如何在不提高心率的情況下將心電圖添加到您的可穿戴設(shè)備中

在這個(gè)設(shè)計(jì)解決方案中，我們回顧了生物電勢(shì)理論，以及如何使用連接到胸戴式設(shè)備的濕電極或干電極來測(cè)量ECG。然后，我們考慮調(diào)理ECG信號(hào)的挑戰(zhàn)，以便以最小的功耗進(jìn)行精確測(cè)量。最后，我們提出了一種由生物電位AFE IC、分立模擬濾波器和PMIC組成的復(fù)合解決方案。

介紹

看起來健康和健身監(jiān)測(cè)器的下一件大事將是心電圖（ECG）功能，但是如果您的可穿戴設(shè)備沒有它怎么辦？當(dāng)您的潛在客戶群跳上離開的心電圖列車時(shí)，您會(huì)感覺到您的壓力水平上升，而您對(duì)此無能為力。當(dāng)然，您無法足夠快地將此功能添加到您的可穿戴設(shè)備中以趕上？如果只是在可穿戴設(shè)備中添加ECG不是那么昂貴和耗時(shí)的工作。

也許你終究可以放松一下。在本設(shè)計(jì)解決方案中，我們回顧了在胸戴式可穿戴設(shè)備中測(cè)量ECG信號(hào)的理論和實(shí)踐，然后提出了一種復(fù)合解決方案，以加快設(shè)計(jì)工作并顯著減少利用這一新興技術(shù)所需的時(shí)間。

什么是生物電勢(shì)？

生物電位測(cè)量需要放置兩個(gè)或多個(gè)電極與患者身體的皮膚接觸，以檢測(cè)心臟產(chǎn)生的小電信號(hào)。然后將信號(hào)調(diào)理并發(fā)送到微處理器進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算和/或顯示。心電圖（ECG或EKG）是與心肌相關(guān)的電信號(hào)相對(duì)于時(shí)間的測(cè)量和圖形表示。R-R間期是心臟周期性電信號(hào)的峰值幅度之間的時(shí)間，也稱為R峰值（圖2）。

圖2.典型心電圖波形中的 R-R 間期。

ECG和R-R測(cè)量可用于心率監(jiān)測(cè)，以幫助診斷特定的心臟病，例如心律失常。然而，這些疾病可能難以診斷，因?yàn)樗鼈儾⒉豢偸浅霈F(xiàn)在臨床環(huán)境中?？纱┐髟O(shè)備使醫(yī)療專業(yè)人員能夠在醫(yī)院環(huán)境之外長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)患者。這為他們提供了更多信息，以協(xié)助檢測(cè)和診斷。對(duì)于認(rèn)真的健身愛好者，ECG可以在訓(xùn)練時(shí)深入了解峰值運(yùn)動(dòng)間隔。

使用胸帶進(jìn)行測(cè)量

與皮膚接觸的電極（濕式或干式）用于接收ECG信號(hào)。通常用于臨床用途，它們是濕電極，使用粘性凝膠粘附在身體上。對(duì)于胸帶或胸帶應(yīng)用，電極是干燥的。電極通常是兩個(gè)焊盤，制成彈性和導(dǎo)電材料，連接到小型、密封和電池供電的電子電路。電子設(shè)備在與主機(jī)設(shè)備進(jìn)行無線通信之前提供ECG信號(hào)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通常使用藍(lán)牙。為了保持佩戴舒適的輕質(zhì)、低調(diào)設(shè)備，傳感器電子設(shè)備通常由單個(gè)紐扣電池供電。在開始基于胸帶的心電圖和心率傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，有幾個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和重要的考慮因素。?

電極和輸入電路

電極需要與主體的良好連接，以提供足夠振幅的可靠信號(hào)以進(jìn)行檢測(cè)。電極尺寸和材料特性也會(huì)影響檢測(cè)到的信號(hào)質(zhì)量和電平。雖然使用干電極比使用濕式電極方便得多（您可以穿上和取下它們），但干電極最初放置在身體上時(shí)具有非常高的阻抗。這意味著ECG信號(hào)可能會(huì)衰減，從而產(chǎn)生小信號(hào)。這種“干啟動(dòng)”情況通常持續(xù)很短的時(shí)間，直到佩戴者充分鍛煉開始出汗，然后降低阻抗并增加信號(hào)電平。為了適應(yīng)干啟動(dòng)，ECG通道模擬電路的輸入阻抗應(yīng)非常高，以便將衰減保持在最小水平。此外，雖然在醫(yī)院環(huán)境中測(cè)量ECG需要在靜止的病人上使用多個(gè)電極，但這對(duì)于便攜式設(shè)備的移動(dòng)佩戴者來說是不切實(shí)際的，因?yàn)楸銛y式設(shè)備的電極數(shù)量應(yīng)保持在最低限度（理想情況下不超過兩個(gè)，即單通道）。

模擬域中的運(yùn)動(dòng)偽像

當(dāng)身體在運(yùn)動(dòng)過程中移動(dòng)時(shí)，有幾個(gè)因素會(huì)干擾信號(hào)質(zhì)量。例如，在跑步或騎自行車時(shí)，衣服撞擊身體和/或胸帶的運(yùn)動(dòng)以及電極的運(yùn)動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致對(duì)ECG信號(hào)的干擾。如果要保持ECG信號(hào)質(zhì)量，就必須消除這些運(yùn)動(dòng)偽影的這種干擾。通常，來自兩個(gè)電極焊盤的信號(hào)上或共同會(huì)出現(xiàn)此類運(yùn)動(dòng)偽影，因此模擬前端的共模抑制比（CMRR）需要盡可能高。此外，應(yīng)該注意的是，傳感器電子設(shè)備越重，設(shè)備在使用時(shí)就越有可能反彈，從而產(chǎn)生額外的運(yùn)動(dòng)偽影。

功耗

為了保持胸帶的舒適性和實(shí)用性，外形尺寸必須盡可能保持非侵入式，從而將容納電子設(shè)備和電源的空間（理想情況下是單個(gè)紐扣電池）降至最低。反過來，這需要極低的功耗，因?yàn)楫a(chǎn)生的任何熱量都可能給佩戴者帶來不適，同時(shí)也會(huì)縮短電池壽命。

集成解決方案

平衡這些關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素具有挑戰(zhàn)性。實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確讀數(shù)所需的信號(hào)質(zhì)量水平，同時(shí)在小巧、耐用、輕便的外形中保持可靠、低功耗的運(yùn)行并非易事。在下一節(jié)中，我們提出了一種逐步的方法，將ECG測(cè)量功能添加到胸戴式可穿戴設(shè)備中。

第 1 步：模擬前端

檢測(cè)ECG信號(hào)所需的AFE需要幾種不同的構(gòu)建模塊。其中包括帶低通濾波器的輸入放大器、PGA和具有數(shù)字濾波選項(xiàng)的高精度ADC。顯然，在可穿戴設(shè)備的密閉空間中，AFE的離散實(shí)現(xiàn)是不可行的。因此，需要采取綜合辦法。在為胸戴式可穿戴設(shè)備選擇集成生物電位ECG AFE時(shí)，需要注意一些重要的規(guī)格和功能。理想情況下，由于前面討論的原因，它應(yīng)該使用具有非常高串聯(lián)電阻（> 500MΩ）和高CMRR（>100dB）的單個(gè)輸入通道。除了符合 ESD 標(biāo)準(zhǔn) （IEC61000-4-2） 和 EMI 濾波外，IC 還應(yīng)能夠檢測(cè)引線是否已連接（即使在睡眠模式下）或在正常工作中它們是否已與佩戴者脫落，同時(shí)還具有從過壓條件（例如除顫）中快速恢復(fù)的能力。此功能必須以盡可能低的功耗提供。

圖3顯示了滿足這些要求的可穿戴設(shè)計(jì)中使用的完全集成的生物電位ECG模擬前端的功能框圖。該設(shè)備的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它使用一對(duì)電極（單通道）提供ECG波形，并且還在同一封裝中執(zhí)行心率檢測(cè)。類似的ECG AFE IC不執(zhí)行心率檢測(cè)，而是依靠微控制器來執(zhí)行計(jì)算，這通常會(huì)消耗額外的40μW功率。該AFE的典型電流消耗僅為150μW（比同類器件低近70%），可使用單節(jié)紐扣電池供電。它符合IEC60601-2-47 ECG規(guī)范，適用于臨床和健身應(yīng)用。

圖3.生物電位AFE IC。

步驟 2：設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)偽影帶通濾波器

在將電極信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字域之前，最好在模擬域中消除或減少運(yùn)動(dòng)偽影。實(shí)現(xiàn)此目的的主要方法是使用高通和低通濾波器減少帶寬。對(duì)于示例IC，可以通過將外部電容CHPF連接到CAPP和CAPN引腳來設(shè)置單極點(diǎn)高通轉(zhuǎn)折頻率，如圖4所示。使用的值應(yīng)將高通轉(zhuǎn)折設(shè)置為 5Hz，特別是對(duì)于高運(yùn)動(dòng)使用，例如大多數(shù)運(yùn)動(dòng)和健身應(yīng)用。對(duì)于臨床應(yīng)用，這可以低得多，通常低至 0.5Hz 甚至 0.05Hz。當(dāng)幾乎沒有運(yùn)動(dòng)時(shí)，這為診斷提供了更高質(zhì)量的心電圖信息。

圖4.輸入模擬帶通濾波器網(wǎng)絡(luò)。

圖5顯示了胸帶應(yīng)用的模擬帶通波特圖。

圖5.胸帶的模擬帶通濾波器波特圖。

CHPF的值為100nF，將高通轉(zhuǎn)折設(shè)置為最低5Hz，但對(duì)于高運(yùn)動(dòng)要求，可能高達(dá)7Hz（CHPF的電容為68nF）。低通濾波器由 CAPP 和 CAPN 引腳左側(cè)的組件設(shè)置，即 RECGP、RECGN （1MΩ）、CCMEP 和 CCMEN （4.7nF）。這將共模低通轉(zhuǎn)角設(shè)置為34Hz，最適合在干啟動(dòng)期間限制襯衫或衣服噪音。限制高端帶寬對(duì)于衰減靜電和高頻信號(hào)的噪聲也很重要。串聯(lián)電阻RECGP和RECGN的阻抗應(yīng)受到限制，使得電阻熱噪聲的和方根（RSS）和ECG通道的輸入噪聲不應(yīng)超過單獨(dú)的輸入噪聲。不使用差模電容CDME，但建議進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將共模低通濾波器的性能與差模低通濾波器進(jìn)行比較，因?yàn)槊糠N設(shè)計(jì)都有自己的噪聲源。

設(shè)計(jì)PCB和選擇組件的建議：

如果可能，在信號(hào)路徑中使用C0G型陶瓷電容器，以減少信號(hào)失真;對(duì)于心電圖路徑，這包括 C聚氯乙烯， C二甲醚， CCMEP和 C嘀嘀.

將分立元件放置在ECG IC附近，并保持走線盡可能短。對(duì)于差分信號(hào)（ECGP/E中廣核） 保持等長(zhǎng)和對(duì)稱的跡線以保持較高的 CMRR。

在設(shè)備下方使用單個(gè)接地層（AGND 和 DGND 不應(yīng)分開）。

第 3 步：電源選項(xiàng)

根據(jù)所使用的電池類型，有多種選擇可以為整個(gè)可穿戴設(shè)備供電。最簡(jiǎn)單的選擇是使用線性穩(wěn)壓器（圖 6）從紐扣電池創(chuàng)建一個(gè)通用的 1.8V 直流電源軌，通常從 3.4V 到 2.2V 不等。但是，這種方法不是特別節(jié)能。

圖6.簡(jiǎn)單的線性壓差穩(wěn)壓器電源方案。

雖然使用降壓穩(wěn)壓器代替LDO可以提高效率，但最佳解決方案是使用PMIC，如圖7所示。

圖7.PMIC 和 3VDC 紐扣電池。

使用此類解決方案的優(yōu)點(diǎn)是，PMIC可以為微控制器、模擬前端和數(shù)字接口提供單獨(dú)的電源輸出。

總結(jié)

我們回顧了生物電勢(shì)理論以及如何使用連接到胸戴式設(shè)備的濕電極或干電極來測(cè)量ECG。然后，我們考慮了調(diào)理ECG信號(hào)的挑戰(zhàn)，以便以最小的功耗進(jìn)行精確測(cè)量。最后，我們提出了一種由生物電位AFE IC、分立模擬濾波器和PMIC組成的復(fù)合解決方案。該解決方案分析了快速輕松地將心電圖功能集成到胸戴式健康和健身可穿戴設(shè)備中所需的組件。

審核編輯：郭婷