主要方法是通過(guò)使用高通和低通濾波器來(lái)減少帶寬。對(duì)于示例IC，可以通過(guò)將外部電容器 (CHPF) 連接到CAPP和CAPN引腳來(lái)設(shè)置單極高通拐角頻率，如(圖3) 中所示。所用的值應(yīng)將高通拐角頻率設(shè)置為5Hz，特別是對(duì)于大運(yùn)動(dòng)量應(yīng)用，如大多數(shù)體育和健身應(yīng)用。對(duì)于臨床應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這個(gè)頻率可以低很多，通常低到0.5Hz甚至0.05Hz。當(dāng)身體不怎么移動(dòng)或者完全不移動(dòng)時(shí)，會(huì)為診斷提供更高質(zhì)量的ECG信息。

圖3：輸入模擬帶通濾波器網(wǎng)絡(luò)。（資料來(lái)源：Maxim Integrated）

(圖4) 顯示了胸帶應(yīng)用的模擬帶通波特圖。

圖4：胸帶的模擬帶通濾波器波特圖。（資料來(lái)源：Maxim Integrated）

CHPF的值為100nF會(huì)將高通拐角頻率設(shè)置為最小值5Hz，但對(duì)于大運(yùn)動(dòng)量應(yīng)用，該頻率可以設(shè)置到7Hz。這時(shí)需要將電容器的CHPF設(shè)置為68nF。組件將低通濾波器設(shè)置在CAPP和CAPN引腳的左側(cè)，它們是RECGP、RECGN (1MΩ)、CCMEP和CCMEN (4.7nF)。這會(huì)將共模低通拐角頻率設(shè)置為34Hz，最適合在干電極啟動(dòng)期間抑制襯衫或衣服的噪聲。限制高端帶寬對(duì)于減弱靜電和高頻信號(hào)的噪聲也很重要。串聯(lián)電阻RECGP和RECGN的阻抗應(yīng)受到限制，使得電阻熱噪聲和ECG通道輸入噪聲的均方根 (RSS) 不應(yīng)比單獨(dú)的輸入噪聲大很多。不使用差模電容器CDME。盡管如此，我們還是建議做一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)比較共模低通濾波器和差模低通濾波器的性能，因?yàn)槊糠N設(shè)計(jì)都可能有自己的噪聲源。

設(shè)計(jì)PCB和選擇組件時(shí)的建議：

第3步：電源選擇

根據(jù)所使用的電池類(lèi)型，有多個(gè)選項(xiàng)可以為整個(gè)可穿戴設(shè)備供電。最簡(jiǎn)單的選項(xiàng)是使用線性穩(wěn)壓器（圖5），從一個(gè)典型電壓為2.2V到3.4V的紐扣電池生成一個(gè)公共1.8V直流電軌。不過(guò)這種方法并不是特別節(jié)能。

圖5：簡(jiǎn)單的低壓差線性穩(wěn)壓器電源方案。（資料來(lái)源：Maxim Integrated）

雖然用降壓穩(wěn)壓器代替LDO可以提高效率，但最好的解決方案是使用電源管理集成電路 (PMIC)，如(圖6)所示。

圖6：PMIC和3VDC紐扣電池。（資料來(lái)源：Maxim Integrated）

使用這種解決方案的優(yōu)點(diǎn)是PMIC可以為微控制器、模擬前端和數(shù)字接口提供單獨(dú)的功率輸出。

結(jié)論

我們復(fù)習(xí)了生物電位理論，并說(shuō)明了如何通過(guò)連接到胸前設(shè)備的濕電極或干電極，利用該理論來(lái)測(cè)量ECG信號(hào)。然后我們討論了調(diào)節(jié)ECG信號(hào)，以最小功耗進(jìn)行精確測(cè)量所面臨的挑戰(zhàn)。最后，我們提出了一個(gè)復(fù)合解決方案，由一個(gè)生物電位模擬前端 (AFE) IC、一個(gè)分立模擬濾波器和一個(gè)電源管理集成電路 (PMIC) 組成。此解決方案包含了將ECG功能快速輕松地集成到胸前佩戴的醫(yī)療和健身可穿戴設(shè)備所需的組件。

審核編輯：郭婷