高可靠性心臟監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)詳解 - 全文

　　作者：意法半導(dǎo)體公司 Adriano Basile， Fabrizio Librizzi

　　前言

　　提升生活品質(zhì)當(dāng)然是改變?nèi)粘Ｉ罘绞介_始，但是，監(jiān)視健康參數(shù)和具體的營養(yǎng)方案有助于降低高血壓、血脂異常和肥胖癥的發(fā)病率。改變生活方式對年輕人同樣有益。美國運(yùn)動醫(yī)學(xué)會 （ACSM）發(fā)布一些國際健康生活方式指引并在美國高中執(zhí)行。如果不改變?nèi)粘Ｉ罘绞?，?dāng)步入中年時，周運(yùn)動量將會少得可憐。事實(shí)上，周運(yùn)動量少于1小時的中年女士死于心血管疾病的概率是運(yùn)動量較多的同齡女士的兩倍 （見圖 1）。

　　既然監(jiān)視生活方式和健康參數(shù)已成為正確診斷病癥的重要因素，本文將介紹一個新的能夠監(jiān)視心臟及其間接參數(shù)的儀器。

圖 1： ACSM推薦高品質(zhì)的生活

　　全世界各國的醫(yī)療保健支出都在增長，呼聲越來越高的慢性病和傳染病預(yù)防治療方案是各國政府需要解決的問題，這使科醫(yī)療健康向所謂的“病患保健與自理”方向發(fā)展。病患幾乎不再被動接受醫(yī)生的護(hù)理建議，而是在醫(yī)生的指導(dǎo)下，能夠更好地自理。這就產(chǎn)生一種有健康意識的很多政府機(jī)關(guān)和獨(dú)立組織也提倡的生活方式。

　　圖 2： 床式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

　　這一新的設(shè)想適用于越來越多的保健站（PoC）。保健站分布在城市的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村莊中，被視為進(jìn)入公共醫(yī)療健康組織的第一個入口，人們想要在保健站咨詢配備快速診斷工具的醫(yī)療人員。其中，心電監(jiān)護(hù)儀（ECG）是最基本的診斷儀器。保健站的心電監(jiān)護(hù)儀通常是電腦輔助型心電監(jiān)測機(jī)，這種機(jī)型沿用傳統(tǒng)床式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)（圖2）的模擬子系統(tǒng)，使用PC機(jī)處理并顯示數(shù)據(jù)。在這種硬件配置中，PC機(jī)扮演兩個重要角色：保存和檢索心電數(shù)據(jù)；管理系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)。

　　最近的研究證明，連續(xù)診斷反饋數(shù)據(jù)可增強(qiáng)人們持續(xù)改進(jìn)生活方式的意志。健康遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)顯然是個人醫(yī)生與病患保持直接聯(lián)系的解決方案。

　　意法半導(dǎo)體的 D-ECG心電監(jiān)護(hù)儀方案

　　電極是采集心電數(shù)據(jù)的傳感器（圖3），將活的生物組織內(nèi)的離子電流轉(zhuǎn)換成電子醫(yī)療儀器的模擬前端能夠檢測的電子電流。為理解心電圖等生物電信號產(chǎn)生的原因，我們應(yīng)該考慮下面幾個要素：

　　1. 心肌細(xì)胞的電活動；被置于與體液成份相同的同質(zhì)水浴培養(yǎng)基中的單個心肌細(xì)胞的電活動導(dǎo)致的細(xì)胞外電勢；

　　2. 置于一個大型含體液離子成份的導(dǎo)電介質(zhì)中的大量心肌組織的電活動導(dǎo)致的細(xì)胞外電勢；

　　3. 這些細(xì)胞外電勢與身體表面記錄的總電活動即心電圖信號之間的關(guān)系

圖3： 心電信號波形

　　對診斷有重要意義的心電信號頻率范圍在0.05－250 Hz之間，為確保完美捕獲信號，模擬前端必須能夠放大心電圖信號，濾除非生物信號（例如，電源線噪聲）以及無關(guān)的生物干擾（例如EMG），并集成一個在 80 – 120 dB范圍內(nèi)共模抑制比（CMMR）優(yōu)異的高增益差分放大器。

　　在心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)內(nèi)，計(jì)算機(jī)存儲器、顯示器和打印機(jī)都是用于保存和顯示心電數(shù)據(jù)。心電監(jiān)護(hù)儀的電極通常情況下被固定在患者身體上（見圖2） ，這些電極連線被稱之為導(dǎo)聯(lián)線（I， II， III， aVR， aVL， aVF， V1， V2，V3， V4， V5， V6）。

　　例如：

　　· 導(dǎo)聯(lián) I = RA – LA （右臂 – 左臂）

　　· 導(dǎo)聯(lián) II = RA – LF （右臂 – 左腳）

　　· 導(dǎo)聯(lián) III = LA – LF （左臂 – 左腳）

　　· aVR 是在右臂取得：

　　· aVL 是在左臂取得：

　　· aVF是在左腿取得：

　　· V1 是置于胸骨右緣第四肋間的電極與VWCT的差值

　　本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)9月《智能醫(yī)療特刊》Change The World欄目，轉(zhuǎn)載請注明出處！
　　

　　· V2是置于胸骨左緣第四肋間的電極與VWCT的差值

　　· V3是置于V2和V4間隔處的電極與VWCT的差值

　　· V4 是置于鎖骨中線與第五肋間相交處的電極與VWCT的差值。

　　· V5是置于左腋中線水與第五肋間相交處的電極與VWCT的差值。

　　· V6是置于腋中線水與第五肋間相交處的電極與VWCT的差值

　　其中 VWCT是虛擬參考點(diǎn)，又稱威爾遜導(dǎo)聯(lián)中心點(diǎn)（WCT）：

圖 4： HM301D框圖

　　意法半導(dǎo)體HM301D （見圖 4）是一個適合的心電信號采集方案，除前文提及的必備功能外，還具有一系列全集成可配置的數(shù)字帶通濾波器，讓醫(yī)療人員能夠選擇性分析心電波形。

　圖 5： 多片結(jié)構(gòu)

　　經(jīng)過濾波和處理后，心電數(shù)據(jù)通過SPI端口傳至外部微控制器。每個HM301D芯片都包含三個完整的心電差分通道，最多可將4個HM301D芯片連接在一起，構(gòu)成一個多導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)護(hù)儀（見圖5）。

　　全球有大約300萬人使用起搏器，像心電監(jiān)護(hù)儀這樣的診斷類儀器必須支持起搏器脈沖分析。HM301D有兩個起搏器專用通道，每條通道提供10 kHz帶寬和起搏脈沖檢測可調(diào)功能。

　　除心電分析功能外，HM301D具有全集成的阻抗測量通道，提供體重和呼吸速率計(jì)算所需的功能。 HM301D通過心電監(jiān)護(hù)儀的兩個電極向人體發(fā)射高頻方波弱電流，然后測量最終的電壓?；跀?shù)字帶通濾波器的IQ調(diào)制/解調(diào)技術(shù)提供與呼吸相關(guān)的時變頻率成份中的現(xiàn)實(shí)頻率和設(shè)想頻率，以及與體重有關(guān)的非時變頻率成份。

　　其它功能特性包括右腿驅(qū)動器、WCT驅(qū)動器、屏蔽驅(qū)動器和一個輸入連接矩陣。低壓電源和低功耗還使該芯片特別適用于電池供電裝置。

　　HM301D評估板： STEVAL-IME002Vx

　　STEVAL-IME002Vx是一系列基于HM301D診斷級模擬前端芯片的評估板。HM301D是意法半導(dǎo)體針對生物電和生物阻抗測量推出的新產(chǎn)品。

圖 6： STEVAL-IME002V1評估板

圖7： STEVAL-IME002V2評估板

　　該系列評估板共有STEVAL-IME002V1 和 STEVAL-IME002V2兩款產(chǎn)品，分別用于演示HM301D在心電監(jiān)護(hù)儀（或病患監(jiān)護(hù)系統(tǒng)） （ECG）和自動體外除顫器（AED）中的性能表現(xiàn)。

　　這兩款電路板還搭載一個32位的STM32微控制器，用于管理HM301D的SPI協(xié)議和電路板與PC機(jī)之間的USB通信。兩款電路板都能配合專用PC機(jī)軟件圖形用戶界面，演示不同的應(yīng)用配置的工作情況。

　　為優(yōu)化硬件開發(fā)，兩款電路板幾乎相同；唯一不同之處是板載元器件，通過比較圖6和圖7，我們很容易看出不同之處。

　　STEVAL-IME002Vx評估板通過SPI菊花鏈拓?fù)渥疃嗫蛇B接三個 HM301D芯片，因此，STEVAL-IME002V1可能有1個、2個或3個HM301D芯片，分別用U1、U2和U3表示；STG3692 （低壓高帶寬四通道SPDT開關(guān)）用于管理三種配置之間的開關(guān)。三個芯片連接只能使用菊花鏈拓?fù)洹Q句話說，在沒有U1時，無法使U1和U2工作。準(zhǔn)許開關(guān)順序是U1；U1和 U2； U1、U2和 U3。

　　HM301D的每一條輸入線上都有ESD保護(hù)器件ESDALCL6-2SC6，該器件符合IEC61000-4-2 規(guī)范的4級保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

　圖 8： 板上連接邏輯圖

　　圖8的硬件框圖描述了板上所有元器件之間邏輯連接線路，同時圖10給出了元器件在電路板上的布局。

圖 9： SPI菊花鏈

　　圖9所示是STM32F103CBT6外設(shè)與HM301D芯片之間的邏輯連接圖，其中STM32F103CBT6是SPI總線的主控制器，負(fù)責(zé)管理SPI開關(guān)通道（通過STG3692），開關(guān)微控制器與SDO信號的連接線路。

圖10： STEVAL-IME002Vx電路板布局

　　為評測HM301D芯片的不同工作模式，評估板準(zhǔn)許第一個 HM301D （U1）的采用雙極或單極連接模式，而另外兩個HM301D （U2和 U3）的連接始終采用單極模式。

　　表1：首個基于 HM301D的接收定位輸入配置

　　特別是在STEVAL-IME002V1電路板上，U1被配置成采集艾因特霍芬（Einthoven）正三角形信號，其極點(diǎn)是LA （左臂）、 RA （右臂）和LL（左腿），三個極點(diǎn)直接連接U1。此外，RL （右腿）是電勢的參考電極，與U1的9號針相連。這種連接方式使心電圖正面肢體導(dǎo)聯(lián)線數(shù)據(jù)檢索變得十分容易。事實(shí)上，導(dǎo)聯(lián)線 I 是LA與RA的電勢差；導(dǎo)聯(lián)線 II是LL與RA的電勢差；導(dǎo)聯(lián)線III 是LL與LA的電勢差。導(dǎo)聯(lián)線的連接是由電阻R1、R2、R3和R15控制（見表1）。

　　傳統(tǒng)臨床心電圖機(jī)多數(shù)使用單通道放大器，其數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)準(zhǔn)許通過一個多點(diǎn)開關(guān)選擇所需的導(dǎo)聯(lián)線連接方式。STEVAL-IME002V1評估板上的HM301D芯片可記錄所有導(dǎo)聯(lián)（I， II， III， V1， V2， V3， V4， V5， V6）數(shù)據(jù) ，并通過圖形用戶界面的參數(shù)設(shè)置功能，將采集到的數(shù)據(jù)送入生物電位放大器放大。用戶還可以在PC機(jī)上記錄心電導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)。

　　電極V1、V2、V3假如存在，通過單極方式連至U2，電極 V4、V5、V6單極連至U3。U2和U3芯片的連接方式都是單極模式，以主設(shè)備（U1）的 WCT為參考信號。

　　特別注意的是，STEVAL-IME002V2電路板上只安裝U1，并被配置成僅采集導(dǎo)聯(lián)I，即LA與RA的電勢差。

　　一旦按照表1完成必要的配置后，評估板即可投入使用。事實(shí)上，電路板還有配套的STM32固件，使STM32微控制器能夠從HM301D檢索所有的心電信號， 通過USB數(shù)據(jù)線傳送到PC機(jī)。

　　該評估板還為客戶提供一個圖形用戶界面（GUI）的PC軟件，該軟件可設(shè)置心電監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)的參數(shù)（見圖11），并在顯示屏上繪制所采集信號的波形（見圖12）。

圖11： EDEN界面主窗口

　　用戶可以輕松打印心電數(shù)據(jù)或保存到本地磁盤，以備深入分析或治療后診斷。

　　此外，軟件圖形界面還能檢索HM301D阻抗通道的信息，測量人體阻抗以及因呼吸而引起的各種變化。

　　STEVAL-IME002Vx評估板上的HM301D還能測量保護(hù)器件和電路板本身產(chǎn)生的串聯(lián)電阻。用戶必須考慮這個參數(shù)。在對話框的右側(cè)（見圖12），用戶可以看到導(dǎo)聯(lián)線斷開檢測和相關(guān)阻抗。導(dǎo)聯(lián)線斷開檢測是連續(xù)檢查置于人體上的電極的連接狀況，當(dāng)相關(guān)標(biāo)志變紅色時，用戶必須查看電極在病患身體上的物理連接狀況。

圖 12： 心電數(shù)據(jù)繪圖窗口

　　結(jié)論

　　本文介紹意法半導(dǎo)體的心電監(jiān)護(hù)儀模擬前端解決方案，該設(shè)計(jì)對醫(yī)療保健站很有價值，代表了心電監(jiān)護(hù)應(yīng)用模擬前端的最新成果。其模塊化及其固件和軟件幫助用戶輕松設(shè)計(jì)屬于自己的前端芯片。