利用ECG AFE简化病人监护仪设计

ADI公司

在较高水平的系统以及病人监控设备的元件系统中不难发现，许多数据采集系统都存在典型的信号链，包括信号采集、信号调理与处理以及工作通信。如果再深入探究，就会发现有很多的设计问题需要理解，比如有关信号完整性和共模抑制对信号的影响等问题等等。保证使用电气连接设备的病人的安全同样至关重要，但这会增加设计的复杂度。病人有时可能需要进行除颤，在这时候，我们必须防止系统自身受到此类活动的影响。不仅如此，还有其他的许多行业规范以及实践中的实际问题也会影响系统的最终设计。

图1是12导联ECG（心电图）监控器件的典型信号链，架构非常复杂，存在各种细微差别和复杂性。

图1 12导联ECG监控器件的典型信号链

ECG监控

ECG的测量，即心脏的电活动。测量ECG信号的设备包括便携式动态心电监护仪、临床心电图仪以及高通道心脏标测系统，这些设备在不断开发中。这些测量系统使用的环境十分广泛，图2中所示的是其中的一些典型场合。例如医院的使用环境包括手术室、重症监护室、电生理实验室等，每种环境都有需要解决的设计难题。这些环境所面临的设计难题的复杂性和测量目标都十分广泛，而且范围仍在不断扩大。随着医疗保健行业朝着远程病人监控方向发展，开发人员面临着一系列新的挑战，需要随时提出新的应对措施。

ECG信号

ECG信号是心脏在一段时间内电性活动的经胸反映，通过皮肤电极采集并于外部进行记录。它是由心电图设备产生的无创记录。ECG信号的幅度通常为0.25mV~5mV，由各种波所组成，如正常窦性心律图。正常窦性心律的偏差说明可能存在异常，医生可以借此评估病人的健康状况并作出相应处理。

ECG信号的采样图由P波、QRS波群和T波组成，代表一个心动周期中的心脏电性活动。一个心跳周期 P波：心房收缩；QRS波群：心室兴奋；T波：心室激动后的复原活动。如今，通过研究心脏不同层面的电气特性，心脏病专家能够确定很多与心脏功能相关的异常现象。如图3所示。

ECG测量

在ECG测量中，电极即电势传感器，放置在胸部和/或四肢各个部位。导联来自ECG电极的各种数学组合。虽然出于历史的原因，有些人认为这已经过时，但在临床环境中，12导联ECG依然是最常见的设置。12导联ECG包括三个标准肢体导联，即右臂、左臂和左腿，称为Einthoven导联。还有三个加压肢体导联VR、VL与VF，也就是通常所说的Goldberg加压导联，以及6个心前区导联，即V1~V6。心前区导联也称V导联，大多数心脏病专家认为其属于独立矢量，这也是威尔逊中心电端和目标V电极的差异所在。威尔逊中心电端本身由右臂、左臂和左腿导联组成，可进行3分频。我们可以发现，要想形成12导联ECG，只需连接9个电极即可。通常还会采用第10个电极来提供“右腿驱动”，随着映射的心脏层面增加，测量心脏生物电信号也变得更加复杂。

如图4所示，Einthoven导联和V导联一样可视为独立矢量，信号来自导联1、2、3，从两臂间或一条手臂与左腿之间测量得出。加压导联aVL、aVR和aVF与导联1、2、3源自同样的三个电极。以aVL为例，正极为左臂，负极为右腿和右臂的组合。因此，上述导联不属于独立导联。在胸导联连接V1~V6，6个正电极放置于胸部，之前提到的作为测量参考的威尔逊中心电端则相当于负电极。

图2 医疗保健系统中需要ECG监控的环境

图3 ECG信号

图4 经过心脏的aVx导联测量

电极就位以后，就可以开始测量心脏的电性活动。图5显示的是典型的12导联ECG打印结果。横轴方向每个大正方形为200ms，每个小正方形为40ms。纵轴方向当增益为1时，每个小正方形相当于100μV，即0.1mV。增益为1时，最左侧的校准信号代表1mV CAL信号的10mm垂直偏转。1mV的CAL信号通常宽160ms。每个导联均体现在ECG带上，用以识别心脏特征的异常情况。


图5 ECG波形/心律

了解了ECG测量的端点、电极的连接和导联的形成，以及最终ECG打印结果后，两个端点之间存在一系列模拟和数字信号处理过程，由于可用于采集和处理生物电信号的方法众多，情况变得更加复杂。测量生物电信号的方法在某种程度上决定了信号链的架构。采用直流耦合还是交流耦合？两者都很常用，也各有利弊。例如，在交流耦合系统中，顾名思义，信号的直流分量在前端级之后即经高通分拣去除。信号随后遇到高增益，再由ADC进行处理，该系统中12 ADC很常见。在直流耦合系统中，目标信号会受到直流失调电压的影响，通常约为300mV。因此，在经高阶ADC数字化处理前，前端只能采用低增益。由于整体信号的动态范围较宽，分辨率必须很高。一般而言，直流耦合系统是未来的发展趋势，因为该系统的复杂性较低，而且可采用后端信号处理，整体系统的灵活性大大增强。

共模抑制

共模抑制在整体系统设计中同样举足轻重。ECG可以测量心脏电气系统产生的电压。电压值依不同病人而决定，变化范围十分广泛。例如，在母亲子宫内的胎儿产生的ECG约为10μV以下，而成人则可能为5mV。测量完成后，ECG子系统还会受到无用环境电信号的影响，例如交流主电源、安全系统噪声，以及射频干扰(RFI)。这些电气干扰出现在测量系统的输入端，属于共模噪声，当存在与系统共模抑制比相关的小差分信号时，能够抑制大共模信号。医用标准需要的共模抑制约为100db。而实际临床用途则要求达到120db。

ECG信号还会受到多种共模源的破坏，包括电源线干扰、电极与皮肤间的接触噪声、以及其他电气设备的电磁干扰。ECG设计必须能在暴露于此类瞬时输入时依然维持其共模及差分输入性能。大多数ECG系统如今都销往全球，设计人员必须考虑最坏情况下的交流主电源输入范围。例如，澳大利亚西部的交流主电源电压可高达264 VAC rms，而尖峰电压达6 kV。这种环境下的共模抑制大约是美国的两倍，美国的主电源电压为120 VAC rms。这一情况以及可能发生的电极失调和极化对差分和共模输入动态范围要求较高。ECG电压的峰峰值通常为500μV~3mV，因此目标信号数字化之前的模拟前端输入能力的动态范围至关重要。如今的ECG前端采用银或氯化银电极，动态输入范围约为±1V，除颤器电极板上的电压可达±1.5V以上。因此，为了降低共模噪声的影响，鉴于前端级已具备出色的固有共模抑制特性，通常推荐共模抑制在100 db以上。

如今的设计技术十分丰富。系统若能降低共模噪声，提高有效共模抑制比，例如优化昂贵的高品质ECG电极的使用，就能限制基线漂移之类无用噪声的进入。大多数ECG电缆都嵌有保护电阻以进行除颤器保护。这种影响以及电缆电容差异和前端EMI滤波会引起共模信号不平衡，从而导致相位从共模向差模偏移，甚至发生转换。因此，平衡的输入设计至关重要。“右腿驱动”技术可以减少多导联配置的共模抑制。即使是双导联系统，也可通过采用“右腿驱动”，将电流驱动至与输入共模信号存在180°相位差，从而降低放大器测得的对地共模电压。电流抑制必须考虑到电极阻抗不匹配，调整相对电流相位，从而将有效共模信号降至最低。输入射频干扰可通过多种方法消除，包括差分和共模滤波、环境遮蔽，以及后端算法。总之，共模抑制在差分放大器的输入端必须达到零失调，因为差分输入电压可达±1V。系统设计需要考虑的问题还有很多，病人安全、噪声消减、EMS和ESD等等。

病人监控系统

病人监控系统有两种重要测量方法。第一种方法是呼吸测量。在医院环境中，通过脉搏、血压、体温、呼吸和意识水平的生理观察，医生和护士可以及时获得与病人健康或其他状况相关的信息。在这些参数中，呼吸速率是一项重要的生命体征，体现了病人的不适或呼吸问题。正常呼吸速率由年龄、健康和压力水平决定。新生儿的呼吸速率每分钟约30次~60次，成人的正常呼吸速率约为每分钟12次~20次，可能因压力、疾病或活动增加而增多。病人监控仪采用共模阻抗充气造影术来确定病人的呼吸速率，使用的电极与ECG导联记录一样。测量呼吸速率的关键是测量胸腔的电阻抗，它会随着每次吸气和呼气而变化。该电路可向病人施加高频差分电流，通过一对电极和阻抗变化实现，阻抗变化由呼吸引起，从而产生相应的电压变化，可用同一对或另一对电极测得。

病人监控仪的第二种重要测量方法是起搏器脉冲检测。对安装起搏器的病人而言，相对ECG信号，了解并采集起搏器产生的脉冲及其形态更为重要。在许多临床应用环境中，了解起搏器的工作原理至关重要。比方说，如果你想同步反映心脏状态，就必须了解起搏器如何作用于心房和心室，以保证起搏器不会被检测成正常传导的QRS波群，具体而言，在没有起搏器脉冲产生心脏收缩的情况下，如果起搏器没有采集心脏组织信号，就必须在植入起搏器时设置合适的阈值电平。精确检测起搏器的脉冲也很重要，这样才能防止将其与随机噪声尖峰相混淆。

解决方案

ECG监控或测量适用的应用场合与环境十分广泛，ADI采用了新的模拟前端ECG子系统ADAS1000以应对各种环境的需求。首先，ADAS1000可满足诊断测量系统的需求，支持临床环境标准。有些诊断系统需要较高的电连接，ADAS-1K就能凭借其可扩展架构给予支持。其次，ADAS1000开发时还考虑到了便携性和低功耗的发展趋势。由于ADAS1000的元件数量减少，功耗降低，开发人员可同时采用各种优化设计，有助于重新定义便携式系统的工业设计。最后，ECG子系统的多种重要功能集成到一块芯片上，不仅降低了器件本身的成本，也降低了整体系统成本。ADAS1000还可大大减少高元件数量的系统固有的无形成本，例如库存控制和可靠性问题。

图6为ADAS1000功能框图，大致上标出了ADAS1000的重要元件。这是一个高度集成的模拟前端子系统，能够将ECG前端的元件数量从50个有源器件减少到只有1个。ADAS1000集成了重要元件，有助于简化设计，加速产品上市，这些元件如下：5个从输入到后端数字滤波器的独立ECG信号采集路径，1个“右腿驱动”电极，呼吸测量电路，1个片内脉搏检测算法、保护交流与直流的引脚，以及校准电路。


图6 ADAS1000功能框图

ADAS1000考虑到了ECG测量系统两方面的重要问题。一方面是主要生命体征的采集：ECG、可用于确定呼吸速率的胸阻抗以及脉搏检测。另一方面是保证测量精确可靠所需的其他功能。“右腿驱动”可用于改善共模抑制，从而获得更多的ECG信息。可选参考导联：共模可借此获得相关导联信息。快速过载恢复：心脏病专家希望除颤时能在一秒内完成快速过载恢复，ADAS1000即能满足这一要求。导联脱落检测：帮助临床医护人员了解电极何时从病人身上脱落。以及校准功能：正如之前提到的一样，医生可借此为主要信号的幅度提供参考。

ADAS1000是一种直流耦合系统，它采用了性能高达20位的ADC，以及后端片内数字过滤器，支持灵活滤波与吞吐量选项。ADAS1000固有共模抑制通常为110 dB，考虑到了我们之前所提到的问题。呼吸测量可在2个或4个导联上完成，从而提供不同层次的解决方案。除了片内起搏器脉冲检测算法之外，如果设计人员使用自己的算法，还可选用快速数据通道。

ADAS1000测量胸阻抗时采用的方法如图7所示，典型的呼吸测量电路由驱动电路和测量电路组成。ADAS1000的驱动部分基于DAC设计，在编程设置的频率下将两个错相交流耦合电流提供给一对电极。电流通过一系列电阻和电容传递至病人。交流耦合可将病人与直流电隔离开，并可通过向病人施加共模电压缓解焦虑。电流幅度由交流耦合电容值决定，用户可通过增大电容来增加病人的电流，同时增加信噪比。不过，同时也会产生更大的电压差分。载波电极间的阻抗等于电缆电阻之和，包括每个电极的除颤保护电阻，通常为1kΩ~10kΩ，电极与皮肤的接触阻抗，通常为50Ω~700Ω，以及身体的大块组织与电极间的阻抗，约为100Ω~500Ω。由于上述大阻抗的存在，目标是测量呼吸过程中出现的较小的身体阻抗变化。阻抗的峰峰值通常为0.2Ω~5Ω。


图7 典型的呼吸测量电路

片内脉搏与伪像检测是与ECG输入并行的功能，可在高频状态下分接ADC，检测采用数字状态机完成。数字脉搏算法存在三种情况，在三个矢量或导联上运行，或者四个矢量或导联上运行，以检测脉搏和伪像。采样速率与实际算法属ADi专利技术。不过，脉搏与伪像功能有明确规定，能够检测并测量宽度在100μs~2ms，幅度在400μV~250mV的脉搏伪像，脉搏与伪像过滤器可过滤每分钟的换气脉冲。用户若想采用自己的脉搏检测方案，可使用第二个串行接口。

ADAS1000十分灵活，适用于各种应用场合的便携式监控仪或高端诊断设备。通过可调功耗选项，开发人员可以调整设计以适应其终端系统的需求。对于那些需要5个以上患者电极（不包括“右腿驱动”）的应用而言，开发人员很容易将多个器件进行级联。我们可以将多个ADAS1000器件进行无缝组合，将电极数量调整到5个或更多，电极数量仅受后端处理器处理能力的限制。因此，对真正的12导联ECG系统而言，可以对两个ADAS1000芯片进行级联，以提供所需数量的患者电极。对心脏标测系统之类需要大量ECG采集路径的应用来说，可以级联多个ADAS1000以获得所需的电极数量。器件组合是ADAS1000的固有功能，因此当通道数量增加时，需要的外部元件很少。

问答选编

问：请问病人监护仪能监视哪些参数？

答：基本参数包括ECG(心电图、心率、ST段、心律失常分析)，SpO2(血氧饱和度、脉率)，Nibp(无创血压)，体温，呼吸；其他包括麻醉气体分析，呼吸二氧化碳等。

问：请问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吗？

答：ADAS1000集成了ECG信号、胸廓阻抗、起搏测量、导联连接/脱落状态检测等功能，而且用户可方便灵活选择导联/向量或电极数据输出格式，同时数据速率可软件控制。低功耗和小尺寸特性使得此芯片非常适合便携式和电池供电系统应用，其高性能也使得此芯片适合高端诊断级的ECG设备使用。ADAS1000是集成度较高的ECG模拟前端，可将前端元件数从多达50个有源器件减少至仅一个（5导联系统），简化ECG系统设计，缩短上市时。相比交流耦合方式，直流耦合不需要模拟的滤波器，从这一点上来说是可以降低成本的。

问：请问如何将检测到的信号与身体状态关联起来？

答：专业医生可以判断，有些软件也可以自动判断。

问：请问如何解决工频干扰问题？有哪些方法？

答：解决工频干扰较为有效的办法是使用高CMRR的仪表放大器，提供“右腿驱动”反馈电路。另外可以使用软件的方法设计50Hz/60Hz滤波器来解决。

问：采用哪些方法解决共模抑制问题？

答：主要是设计架构，比如“右腿驱动”、屏蔽驱动、布线布局、电路设计等。

问：ADAS1000的满功耗是多少?是否适合用在移动ECG上?

答：22mW，主要应用之一就是移动ECG。

问：ECG的安全可靠问题该如何有效解决？

答：安全性需要通过系统设计来保证，主要是电气隔离。可参考ADI的ADuM2xxx、ADuM6xxx系列产品。可靠性主要反映在产品一致性和耐压上，前者可选择高品质高集成器件解决，后者在ESD方面需要仔细考虑，甚至小到一个限流电阻的选择都需要注意。

问：ADAS1000的RLD电极有些什么特性？

答：ADAS1000具有专门的“右腿驱动”电路，包括RLD放大器，专用的电极输出管脚，反馈管脚。可以用参考电压驱动，也可以用多通道平均驱动，详细描述可以参见ADAS1000的手册。

问：12电极和5电极ECG测量，各有什么优缺点？哪个应用更为广泛些？

答：12电极在传统心电图上应用广泛，3/5电极在传统监护仪/心电Holder上使用比较广泛，更适合便携式应用。相对来说，3/5电极市场更为广泛。

问：ADAS1000用在手提心电图仪时，对ECG的电源管理有什么好的建议?

答：选用板级电源的话，可以采用多路现行稳压器。另外，ADI的ADP2114是一颗纹波和噪声性能极佳的开关电源芯片，也可以考虑。

问：请问在使用该芯片的过程中，如何进行ESD和除颤的保护？

答：可以在ADAS1000前面加上ESD和除颤的保护电路，如空气放电管或者TVS。

问：为了降低电源对ECG的干扰，需要采取那些措施?

答：需要采取的措施有：使用线性电源、增加去耦电容，增加LC滤波、磁珠；合理PCB布局；采用差分走线，使用电池供电等。

问：在解决共模抑制问题时提到“右腿驱动”，请问什么是“右腿驱动”？

答：“右腿驱动”用于稳定人体信号的共模电压在系统电平之内，并有助于抑制共模噪声。

问：ADAS1000在节能上，有什么新的亮点？

答：ADAS1000低功耗和小尺寸。1导联通常为11 mW，3导联通常为14 mW。使能所有导联时通常为19 mW，适合便携式、电池供电系统的应用，可也可以采用禁用不同功能以节省电力，可降低ADC采集速率和数据速率以节省电力。

问：请问开发板是基于什么平台？是否提供软件代码作为参考设计？ADAS1000的SPI最高速率是多少？

答：开发板是基于BF527的DSP平台，提供驱动部分代码设计，以及NI的软件开发工具。ADAS1000 SPI接口最高提供128k-16bit的心电数据给用户。

问：请问有ADAS1000应用的监护医疗方案提供吗？

答：ADI提供NIBP和SpO2的参考板，另外ADI还有Blackfin的主板可以提供。

问： ADAS1000支持I2C通讯么？

答：ADAS1000提供2个SPI接口，一个是标准的SPI，另外一个是使用MASTER方式的高速SPI端口。