ADI模拟前端ADAS1000低功耗五电极心电图(ECG)系统解决方案 - 全文

　　ADI公司的低功耗五电极心电图（ECG）系统采用ADAS1000模拟前端（AFE）。 ADAS1000能够测量心电图（ECG）信号、胸阻抗、人工起搏信号、导联连接/脱落状态，并将此信息以数据帧的形式输出，以可编程数据速率提供导联/矢量或电极数据。它具有低功耗和小尺寸特性，适合电池供电的便携式应用。本文介绍了ADAS1000主要特性， 功能方框图，以及心电图（ECG）系统解决方案框图，所用主要元件以及ECG系统所使用的主要产品。

　　ADAS1000能够测量心电图（ECG）信号、胸阻抗、人工起搏信号、导联连接/脱落状态，并将此信息以数据帧的形式输出，以可编程数据速率提供导联/矢量或电极数据。它具有低功耗和小尺寸特性，适合电池供电的便携式应用。它还是一款高性能器件，因此适用于高端诊断设备。

　　ADAS1000旨在简化采集和确保高质量ECG信号的任务。心脏后处理是一种增值功能，可在外部DSP、微处理器或FPGA上执行。多个数字输出选项则确保监控和分析信号的灵活性。ADAS1000针对生物电信号应用提供了一种低功耗、小型数据采集系统。

　　它还具有一些有助于提高ECG信号的采集质量辅助特性，包括：多通道均值受驱导联;可选的参考驱动;快速过载恢复;返回幅度和相位信息的灵活呼吸电路;在3个导联上运行内置起搏信号检测算法;以及交流或直流导联脱落检测选项。

　　由于ECG系统应用广泛，因此ADAS1000采用一种灵活的功耗/噪声调整选择，以提高功耗为代价降低噪声。为了省电，可以关闭信号采集通道，也可以降低数据速率。

　　为了简化制造测试、开发以及提供整体上电测试，ADAS1000通过CAL DAC提供一套直流和交流测试激励、CRC冗余测试，以及对所有相关寄存器地址空间的回读功能。

　　ADAS1000提供56引脚LFCSP和64引脚LQFP两种封装选项，额定温度范围为-40°C至+85°C。

　　ADAS1000主要特性

　　（1）生物电信号输入，数字信号输出

　　（2）5 个采集（ECG）通道 + 1个受驱导联

　　（3）IC并行可用于10多个电极的测量

　　（4）交流和直流导联脱落检测

　　（5）3个导联内置起搏信号检测算法

　　（6）-- 支持使用者数字起搏信号

　　（7）胸阻抗测量（内部/外部路径）

　　（8）可选参考导联

　　ADAS1000应用

　　（1）ECG：监控与诊断

　　（2）床边病人监护

　　（3）便携式遥测

　　（4）动态心电监护仪

　　（5）自动体外除颤器（AED）

　　（6）心脏除颤器

　　（7）便携式监护仪

　　（8）心脏起搏器编程器

　　（9）病人运送

　　（10）压力测试

　　

　　图1.ADAS1000功能方框图

　　心电图（ECG）系统解决方案

　　心电图（ECG）系统通过测量活组织表面电位来记录心脏在一段时间内的电性活动。它使用生物电位电极来拾取身体特定部位的心脏信号，两个电极间的差分电压或某一电极与多电极平均电压之间的差分电压可在测量后显示为ECG输出上的一个通道。

　　模拟前端（AFE）的主要功能是将心脏信号数字化。由于需要抑制来自强射频源、起搏信号、导联脱落信号、共模频率、其他肌肉信号及电噪声的干扰，该过程十分复杂。通常，AFE包括仪表放大器（INA）、滤波器和模数转换器（ADC）。

　　ECG系统设计考虑和主要挑战

　　设计ECG系统时，需要克服各种挑战，例如安全、共模抑制、直流偏置、RFI（射频干扰）/EMC（电磁兼容性）、输入保护和等效输入噪底。

　　优先考虑与患者和操作员安全相关的交流主电源隔离，以及与患者电极粘附相关的源电流或吸电流。确保不存在能产生流经患者的电流超过10 _A rms的常态或单一故障条件路径。确保患者电路的直流及低频隔离达到交流主电源的10次谐波及以上。确保患者与接地之间至少5000 V的隔离。

　　标准要求指定测试的共模抑制比（CMRR）稍低于100 dB，某些临床用途要求120 dB。“右腿驱动”等技术有助于降低INA的CMRR要求，但仍需要仔细整体考虑元件和系统设计。

　　粘附于皮肤的电极产生的直流偏置电压可高达_300 mV。测量幅度仅有几mV的目标信号时，该直流偏置电压会有很大影响。

　　系统不能受到附近其他符合AAMI、ISO和IEC标准的医疗设备的影响。系统也不能经交流主电源或其他“外部电缆”发出或“传导”超过IEC60601-1-2标准的辐射。

　　有必要保护ECG前端系统受到因环境和人为瞬变造成的损害，例如除颤器保护和静电放电（ESD）。

　　在20秒或更长周期内，于0.05 Hz至150 Hz带宽上测量的_V（峰峰值）输入噪底限制常常是一大挑战。需要采用各种硬件和软件技术实现所需噪底。

　　

　　图2. 心电图（ECG）系统解决方案框图

　　心电图（ECG）系统解决方案框图中主要元件

　　

　　

　　图3.心电图（ECG）系统外形图

　　ECG系统所使用的主要产品