高可靠性心脏监护仪设计详解

　　作者：意法半导体公司 Adriano Basile， Fabrizio Librizzi

　　前言

　　提升生活品质当然是改变日常生活方式开始，但是，监视健康参数和具体的营养方案有助于降低高血压、血脂异常和肥胖症的发病率。改变生活方式对年轻人同样有益。美国运动医学会 （ACSM）发布一些国际健康生活方式指引并在美国高中执行。如果不改变日常生活方式，当步入中年时，周运动量将会少得可怜。事实上，周运动量少于1小时的中年女士死于心血管疾病的概率是运动量较多的同龄女士的两倍 （见图 1）。

　　既然监视生活方式和健康参数已成为正确诊断病症的重要因素，本文将介绍一个新的能够监视心脏及其间接参数的仪器。

图 1： ACSM推荐高品质的生活

　　全世界各国的医疗保健支出都在增长，呼声越来越高的慢性病和传染病预防治疗方案是各国政府需要解决的问题，这使科医疗健康向所谓的"病患保健与自理"方向发展。病患几乎不再被动接受医生的护理建议，而是在医生的指导下，能够更好地自理。这就产生一种有健康意识的很多政府机关和独立组织也提倡的生活方式。

　　图 2： 床式心电监护系统

　　这一新的设想适用于越来越多的保健站（PoC）。保健站分布在城市的乡镇和村庄中，被视为进入公共医疗健康组织的第一个入口，人们想要在保健站咨询配备快速诊断工具的医疗人员。其中，心电监护仪（ECG）是最基本的诊断仪器。保健站的心电监护仪通常是电脑辅助型心电监测机，这种机型沿用传统床式心电监护系统（图2）的模拟子系统，使用PC机处理并显示数据。在这种硬件配置中，PC机扮演两个重要角色：保存和检索心电数据；管理系统采集的数据。

　　最近的研究证明，连续诊断反馈数据可增强人们持续改进生活方式的意志。健康远程监护显然是个人医生与病患保持直接联系的解决方案。

　　意法半导体的 D-ECG心电监护仪方案

　　电极是采集心电数据的传感器（图3），将活的生物组织内的离子电流转换成电子医疗仪器的模拟前端能够检测的电子电流。为理解心电图等生物电信号产生的原因，我们应该考虑下面几个要素：

　　1. 心肌细胞的电活动；被置于与体液成份相同的同质水浴培养基中的单个心肌细胞的电活动导致的细胞外电势；

　　2. 置于一个大型含体液离子成份的导电介质中的大量心肌组织的电活动导致的细胞外电势；

　　3. 这些细胞外电势与身体表面记录的总电活动即心电图信号之间的关系

图3： 心电信号波形

　　对诊断有重要意义的心电信号频率范围在0.05－250 Hz之间，为确保完美捕获信号，模拟前端必须能够放大心电图信号，滤除非生物信号（例如，电源线噪声）以及无关的生物干扰（例如EMG），并集成一个在 80 – 120 dB范围内共模抑制比（CMMR）优异的高增益差分放大器。

　　在心电监护系统内，计算机存储器、显示器和打印机都是用于保存和显示心电数据。心电监护仪的电极通常情况下被固定在患者身体上（见图2） ，这些电极连线被称之为导联线（I， II， III， aVR， aVL， aVF， V1， V2，V3， V4， V5， V6）。

　　例如：

　　· 导联 I = RA – LA （右臂 – 左臂）

　　· 导联 II = RA – LF （右臂 – 左脚）

　　· 导联 III = LA – LF （左臂 – 左脚）

　　· aVR 是在右臂取得：

　　· aVL 是在左臂取得：

　　· aVF是在左腿取得：

　　· V1 是置于胸骨右缘第四肋间的电极与VWCT的差值
　　本文选自电子发烧友网9月《智能医疗特刊》Change The World栏目，转载请注明出处！
　　

　　· V2是置于胸骨左缘第四肋间的电极与VWCT的差值

　　· V3是置于V2和V4间隔处的电极与VWCT的差值

　　· V4 是置于锁骨中线与第五肋间相交处的电极与VWCT的差值。

　　· V5是置于左腋中线水与第五肋间相交处的电极与VWCT的差值。

　　· V6是置于腋中线水与第五肋间相交处的电极与VWCT的差值

　　其中 VWCT是虚拟参考点，又称威尔逊导联中心点（WCT）：

图 4： HM301D框图

　　意法半导体HM301D （见图 4）是一个适合的心电信号采集方案，除前文提及的必备功能外，还具有一系列全集成可配置的数字带通滤波器，让医疗人员能够选择性分析心电波形。

　图 5： 多片结构

　　经过滤波和处理后，心电数据通过SPI端口传至外部微控制器。每个HM301D芯片都包含三个完整的心电差分通道，最多可将4个HM301D芯片连接在一起，构成一个多导联心电监护仪（见图5）。

全球有大约300万人使用起搏器，像心电监护仪这样