满足ECG系统要求的低功耗、低压IC选择

作者：Jon Firth and Paul Errico

从历史角度看心电图测量：

自路易吉·伽伐尼（Luigi Galvani）于1786年首次报道他的青蛙实验以来，已经对人类和动物进行了电物理测量。心电图（ECG）测量最早由荷兰医生William Einthoven在20世纪初进行。心电图是一种常用的无创电物理测量程序，用于测量、记录和随后解释穿过心脏的电位。

将电极放置在皮肤上以获得感兴趣的信号。早期的研究人员选择手和脚作为电极的部位，简单地将这些肢体浸入盐水中，电线从桶连接到电流计。随后的研究表明，使用导电浆料连接到手腕和脚踝的金属电极更容易获得类似的信号。

但最初使用的设备非常粗糙，仅提供基本信息，几乎没有存储能力，也没有内部诊断能力。尚未投入使用的是示波器、真空管（以及随后的晶体管和集成电路）放大器和微处理器。

心电图市场：如今，心电图测量只是整个患者监护系统的一部分。其他体内生物电测量包括体温、血压、血糖和血氧水平等，以及对实验室样品的大量离线测量。

今天的设备更安全、更准确，具有更多的内部诊断功能，并且能够在低电压下使用电池运行。电源 - 因此安全便携。

ECG系统中的低功耗/低压信号处理IC：50多年前在美国引入的第一个动态监测系统重约50磅。今天的ECG系统只占该重量的一小部分，在较低的电压下工作，消耗的功率要少得多。

许多因素促使患者监护设备使用低电压和低功耗，从而推动低功耗高精度IC元件的使用。其中一个因素是电池的持续使用，电池已经在动态心电图、便携式或动态心电图系统中使用了几十年。使用低压电池作为唯一的电源可确保患者（以及设备）在故障条件下不会暴露在“热”线路电压下。此外，动态心电图监测规范要求24小时连续记录功能;因此，低功耗IC对于延长电池寿命至关重要。

影响医疗保健IC的另一个日益重要的驱动力是市场在不增加空间、功耗或成本的情况下对附加功能的需求。

便携式计算机和通信市场：其他市场的重大发展有助于提供医疗市场需要但无法自行支持的IC类型。首先，计算机和通信市场的爆炸性增长导致用于信号处理（模拟、数字和混合信号）的半导体的集成度提高和功耗降低。其次，便携式消费类设备市场的类似增长激发了对低至3.0 V单电源电压的IC和电源管理IC（即用于微处理器的高效DC-DC转换器和监控产品）的巨大需求。第三，长寿命可充电电池现在很容易获得。这些变化推动了IC的制造量增加，成本和功率要求下降，设计人员现在在所有低功耗、低压市场（包括患者监护/ECG）都享有优势。

图1.典型的ECG信号链多路复用单转换器架构。

心电图设备架构：在多通道测量应用中，如动态、动态心电图或ECG，使用两种基本的前端架构：将模拟信号多路复用到单个转换器（图1）和每通道转换器（图2）。多路复用架构基于转换器是迄今为止最昂贵的前端组件这一旧假设，在当今的电生理测量系统中很普遍。然而，随着Σ-Δ转换器架构的普及，每通道转换器现在是一种具有功耗和成本竞争力的替代方案，用于快速采集大量或智能选择的数据量。设计人员现在必须考虑影响整个系统的所有因素，包括功耗/成本权衡。

我们 来 回顾 一些 重要 的 系统 性能 要求 及其 对 测量 电子 设备 的 影响。图示显示了典型的信号链和可用的ADI公司IC，它们可能适合各种架构的要求。请注意，图1中的前端放大器和滤波器对每个通道重复。

宽动态范围

传感器在电极上检测到的小交流信号电压（5至10 mV）将伴随着一个大的交流共模分量（高达1.5 V）和一个大的可变直流分量（300 mV）。AAMI（医疗仪器促进协会）规定的共模抑制标准ECG最小为89 dB，安布记录仪最小为60 dB。在具有宽动态范围要求的低电源电压系统中，选择输出电压范围接近轨到轨的低裕量放大器非常重要。低功耗、双/单电源运算放大器和仪表放大器非常适合与电极接口的示例包括：

产品	最小静态 电压范围	工作电源 电流（最大值）	片 上放大器
运算放大器
AD820/822/824*	±1.5 V， +3 V	800/800/600 mA/放大器	1/2/4
OP295/495*	+3 V	150 μA/放大器	2/4
OP291/491†	+2.7 V	350 μA/放大器	2/4
OP193/293/493	+1.7 V	22 μA/放大器	1/2/4
OP196/296/496	+3 V	60 μA/放大器	1/2/4
AD549静电计	±5 V	700 μA	1
AD648	±4.5 V	400 μA	2
仪表放大器
AD620/AD621	±2/±2.3 V	1.6 微安	1/1
*轨到轨输出†轨到轨输出和输入

除了单电源和低功耗操作外，用于电生理系统的A/D转换器的主要特性还包括串行接口（理想地与标准微处理器和微型计算机兼容）、片上基准电压源、睡眠（省电）模式和片上多路复用器。可用类型包括：

产品	最小工作 电压范围	功率要求
AD7853/53L	+3 V	20/6.9 mW，睡眠：<60 μW
AD7858/58L （8通道多路复用）	+3 V	20/6.9 mW，睡眠：<60 μW
AD7896	+3 V	10毫瓦
AD7892	+5 V	60毫瓦
AD7893	+5 V	25毫瓦
AD7716 （4A/D通道）	±5 V	最大 50 mW
AD7714/AD7715	+3 V	最大 105 mW

图2显示了使用AD7716（四通道、22位、Σ-Δ型ADC）的每通道转换器架构。AD7716无需IA和低通有效滤波。它还消除了多路复用系统所需的额外外部数字控制电路。前景是其他具有更宽动态范围的Σ-Δ器件，例如AD1550/51，以支持每通道转换器ECG。

图2.每通道的典型ECG转换器。

信号带宽

信号带宽将取决于是否检测到起搏器脉冲，以及系统是否用于诊断（波形细节很重要）与监测。通常，对于标准ECG，目标信号的分量将驻留在0.67至40 Hz带宽中，对于起搏器检测，最高可达300 Hz至1 kHz带宽。

右腿驱动

根据系统架构，位于右腿上的电极要么反向驱动，以最小化交流共模电压摆幅（上图），要么用作参考节点来测量共模电压，以便在转换后以数字方式去除。合适的放大器是OP97，工作电压>=2.5 V，静态功耗<=600 μA。

低功耗数字信号处理器：当今的DSP现在可以为基于微控制器/mP的嵌入式系统提供极具吸引力的性价比替代方案。ADSP-2173是一款+3.3 V定点器件，内置片内存储器（8 K24位程序ROM、2 K24位程序RAM和2 K16位数据RAM），适用于低功耗ECG系统。

我们在上面描述了大量的低功耗、低压IC，以满足设计人员对大多数ECG应用的需求，包括患者和生命体征监护仪、诊断ECG、Holter（动态ECG）、除颤器和压力测试仪。随着未来系统继续要求更高的功能和更低的功耗，新的ADI IC将面世，以满足不断发展的需求。

审核编辑：郭婷