從米家心電衣看心率監(jiān)測設(shè)可穿戴心率測試挑戰(zhàn)與解決方案分析

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

近期小米商城新上架了一款運(yùn)動(dòng)心電衣，可在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下準(zhǔn)確測量心率，觀察心率的趨勢，也可在相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下測量心電圖，這一產(chǎn)品的推出引起了不少電子數(shù)碼愛好者的關(guān)注，經(jīng)過評(píng)測發(fā)現(xiàn)其測量核心的心電豆使用了來自ADI公司的單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)護(hù)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，不得不說是一個(gè)奇妙的組合~

米家心電衣

獲取心率數(shù)據(jù)，舒適和準(zhǔn)確一樣重要！

心血管疾病是危及人類生命健康的“頭號(hào)殺手”，有數(shù)據(jù)顯示，每年心血管疾病死亡人數(shù)占全球死亡總?cè)藬?shù)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(jiān)測的可穿戴設(shè)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(jiān)控在運(yùn)動(dòng)過程中心臟在承壓工作中的問題，早發(fā)現(xiàn)早治療。

我們都知道心率和心臟活動(dòng)監(jiān)護(hù)通常是使用ECG測量生理電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。ECG測量的是人體心臟由于每次心跳使心肌去極化和復(fù)極化而產(chǎn)生的電信號(hào)。信號(hào)幅度通常為0.5mV至4mV，測量頻率范圍在0.05Hz至40Hz之間。而這需要通過將電極與皮膚相連來監(jiān)測心臟活動(dòng)，為了在診斷應(yīng)用中確保與人體的良好接觸，業(yè)界的很多可穿戴設(shè)備采用了雙電極胸帶。雖然可檢測到各種ECG波形，但大多數(shù)系統(tǒng)只測量心率，并且這些胸帶穿戴起來并不舒服，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(yùn)動(dòng)衫上。

米家心電衣_心電豆

這款米家的運(yùn)動(dòng)心電衣就是典型的例子，將精心設(shè)計(jì)的導(dǎo)電織物電極植入到運(yùn)動(dòng)衣中實(shí)現(xiàn)無感檢測。貼身的設(shè)計(jì)不僅可以更準(zhǔn)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(xù)高血壓）的預(yù)警。其中測量的核心就是來自ADI的AD8232單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)護(hù)儀前端，其設(shè)計(jì)初衷也是專為此類低功耗可穿戴應(yīng)用而開發(fā)的。值得一提的是，ADI利用其在ECG應(yīng)用上積累的芯片諸多設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及系統(tǒng)工程經(jīng)驗(yàn)，后續(xù)在AD8232的基礎(chǔ)上推出了全新升級(jí)版AD8233。

AD8233 是一種適用于心電圖 (ECG) 和其他生物電勢測量應(yīng)用的集成信號(hào)調(diào)理模塊。根據(jù)設(shè)計(jì)，該器件用于在嘈雜條件下采集、放大和過濾微小的生物電勢信號(hào)，例如由于運(yùn)動(dòng)或遠(yuǎn)處放置電極而產(chǎn)生的信號(hào)。借助這種設(shè)計(jì)，超低功率模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 或嵌入式微控制器可輕松采集輸出信號(hào)。

完整ECG和低功耗信號(hào)調(diào)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(jí)別的，在測量過程中獲取的信號(hào)很弱且很噪雜，從而對(duì)運(yùn)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(yán)重干擾采集信號(hào)的質(zhì)量。由于這個(gè)原因，濾波對(duì)于獲取有用的信號(hào)很重要。AD8233提供高度靈活的濾波器配置：雙極點(diǎn)可調(diào)高通濾波器、帶可調(diào)增益的三極點(diǎn)可調(diào)低通濾波器以及一個(gè)RFI濾波器，這對(duì)于許多應(yīng)用在惡劣的電氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)一致且可信的操作非常重要。

其中二極高通濾波器來消除運(yùn)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(gòu)緊密耦合，從而在單級(jí)中實(shí)現(xiàn)大增益和高通濾波，進(jìn)而節(jié)省空間和成本。三極低通濾波器是AD8233借助一個(gè)通用運(yùn)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都可以自行選擇截止頻率，以便滿足不同應(yīng)用類型的需求。在易用性和靈活性方面，為了改善系統(tǒng)中線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(qū)動(dòng)(RLD)放大器和一個(gè)非專用運(yùn)算放大器。

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

集成參考結(jié)補(bǔ)償和斷線檢測特性的熱電偶電路

ADI低功耗AFE應(yīng)用不止于此

隨著技術(shù)的進(jìn)步，可穿戴設(shè)備不再局限于醫(yī)療保健和家庭護(hù)理上，并逐漸在運(yùn)動(dòng)市場開始發(fā)力。這對(duì)設(shè)備的功耗，尺寸和準(zhǔn)確度都提出了新的挑戰(zhàn)，而ADI 的技術(shù)可以將這些頗具挑戰(zhàn)性的難題轉(zhuǎn)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，但是在通過對(duì)芯片以及外圍電路的調(diào)整和優(yōu)化后應(yīng)用在最新款的心電衣上依舊是最合適的。其升級(jí)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(yī)療應(yīng)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(gòu)的巧妙結(jié)合，AD8233的應(yīng)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(shè)計(jì)領(lǐng)域也能夠完美勝任。