可穿戴设备的ECG系统克服心电图噪声和功率挑战

用于个人和远程医疗监测的可穿戴心电图（ECG）设备的需求正在增加，并且随之而来的是对精度，可靠性和更长电池寿命的要求。这对设计人员提出了挑战，因为ECG读数对运动和其他干扰源非常敏感，并且ECG信号的处理消耗了大部分可用的电池电量。

为了提高可靠性和用户体验，可穿戴设备的设计者需要一种可以提取，放大和过滤小生物电位信号，同时消耗最少功率的解决方案。为此，新的ECG心率监测IC可以在创建下一代心脏监测中发挥核心作用。

了解可穿戴设备中心电图需求的脉搏

心电图测量心律并帮助诊断患者的心脏问题，包括心脏病发作，心脏血流不畅和其他异常情况心脏病。

心电图记录心肌组织产生的电活动。该活动产生电压或“生物电位”，其扩散到皮肤。虽然生物电位在微伏范围内，但可以使用连接到皮肤的ECG电极以无创方式可靠地测量。

专业ECG系统可以使用多达10个电极连接到胸部和四肢。可穿戴ECG系统，例如胸带和智能衬衫，使用较少的电极并且通常使用两个或三个电极配置。这种方法减少了ECG系统的占地面积，提高了患者的舒适度，但舒适度必须与准确性和可靠性相平衡。

这种平衡行为对于可穿戴ECG很难，因为应用呈现出各种各样的嘈杂环境导致信号波动的因素。即使是轻微的身体动作，如口香糖或制作面部表情，也会在ECG测量中引入噪音。由于用户在佩戴配备ECG的可穿戴设备时可能参与身体活动，因此运动是噪音的重要来源。其他因素也可能导致噪声，包括来自电力线或其他电气设备的干扰。

可穿戴ECG系统的另一个现实是电池电量有限。一款良好的高端智能手表，运行速度为246毫安小时的3.78伏锂离子电池可以运行18小时的混合使用。考虑到所需的通信和处理量，这是非常了不起的。

为了解决这些噪声和功率问题，半导体供应商现在提供专为可穿戴设备中的心率监测而设计的集成电路（IC）。

用于可穿戴ECG的IC

这些IC中的一个是ADI公司的AD8233ACBZ-R7，这是一个完全集成的单引线ECG前端。 AD8233内置一个专用仪表放大器，一个运算放大器，一个右腿驱动（RLD）放大器和一个中间电源参考缓冲器。如果在移动或活动用户应用程序中意外断开连接，它还具有“开/关”导联和自动快速恢复电路，可在重新连接ECG导联后快速恢复信号（图1）。

图1：AD8233 AFE集成了实现适用于可穿戴设备的心率监测器前端所需的电路，包括ECG导联断开检测和重新连接后快速恢复。 （来源：ADI公司）

噪声关闭

AD8233设计用于在嘈杂条件下处理小的生物电势信号，并为低功耗模数转换器（ADC）产生输出。

为了消除运动伪影，例如由物理活动产生的运动伪像，AD8233实现了一个双极点高通滤波器。该滤波器还消除了电极半电池电位。这种半电池电位可能对ECG信号采集提出了相当大的挑战，因为它具有比生物电势高得多的电压。

AD8233还集成了一个非专用运算放大器，可用于实现三极低电平 - 通过滤波器，可以进一步降低噪音。 RLD放大器还通过改善共模抑制比（CMRR）来帮助管理噪声。它通过检测信号输入端存在的共模电压，然后将相反的信号驱动到患者体内来实现。这种驱动电极功能可在患者和AD8233之间保持恒定电压，从而提供高CMRR。

导线开/关检测

检测电极的连接状态并提醒系统和用户如果发生故障，AD8233包括引线开/关检测电路。如前所述，这在用户可能处于运动状态的可穿戴设备中特别有用。

开/关检测可以在两个或三个电极配置中工作。在关断模式下，电路也可继续工作。因此，开/关检测的输出可以作为ECG设计中微控制器的唤醒信号，从而使整个系统节省功耗。

AD8233包括快速恢复与开/关检测电路协同工作的功能。在导线关闭状态引起突然的信号变化后，快速恢复功能允许AD8233在电极重新连接到用户后迅速恢复。

带有AD8233的ECG电路板

为了让设计人员快速启动，AD8233CB-EBZ评估板将AD8233呈现在适用于健身应用的可穿戴ECG前端设计中。电路板的标准配置是一个三电极心率监测系统，连接到用户手中（图2）。

图2：标准配置AD8233CB-EBZ评估板支持三电极心率监测系统。 （来源：ADI公司）

电路板可以直接连接到输入端的电极和输出端的模数转换器（ADC）。虽然电极端子具有限流电阻，但最好首先使用ECG信号发生器测试电路板而不是使用实时主体。电阻器本身并不是一个全面的患者保护系统。它们可能无法防止电源和采集系统中的电源线瞬态或漏电流。有关医疗系统设计，最佳实践和标准的更多指导，请从IEC 60601开始。

在构建ECG系统时，可能需要根据包含精确度的考虑因素更改增益和过滤。应用和电极的放置。为此，设计人员需要调整AD8233的双极高通滤波器以及集成运算放大器的频率截止频率。在AD8233CB-EBZ上，通过更改元件值进行调整。

通过操作AD8233CB-EBZ上的开关位置，输入偏压选择和电极，可以将引线开/关检测系统配置为交流和直流两种和三种电极配置。快速恢复功能也可以通过电路板上的开关激活。

为了节省电池电量，AD8233包括一个关断引脚。 AD8233CB-EBZ板还提供了一个进入待机模式的开关，使AD8233的电流消耗从典型的50μA降至1μA以下。

构建可穿戴式ECG设备

智能可穿戴医疗设备可以结合两种或更多功能，包括心率监测，计步器，活动跟踪，生物电位测量，生物阻抗测量和血氧测量。

在典型设计中，AD8233执行ECG模拟前端（AFE）的作用。 AFE链接到模拟 - 数字转换器（ADC），例如ADI公司的AD7915（图3）。

图3：In AD8233是典型的智能可穿戴设计，可用作ECG AFE，为低功耗ADC（如AD7915 ADC）提供输入。 （来源：ADI公司）

AD7915是一款16位ADC，专为电池供电的医疗应用而设计。与AD3233一样，AD7915采用单电源供电，简化了设计。 ADC通过SPI端口连接到系统的MCU。

在为主要处理和控制功能选择MCU时，请寻找专为低功耗可穿戴设备设计的MCU，因为它们已经满足了一些核心要求。这些要求包括精度（测量生命体征时很重要），低功耗和相对全面的I/O，如NFC，USB，显示器和音频。

一个很好的定制示例MCU是ADI公司的ADuCM350，它基于ARM 32位Cortex-M3处理器。 IC是一种“芯片上的高精度仪表”，用于监测生命体征，进行电流，伏安和阻抗测量。

ADuCM350还可以通过纽扣电池供电，这是另一个节省空间的因素。

组合AD8233 AFE和ADuCM350 MCU

要将AD8233和ADuCM350组合在一起并获得ECG信号，请使用AD8233的评估板，并使用相同的3.3 V电源运行两个IC（图4）。

图4：将AD8233与ADuCM350相结合，进行生物阻抗和ECG测量。 （来源：ADI公司）

第一步是在系统内校准AD8233 AFE，以确保两个IC的组合不会降低其规定的9.8μVp-p的噪声性能。通过短接+ IN和-IN引脚并将它们连接到VBIAS来完成此操作。确定最大峰峰值噪声变化，并将其除以AD8233的增益（1100）。它最终应该在5.8μVp-p附近。

接下来，将AD8233_REFIN连接到ADuCM350上的VBIAS，并将ECG发生器应用于AD8233上的+ IN，-IN和RLD。将ECG发生器设置为60 BPM时，输出信号应如图所示（图5）。

图5：将ECG发生器设置为60 BPM，心率监测器设计的输出应如图所示，表明组件和系统的兼容性。 （来源：ADI公司）

结论

可穿戴设备为实施ECG系统带来了挑战，包括噪声和功耗问题。然而，专为此应用而设计的ECG心率监测器IC和评估板正变得越来越容易获得并得到很好的支持。这使工程师能够快速开发解决这些问题的系统，并在可穿戴电子设备中提供准确，低功耗，可靠的心率监测。