【導(dǎo)讀】過去，一般針對身體不適或確診患者進(jìn)行生命體征監(jiān)護(hù)； 而如今，我們監(jiān)控這些參數(shù)則是為了預(yù)測突發(fā)狀況。一般 可通過監(jiān)測心率測量某人的身體狀況或?qū)ふ疑眢w極限。本 文描述ADI公司的一種全新集成電路，有助于監(jiān)測心率。 此外，該電路還能監(jiān)測心臟行為，提供心臟反饋信息和 ECG波形。
在所有生物電測量中，最常用的是ECG和心率測量，因?yàn)?它們能有效地指示身體狀況。它們使您能安全地鍛煉，并 提供身體狀況改善和鍛煉成果的反饋。運(yùn)動(dòng)中獲取的心率 數(shù)據(jù)鼓勵(lì)您盡情地?fù)]灑汗水，而不會(huì)過度鍛煉或用力過 猛。持續(xù)跟蹤心率可讓您監(jiān)測心臟輸出，以便表明在整個(gè) 健身過程中是否處于安全運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。此外，在較長的時(shí)間 段內(nèi)監(jiān)測心率可獲得長期進(jìn)展的反饋。如果可以在不提高 心率的情況下以更高的強(qiáng)度水平進(jìn)行鍛煉，那么這就意味 著您比以前更強(qiáng)壯有效了。
圖1.
AD8232 是一款全新的低功耗集成式信號調(diào)理前端，針對 ECG和其他生物電測量開發(fā)。可通過接觸或非接觸測量方式 監(jiān)測心率。它使用兩個(gè)或三個(gè)電極從人體獲取心電信號。
該芯片可將來自電極的微弱并帶有噪雜的信號轉(zhuǎn)換為經(jīng)過 濾波的大信號，以便微控制器內(nèi)置的獨(dú)立模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)能輕松將其數(shù)字化。
信號鏈描述
圖2顯示了AD8232的簡化電路圖，其在原理上可視為四個(gè) 獨(dú)立的子功能。它包含一個(gè)儀表放大器、一個(gè)支持低通濾 波的放大器級、一個(gè)右腿驅(qū)動(dòng)(RLD)放大器和一個(gè)片內(nèi)基 準(zhǔn)電壓緩沖器。
圖2. AD8232簡化框圖
信號鏈上的關(guān)鍵功能是儀表放大器。其平衡輸入級可提供 至少80 dB共模抑制比。連接人體的電極直接與該放大器的 高阻抗輸入節(jié)點(diǎn)相連，該節(jié)點(diǎn)輸入阻抗為100 m。該級集 成100 V/V固定增益，放大施加于輸入端的小信號。由于此 高增益下的直流失調(diào)很容易使輸入放大器飽和，因此采用 2極點(diǎn)高通濾波器將其耦合；它能抑制電極的半電池電 位，并過濾運(yùn)動(dòng)偽像。
第二級包含一個(gè)運(yùn)算放大器，可使信號的增益額外增加 11 V/V，將總增益設(shè)為1100 V/V，并將最大差分輸入信號 限制為2.7 mV p-p。然而，該器件具有過壓保護(hù)，因此超 過最高電平的輸入電壓會(huì)使輸出失真，但不會(huì)損壞器件。 運(yùn)算放大器可配置為2極點(diǎn)低通濾波器，以便消除線路噪 聲和其他干擾。輸出信號是AD8232輸入端的干凈、放大版 本ECG信號。根據(jù)信號的處理方式，該器件可用作“心率 監(jiān)護(hù)儀”設(shè)備或中等性能ECG系統(tǒng)。
AD8232針對低功耗、單電源工作設(shè)計(jì)，因此它的接地必須 抬高至固定基準(zhǔn)電平(偽接地)，首選ADC中間電平或共模 電壓電平，用于后續(xù)信號鏈。集成式基準(zhǔn)放大器緩沖該電 壓，以便設(shè)置AD8232內(nèi)部的公共基準(zhǔn)點(diǎn)。可以使用兩個(gè)電 阻將基準(zhǔn)電壓設(shè)為任意首選電平，或者使用ADC基準(zhǔn)電壓 輸出。如果ADC沒有內(nèi)置基準(zhǔn)電壓，則可以使用AD8232 的REF輸出作為ADC基準(zhǔn)電壓。該比例式測量具有很高的 精度水平，且不會(huì)馬上需要絕對精度。
濾波的重要性
由人體獲得的信號很弱且很噪雜，從而對運(yùn)動(dòng)相關(guān)的偽像 很敏感。由于這個(gè)原因，濾波對于獲取有用的信號很重 要。輸入放大器可同時(shí)提供增益和高通濾波。它能為微弱 的ECG信號帶來100 V/V增益，同時(shí)抑制電極失調(diào)電壓；電 極失調(diào)最高可達(dá)±300 mV。
第一個(gè)濾波器的–3 dB截止頻率為FHP1 −3 dB = 100/(2πR1C1)。 由于放大器的增益和反饋架構(gòu)，濾波器截止頻率比一般預(yù) 計(jì)值高100倍。圖3顯示了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)信號傳輸?shù)姆糯笃骱透?種濾波器級電路圖。
圖3. AD8232的濾波部分
第一級后跟一個(gè)交流耦合網(wǎng)絡(luò)，表示第二極點(diǎn)。截止頻率由 常規(guī)的一階高通濾波器設(shè)置，即FHP2 −3 dB = 1/(2πR2C2)。 兩個(gè)高通濾波器組合總共產(chǎn)生–40 dB/十倍頻程滾降
下一個(gè)濾波器級支持二階低通濾波器，采用Sallen-Key配 置。此濾波器很重要，可以消除運(yùn)動(dòng)偽像，并校正基線。 建議截止頻率大約25 Hz。該放大器級的輸出在+VS到地的 范圍內(nèi)擺動(dòng)不超過100 mV，因此可以使用AD8232之后ADC 的幾乎整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，從而在ADC和AD8232由同一個(gè)電 源供電時(shí)最大程度提升系統(tǒng)分辨率。
右腿驅(qū)動(dòng)放大器
另一個(gè)放大器稱為右腿驅(qū)動(dòng)放大器，是一個(gè)集成式放大 器，提供第三個(gè)電極的連接。RLD可用來調(diào)理病人/用戶與 AD8232器件之間的共模電壓。該RLD有助于優(yōu)化AD8232 的性能，但并非必須功能。RLD連接使應(yīng)用更能免受外界 干擾——比如市電50 Hz/60 Hz噪聲、開關(guān)模式電源，以及 新LED燈、熒光燈和其他照明系統(tǒng)的輻射。
導(dǎo)聯(lián)脫落檢測和快速恢復(fù)模式
AD8232可以監(jiān)控某電極何時(shí)從病人或用戶身上斷開連接。 用戶可以選擇采用直流或交流導(dǎo)聯(lián)脫落檢測。在直流導(dǎo)聯(lián) 脫落檢測模式下，系統(tǒng)檢測電極的輸入電壓。當(dāng)某一個(gè)電 極的輸入變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，相應(yīng)的LO–或LO+引腳便被標(biāo) 記，以便向操作人員或用戶發(fā)出警報(bào)。此外，如果AD8232 僅使用兩個(gè)電極工作(無RLD)，那么可以采用交流導(dǎo)聯(lián)脫 落檢測模式。該器件可向電極輸入100 kHz小激勵(lì)電流，檢 測電極何時(shí)斷開連接。由于僅使用兩個(gè)電極，AD8232無法 檢測從人體脫落的是哪一個(gè)電極。在交流導(dǎo)聯(lián)脫落檢測期 間，僅標(biāo)記LO+引腳。
AD8232另一項(xiàng)很有用的功能是快速恢復(fù)模式。為了支持該 項(xiàng)功能，當(dāng)其中一個(gè)導(dǎo)聯(lián)在其輸入端發(fā)生突變時(shí)，AD8232 自動(dòng)調(diào)節(jié)到較高的濾波器截止頻率。例如，AD8232可以放 在全功能訓(xùn)練器或跑步機(jī)等健身器械的把手上。當(dāng)用戶握 住把手時(shí)，該功能就會(huì)幫助器件恢復(fù)功能，更快地提供有 效的測量結(jié)果。
建立信號后，濾波器操作自動(dòng)改變，改善系統(tǒng)的整體噪聲 表現(xiàn)。圖4顯示使能和不使能快速恢復(fù)模式情況下的建立 時(shí)間。
圖4. 使能和不使能快速恢復(fù)模式下的AD8232建立時(shí)間
何處使用AD8232
該ECG測量電路或心率前端電路針對各種應(yīng)用而開發(fā)。它 可用于醫(yī)療保健以及運(yùn)動(dòng)和活動(dòng)應(yīng)用。很多醫(yī)療保健系統(tǒng) 要求采用低引腳數(shù)ECG測量，比如便攜式ECG監(jiān)護(hù)儀、醫(yī) 用心率監(jiān)護(hù)儀、低端除顫器和自動(dòng)外部除顫器(AED)。這 些應(yīng)用要求ECG監(jiān)護(hù)儀測量心臟活動(dòng)，并在提供除顫器脈 沖的前一刻進(jìn)行同步。
一個(gè)快速增長且完全不同的市場是運(yùn)動(dòng)和鍛煉市場。運(yùn)動(dòng) 期間測量心率有助于運(yùn)動(dòng)員改進(jìn)鍛煉程序，并決定最佳鍛 煉水平。AD8232對此提供了解決方案。
該器件的模擬輸出可讓系統(tǒng)集成商自主選擇ADC和微控制 器。ADI提供內(nèi)置ADC的ARM Cortex™-M3處理器，分辨率 范圍從12位至24位。其中一款推薦的產(chǎn)品是ADuCRF101。 但如果需要使用獨(dú)立的ADC，那么ADI還有其他產(chǎn)品可供 選擇，比如低功耗12位AD7170或16位AD7171，它們的功 耗分別為125 μA和135 μA。這些器件可以采用和前端相同 的電源電壓供電，以便最大程度降低總功耗，延長電池使 用時(shí)間。如果應(yīng)用通過市電供電，則需要一個(gè)電流隔離柵 來保持病人或用戶的安全。ADIiCoupler®系列提供隔離電 源高達(dá)5 kV的電流隔離，有助于滿足這些要求。
結(jié)論
總而言之，AD8232是一款非常小巧的全功能構(gòu)件塊，可用 于各種心臟監(jiān)護(hù)應(yīng)用中。該器件提供4 mm × 4 mm小型封 裝，功耗極低且價(jià)格具有競爭力，可支持醫(yī)療保健、家庭 護(hù)理和運(yùn)動(dòng)市場。
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