基于ECG AFE簡化病人監(jiān)護儀設(shè)計

ADI公司

在較高水平的系統(tǒng)以及病人監(jiān)控設(shè)備的元件系統(tǒng)中不難發(fā)現(xiàn)，許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都存在典型的信號鏈，包括信號采集、信號調(diào)理與處理以及工作通信。如果再深入探究，就會發(fā)現(xiàn)有很多的設(shè)計問題需要理解，比如有關(guān)信號完整性和共模抑制對信號的影響等問題等等。保證使用電氣連接設(shè)備的病人的安全同樣至關(guān)重要，但這會增加設(shè)計的復(fù)雜度。病人有時可能需要進行除顫，在這時候，我們必須防止系統(tǒng)自身受到此類活動的影響。不僅如此，還有其他的許多行業(yè)規(guī)范以及實踐中的實際問題也會影響系統(tǒng)的最終設(shè)計。

圖1是12導(dǎo)聯(lián)ECG（心電圖）監(jiān)控器件的典型信號鏈，架構(gòu)非常復(fù)雜，存在各種細微差別和復(fù)雜性。

圖1 12導(dǎo)聯(lián)ECG監(jiān)控器件的典型信號鏈

ECG監(jiān)控

ECG的測量，即心臟的電活動。測量ECG信號的設(shè)備包括便攜式動態(tài)心電監(jiān)護儀、臨床心電圖儀以及高通道心臟標(biāo)測系統(tǒng)，這些設(shè)備在不斷開發(fā)中。這些測量系統(tǒng)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合。例如醫(yī)院的使用環(huán)境包括手術(shù)室、重癥監(jiān)護室、電生理實驗室等，每種環(huán)境都有需要解決的設(shè)計難題。這些環(huán)境所面臨的設(shè)計難題的復(fù)雜性和測量目標(biāo)都十分廣泛，而且范圍仍在不斷擴大。隨著醫(yī)療保健行業(yè)朝著遠程病人監(jiān)控方向發(fā)展，開發(fā)人員面臨著一系列新的挑戰(zhàn)，需要隨時提出新的應(yīng)對措施。

ECG信號

ECG信號是心臟在一段時間內(nèi)電性活動的經(jīng)胸反映，通過皮膚電極采集并于外部進行記錄。它是由心電圖設(shè)備產(chǎn)生的無創(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明可能存在異常，醫(yī)生可以借此評估病人的健康狀況并作出相應(yīng)處理。

ECG信號的采樣圖由P波、QRS波群和T波組成，代表一個心動周期中的心臟電性活動。一個心跳周期 P波：心房收縮；QRS波群：心室興奮；T波：心室激動后的復(fù)原活動。如今，通過研究心臟不同層面的電氣特性，心臟病專家能夠確定很多與心臟功能相關(guān)的異?，F(xiàn)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/或四肢各個部位。導(dǎo)聯(lián)來自ECG電極的各種數(shù)學(xué)組合。雖然出于歷史的原因，有些人認為這已經(jīng)過時，但在臨床環(huán)境中，12導(dǎo)聯(lián)ECG依然是最常見的設(shè)置。12導(dǎo)聯(lián)ECG包括三個標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)，即右臂、左臂和左腿，稱為Einthoven導(dǎo)聯(lián)。還有三個加壓肢體導(dǎo)聯(lián)VR、VL與VF，也就是通常所說的Goldberg加壓導(dǎo)聯(lián)，以及6個心前區(qū)導(dǎo)聯(lián)，即V1~V6。心前區(qū)導(dǎo)聯(lián)也稱V導(dǎo)聯(lián)，大多數(shù)心臟病專家認為其屬于獨立矢量，這也是威爾遜中心電端和目標(biāo)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(dǎo)聯(lián)組成，可進行3分頻。我們可以發(fā)現(xiàn)，要想形成12導(dǎo)聯(lián)ECG，只需連接9個電極即可。通常還會采用第10個電極來提供“右腿驅(qū)動”，隨著映射的心臟層面增加，測量心臟生物電信號也變得更加復(fù)雜。

如圖4所示，Einthoven導(dǎo)聯(lián)和V導(dǎo)聯(lián)一樣可視為獨立矢量，信號來自導(dǎo)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(dǎo)聯(lián)aVL、aVR和aVF與導(dǎo)聯(lián)1、2、3源自同樣的三個電極。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(dǎo)聯(lián)不屬于獨立導(dǎo)聯(lián)。在胸導(dǎo)聯(lián)連接V1~V6，6個正電極放置于胸部，之前提到的作為測量參考的威爾遜中心電端則相當(dāng)于負電極。


圖2 醫(yī)療保健系統(tǒng)中需要ECG監(jiān)控的環(huán)境


圖3 ECG信號


圖4 經(jīng)過心臟的aVx導(dǎo)聯(lián)測量

電極就位以后，就可以開始測量心臟的電性活動。圖5顯示的是典型的12導(dǎo)聯(lián)ECG打印結(jié)果。橫軸方向每個大正方形為200ms，每個小正方形為40ms。縱軸方向當(dāng)增益為1時，每個小正方形相當(dāng)于100μV，即0.1mV。增益為1時，最左側(cè)的校準(zhǔn)信號代表1mV CAL信號的10mm垂直偏轉(zhuǎn)。1mV的CAL信號通常寬160ms。每個導(dǎo)聯(lián)均體現(xiàn)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、電極的連接和導(dǎo)聯(lián)的形成，以及最終ECG打印結(jié)果后，兩個端點之間存在一系列模擬和數(shù)字信號處理過程，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(fù)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(gòu)。采用直流耦合還是交流耦合？兩者都很常用，也各有利弊。例如，在交流耦合系統(tǒng)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進行處理，該系統(tǒng)中12 ADC很常見。在直流耦合系統(tǒng)中，目標(biāo)信號會受到直流失調(diào)電壓的影響，通常約為300mV。因此，在經(jīng)高階ADC數(shù)字化處理前，前端只能采用低增益。由于整體信號的動態(tài)范圍較寬，分辨率必須很高。一般而言，直流耦合系統(tǒng)是未來的發(fā)展趨勢，因為該系統(tǒng)的復(fù)雜性較低，而且可采用后端信號處理，整體系統(tǒng)的靈活性大大增強。

共模抑制

共模抑制在整體系統(tǒng)設(shè)計中同樣舉足輕重。ECG可以測量心臟電氣系統(tǒng)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(nèi)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(tǒng)還會受到無用環(huán)境電信號的影響，例如交流主電源、安全系統(tǒng)噪聲，以及射頻干擾(RFI)。這些電氣干擾出現(xiàn)在測量系統(tǒng)的輸入端，屬于共模噪聲，當(dāng)存在與系統(tǒng)共模抑制比相關(guān)的小差分信號時，能夠抑制大共模信號。醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)需要的共模抑制約為100db。而實際臨床用途則要求達到120db。

ECG信號還會受到多種共模源的破壞，包括電源線干擾、電極與皮膚間的接觸噪聲、以及其他電氣設(shè)備的電磁干擾。ECG設(shè)計必須能在暴露于此類瞬時輸入時依然維持其共模及差分輸入性能。大多數(shù)ECG系統(tǒng)如今都銷往全球，設(shè)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(diào)和極化對差分和共模輸入動態(tài)范圍要求較高。ECG電壓的峰峰值通常為500μV~3mV，因此目標(biāo)信號數(shù)字化之前的模擬前端輸入能力的動態(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(shè)計技術(shù)十分豐富。系統(tǒng)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，就能限制基線漂移之類無用噪聲的進入。大多數(shù)ECG電纜都嵌有保護電阻以進行除顫器保護。這種影響以及電纜電容差異和前端EMI濾波會引起共模信號不平衡，從而導(dǎo)致相位從共模向差模偏移，甚至發(fā)生轉(zhuǎn)換。因此，平衡的輸入設(shè)計至關(guān)重要。“右腿驅(qū)動”技術(shù)可以減少多導(dǎo)聯(lián)配置的共模抑制。即使是雙導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，也可通過采用“右腿驅(qū)動”，將電流驅(qū)動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(diào)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(diào)，因為差分輸入電壓可達±1V。系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的問題還有很多，病人安全、噪聲消減、EMS和ESD等等。

病人監(jiān)控系統(tǒng)

病人監(jiān)控系統(tǒng)有兩種重要測量方法。第一種方法是呼吸測量。在醫(yī)院環(huán)境中，通過脈搏、血壓、體溫、呼吸和意識水平的生理觀察，醫(yī)生和護士可以及時獲得與病人健康或其他狀況相關(guān)的信息。在這些參數(shù)中，呼吸速率是一項重要的生命體征，體現(xiàn)了病人的不適或呼吸問題。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、疾病或活動增加而增多。病人監(jiān)控儀采用共模阻抗充氣造影術(shù)來確定病人的呼吸速率，使用的電極與ECG導(dǎo)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，它會隨著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，通過一對電極和阻抗變化實現(xiàn)，阻抗變化由呼吸引起，從而產(chǎn)生相應(yīng)的電壓變化，可用同一對或另一對電極測得。

病人監(jiān)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(yīng)用環(huán)境中，了解起搏器的工作原理至關(guān)重要。比方說，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，以保證起搏器不會被檢測成正常傳導(dǎo)的QRS波群，具體而言，在沒有起搏器脈沖產(chǎn)生心臟收縮的情況下，如果起搏器沒有采集心臟組織信號，就必須在植入起搏器時設(shè)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(jiān)控或測量適用的應(yīng)用場合與環(huán)境十分廣泛，ADI采用了新的模擬前端ECG子系統(tǒng)ADAS1000以應(yīng)對各種環(huán)境的需求。首先，ADAS1000可滿足診斷測量系統(tǒng)的需求，支持臨床環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。有些診斷系統(tǒng)需要較高的電連接，ADAS-1K就能憑借其可擴展架構(gòu)給予支持。其次，ADAS1000開發(fā)時還考慮到了便攜性和低功耗的發(fā)展趨勢。由于ADAS1000的元件數(shù)量減少，功耗降低，開發(fā)人員可同時采用各種優(yōu)化設(shè)計，有助于重新定義便攜式系統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計。最后，ECG子系統(tǒng)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(tǒng)成本。ADAS1000還可大大減少高元件數(shù)量的系統(tǒng)固有的無形成本，例如庫存控制和可靠性問題。

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

圖6 ADAS1000功能框圖

ADAS1000考慮到了ECG測量系統(tǒng)兩方面的重要問題。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(qū)動”可用于改善共模抑制，從而獲得更多的ECG信息?？蛇x參考導(dǎo)聯(lián)：共?？山璐双@得相關(guān)導(dǎo)聯(lián)信息?？焖龠^載恢復(fù)：心臟病專家希望除顫時能在一秒內(nèi)完成快速過載恢復(fù)，ADAS1000即能滿足這一要求。導(dǎo)聯(lián)脫落檢測：幫助臨床醫(yī)護人員了解電極何時從病人身上脫落。以及校準(zhǔn)功能：正如之前提到的一樣，醫(yī)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(tǒng)，它采用了性能高達20位的ADC，以及后端片內(nèi)數(shù)字過濾器，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題。呼吸測量可在2個或4個導(dǎo)聯(lián)上完成，從而提供不同層次的解決方案。除了片內(nèi)起搏器脈沖檢測算法之外，如果設(shè)計人員使用自己的算法，還可選用快速數(shù)據(jù)通道。

ADAS1000測量胸阻抗時采用的方法如圖7所示，典型的呼吸測量電路由驅(qū)動電路和測量電路組成。ADAS1000的驅(qū)動部分基于DAC設(shè)計，在編程設(shè)置的頻率下將兩個錯相交流耦合電流提供給一對電極。電流通過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，并可通過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，用戶可通過增大電容來增加病人的電流，同時增加信噪比。不過，同時也會產(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(biāo)是測量呼吸過程中出現(xiàn)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(nèi)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(shù)字狀態(tài)機完成。數(shù)字脈搏算法存在三種情況，在三個矢量或?qū)?lián)上運行，或者四個矢量或?qū)?lián)上運行，以檢測脈搏和偽像。采樣速率與實際算法屬ADi專利技術(shù)。不過，脈搏與偽像功能有明確規(guī)定，能夠檢測并測量寬度在100μs~2ms，幅度在400μV~250mV的脈搏偽像，脈搏與偽像過濾器可過濾每分鐘的換氣脈沖。用戶若想采用自己的脈搏檢測方案，可使用第二個串行接口。

ADAS1000十分靈活，適用于各種應(yīng)用場合的便攜式監(jiān)控儀或高端診斷設(shè)備。通過可調(diào)功耗選項，開發(fā)人員可以調(diào)整設(shè)計以適應(yīng)其終端系統(tǒng)的需求。對于那些需要5個以上患者電極（不包括“右腿驅(qū)動”）的應(yīng)用而言，開發(fā)人員很容易將多個器件進行級聯(lián)。我們可以將多個ADAS1000器件進行無縫組合，將電極數(shù)量調(diào)整到5個或更多，電極數(shù)量僅受后端處理器處理能力的限制。因此，對真正的12導(dǎo)聯(lián)ECG系統(tǒng)而言，可以對兩個ADAS1000芯片進行級聯(lián)，以提供所需數(shù)量的患者電極。對心臟標(biāo)測系統(tǒng)之類需要大量ECG采集路徑的應(yīng)用來說，可以級聯(lián)多個ADAS1000以獲得所需的電極數(shù)量。器件組合是ADAS1000的固有功能，因此當(dāng)通道數(shù)量增加時，需要的外部元件很少。

問答選編

問：請問病人監(jiān)護儀能監(jiān)視哪些參數(shù)？

答：基本參數(shù)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：請問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(dǎo)聯(lián)連接/脫落狀態(tài)檢測等功能，而且用戶可方便靈活選擇導(dǎo)聯(lián)/向量或電極數(shù)據(jù)輸出格式，同時數(shù)據(jù)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(tǒng)應(yīng)用，其高性能也使得此芯片適合高端診斷級的ECG設(shè)備使用。ADAS1000是集成度較高的ECG模擬前端，可將前端元件數(shù)從多達50個有源器件減少至僅一個（5導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)），簡化ECG系統(tǒng)設(shè)計，縮短上市時。相比交流耦合方式，直流耦合不需要模擬的濾波器，從這一點上來說是可以降低成本的。

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

答：專業(yè)醫(yī)生可以判斷，有些軟件也可以自動判斷。

問：請問如何解決工頻干擾問題？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(qū)動”反饋電路。另外可以使用軟件的方法設(shè)計50Hz/60Hz濾波器來解決。

問：采用哪些方法解決共模抑制問題？

答：主要是設(shè)計架構(gòu)，比如“右腿驅(qū)動”、屏蔽驅(qū)動、布線布局、電路設(shè)計等。

問：ADAS1000的滿功耗是多少?是否適合用在移動ECG上?

答：22mW，主要應(yīng)用之一就是移動ECG。

問：ECG的安全可靠問題該如何有效解決？

答：安全性需要通過系統(tǒng)設(shè)計來保證，主要是電氣隔離。可參考ADI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，甚至小到一個限流電阻的選擇都需要注意。

問：ADAS1000的RLD電極有些什么特性？

答：ADAS1000具有專門的“右腿驅(qū)動”電路，包括RLD放大器，專用的電極輸出管腳，反饋管腳。可以用參考電壓驅(qū)動，也可以用多通道平均驅(qū)動，詳細描述可以參見ADAS1000的手冊。

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

答：12電極在傳統(tǒng)心電圖上應(yīng)用廣泛，3/5電極在傳統(tǒng)監(jiān)護儀/心電Holder上使用比較廣泛，更適合便攜式應(yīng)用。相對來說，3/5電極市場更為廣泛。

問：ADAS1000用在手提心電圖儀時，對ECG的電源管理有什么好的建議?

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

問：請問在使用該芯片的過程中，如何進行ESD和除顫的保護？

答：可以在ADAS1000前面加上ESD和除顫的保護電路，如空氣放電管或者TVS。

問：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，使用電池供電等。

問：在解決共模抑制問題時提到“右腿驅(qū)動”，請問什么是“右腿驅(qū)動”？

答：“右腿驅(qū)動”用于穩(wěn)定人體信號的共模電壓在系統(tǒng)電平之內(nèi)，并有助于抑制共模噪聲。

問：ADAS1000在節(jié)能上，有什么新的亮點？

答：ADAS1000低功耗和小尺寸。1導(dǎo)聯(lián)通常為11 mW，3導(dǎo)聯(lián)通常為14 mW。使能所有導(dǎo)聯(lián)時通常為19 mW，適合便攜式、電池供電系統(tǒng)的應(yīng)用，可也可以采用禁用不同功能以節(jié)省電力，可降低ADC采集速率和數(shù)據(jù)速率以節(jié)省電力。

問：請問開發(fā)板是基于什么平臺？是否提供軟件代碼作為參考設(shè)計？ADAS1000的SPI最高速率是多少？

答：開發(fā)板是基于BF527的DSP平臺，提供驅(qū)動部分代碼設(shè)計，以及NI的軟件開發(fā)工具。ADAS1000 SPI接口最高提供128k-16bit的心電數(shù)據(jù)給用戶。

問：請問有ADAS1000應(yīng)用的監(jiān)護醫(yī)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： ADAS1000支持I2C通訊么？

答：ADAS1000提供2個SPI接口，一個是標(biāo)準(zhǔn)的SPI，另外一個是使用MASTER方式的高速SPI端口。