利用ECG AFE簡(jiǎn)化病人監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)

在較高水平的系統(tǒng)以及病人監(jiān)控設(shè)備的元件系統(tǒng)中不難發(fā)現(xiàn)，許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都存在典型的信號(hào)鏈，包括信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理與處理以及工作通信。如果再深入探究，就會(huì)發(fā)現(xiàn)有很多的設(shè)計(jì)問(wèn)題需要理解，比如有關(guān)信號(hào)完整性和共模抑制對(duì)信號(hào)的影響等問(wèn)題等等。保證使用電氣連接設(shè)備的病人的安全同樣至關(guān)重要，但這會(huì)增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。病人有時(shí)可能需要進(jìn)行除顫，在這時(shí)候，我們必須防止系統(tǒng)自身受到此類活動(dòng)的影響。不僅如此，還有其他的許多行業(yè)規(guī)范以及實(shí)踐中的實(shí)際問(wèn)題也會(huì)影響系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)。

圖1是12導(dǎo)聯(lián)ECG（心電圖）監(jiān)控器件的典型信號(hào)鏈，架構(gòu)非常復(fù)雜，存在各種細(xì)微差別和復(fù)雜性。

圖1 12導(dǎo)聯(lián)ECG監(jiān)控器件的典型信號(hào)鏈

ECG監(jiān)控

ECG的測(cè)量，即心臟的電活動(dòng)。測(cè)量ECG信號(hào)的設(shè)備包括便攜式動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀、臨床心電圖儀以及高通道心臟標(biāo)測(cè)系統(tǒng)，這些設(shè)備在不斷開(kāi)發(fā)中。這些測(cè)量系統(tǒng)使用的環(huán)境十分廣泛，圖2中所示的是其中的一些典型場(chǎng)合。例如醫(yī)院的使用環(huán)境包括手術(shù)室、重癥監(jiān)護(hù)室、電生理實(shí)驗(yàn)室等，每種環(huán)境都有需要解決的設(shè)計(jì)難題。這些環(huán)境所面臨的設(shè)計(jì)難題的復(fù)雜性和測(cè)量目標(biāo)都十分廣泛，而且范圍仍在不斷擴(kuò)大。隨著醫(yī)療保健行業(yè)朝著遠(yuǎn)程病人監(jiān)控方向發(fā)展，開(kāi)發(fā)人員面臨著一系列新的挑戰(zhàn)，需要隨時(shí)提出新的應(yīng)對(duì)措施。

ECG信號(hào)

ECG信號(hào)是心臟在一段時(shí)間內(nèi)電性活動(dòng)的經(jīng)胸反映，通過(guò)皮膚電極采集并于外部進(jìn)行記錄。它是由心電圖設(shè)備產(chǎn)生的無(wú)創(chuàng)記錄。ECG信號(hào)的幅度通常為0.25mV~5mV，由各種波所組成，如正常竇性心律圖。正常竇性心律的偏差說(shuō)明可能存在異常，醫(yī)生可以借此評(píng)估病人的健康狀況并作出相應(yīng)處理。

ECG信號(hào)的采樣圖由P波、QRS波群和T波組成，代表一個(gè)心動(dòng)周期中的心臟電性活動(dòng)。一個(gè)心跳周期 P波：心房收縮；QRS波群：心室興奮；T波：心室激動(dòng)后的復(fù)原活動(dòng)。如今，通過(guò)研究心臟不同層面的電氣特性，心臟病專家能夠確定很多與心臟功能相關(guān)的異?，F(xiàn)象。如圖3所示。

ECG測(cè)量

在ECG測(cè)量中，電極即電勢(shì)傳感器，放置在胸部和/或四肢各個(gè)部位。導(dǎo)聯(lián)來(lái)自ECG電極的各種數(shù)學(xué)組合。雖然出于歷史的原因，有些人認(rèn)為這已經(jīng)過(guò)時(shí)，但在臨床環(huán)境中，12導(dǎo)聯(lián)ECG依然是最常見(jiàn)的設(shè)置。12導(dǎo)聯(lián)ECG包括三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)，即右臂、左臂和左腿，稱為Einthoven導(dǎo)聯(lián)。還有三個(gè)加壓肢體導(dǎo)聯(lián)VR、VL與VF，也就是通常所說(shuō)的Goldberg加壓導(dǎo)聯(lián)，以及6個(gè)心前區(qū)導(dǎo)聯(lián)，即V1~V6。心前區(qū)導(dǎo)聯(lián)也稱V導(dǎo)聯(lián)，大多數(shù)心臟病專家認(rèn)為其屬于獨(dú)立矢量，這也是威爾遜中心電端和目標(biāo)V電極的差異所在。威爾遜中心電端本身由右臂、左臂和左腿導(dǎo)聯(lián)組成，可進(jìn)行3分頻。我們可以發(fā)現(xiàn)，要想形成12導(dǎo)聯(lián)ECG，只需連接9個(gè)電極即可。通常還會(huì)采用第10個(gè)電極來(lái)提供“右腿驅(qū)動(dòng)”，隨著映射的心臟層面增加，測(cè)量心臟生物電信號(hào)也變得更加復(fù)雜。

如圖4所示，Einthoven導(dǎo)聯(lián)和V導(dǎo)聯(lián)一樣可視為獨(dú)立矢量，信號(hào)來(lái)自導(dǎo)聯(lián)1、2、3，從兩臂間或一條手臂與左腿之間測(cè)量得出。加壓導(dǎo)聯(lián)aVL、aVR和aVF與導(dǎo)聯(lián)1、2、3源自同樣的三個(gè)電極。以aVL為例，正極為左臂，負(fù)極為右腿和右臂的組合。因此，上述導(dǎo)聯(lián)不屬于獨(dú)立導(dǎo)聯(lián)。在胸導(dǎo)聯(lián)連接V1~V6，6個(gè)正電極放置于胸部，之前提到的作為測(cè)量參考的威爾遜中心電端則相當(dāng)于負(fù)電極。

圖2 醫(yī)療保健系統(tǒng)中需要ECG監(jiān)控的環(huán)境

圖3 ECG信號(hào)

圖4 經(jīng)過(guò)心臟的aVx導(dǎo)聯(lián)測(cè)量

電極就位以后，就可以開(kāi)始測(cè)量心臟的電性活動(dòng)。圖5顯示的是典型的12導(dǎo)聯(lián)ECG打印結(jié)果。橫軸方向每個(gè)大正方形為200ms，每個(gè)小正方形為40ms。縱軸方向當(dāng)增益為1時(shí)，每個(gè)小正方形相當(dāng)于100μV，即0.1mV。增益為1時(shí)，最左側(cè)的校準(zhǔn)信號(hào)代表1mV CAL信號(hào)的10mm垂直偏轉(zhuǎn)。1mV的CAL信號(hào)通常寬160ms。每個(gè)導(dǎo)聯(lián)均體現(xiàn)在ECG帶上，用以識(shí)別心臟特征的異常情況。

圖5 ECG波形/心律

了解了ECG測(cè)量的端點(diǎn)、電極的連接和導(dǎo)聯(lián)的形成，以及最終ECG打印結(jié)果后，兩個(gè)端點(diǎn)之間存在一系列模擬和數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程，由于可用于采集和處理生物電信號(hào)的方法眾多，情況變得更加復(fù)雜。測(cè)量生物電信號(hào)的方法在某種程度上決定了信號(hào)鏈的架構(gòu)。采用直流耦合還是交流耦合？?jī)烧叨己艹Ｓ茫哺饔欣?。例如，在交流耦合系統(tǒng)中，顧名思義，信號(hào)的直流分量在前端級(jí)之后即經(jīng)高通分揀去除。信號(hào)隨后遇到高增益，再由ADC進(jìn)行處理，該系統(tǒng)中12 ADC很常見(jiàn)。在直流耦合系統(tǒng)中，目標(biāo)信號(hào)會(huì)受到直流失調(diào)電壓的影響，通常約為300mV。因此，在經(jīng)高階ADC數(shù)字化處理前，前端只能采用低增益。由于整體信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較寬，分辨率必須很高。一般而言，直流耦合系統(tǒng)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)的復(fù)雜性較低，而且可采用后端信號(hào)處理，整體系統(tǒng)的靈活性大大增強(qiáng)。

共模抑制

共模抑制在整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)中同樣舉足輕重。ECG可以測(cè)量心臟電氣系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓。電壓值依不同病人而決定，變化范圍十分廣泛。例如，在母親子宮內(nèi)的胎兒產(chǎn)生的ECG約為10μV以下，而成人則可能為5mV。測(cè)量完成后，ECG子系統(tǒng)還會(huì)受到無(wú)用環(huán)境電信號(hào)的影響，例如交流主電源、安全系統(tǒng)噪聲，以及射頻干擾(RFI)。這些電氣干擾出現(xiàn)在測(cè)量系統(tǒng)的輸入端，屬于共模噪聲，當(dāng)存在與系統(tǒng)共模抑制比相關(guān)的小差分信號(hào)時(shí)，能夠抑制大共模信號(hào)。醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)需要的共模抑制約為100db。而實(shí)際臨床用途則要求達(dá)到120db。

ECG信號(hào)還會(huì)受到多種共模源的破壞，包括電源線干擾、電極與皮膚間的接觸噪聲、以及其他電氣設(shè)備的電磁干擾。ECG設(shè)計(jì)必須能在暴露于此類瞬時(shí)輸入時(shí)依然維持其共模及差分輸入性能。大多數(shù)ECG系統(tǒng)如今都銷往全球，設(shè)計(jì)人員必須考慮最壞情況下的交流主電源輸入范圍。例如，澳大利亞西部的交流主電源電壓可高達(dá)264 VAC rms，而尖峰電壓達(dá)6 kV。這種環(huán)境下的共模抑制大約是美國(guó)的兩倍，美國(guó)的主電源電壓為120 VAC rms。這一情況以及可能發(fā)生的電極失調(diào)和極化對(duì)差分和共模輸入動(dòng)態(tài)范圍要求較高。ECG電壓的峰峰值通常為500μV~3mV，因此目標(biāo)信號(hào)數(shù)字化之前的模擬前端輸入能力的動(dòng)態(tài)范圍至關(guān)重要。如今的ECG前端采用銀或氯化銀電極，動(dòng)態(tài)輸入范圍約為±1V，除顫器電極板上的電壓可達(dá)±1.5V以上。因此，為了降低共模噪聲的影響，鑒于前端級(jí)已具備出色的固有共模抑制特性，通常推薦共模抑制在100 db以上。

如今的設(shè)計(jì)技術(shù)十分豐富。系統(tǒng)若能降低共模噪聲，提高有效共模抑制比，例如優(yōu)化昂貴的高品質(zhì)ECG電極的使用，就能限制基線漂移之類無(wú)用噪聲的進(jìn)入。大多數(shù)ECG電纜都嵌有保護(hù)電阻以進(jìn)行除顫器保護(hù)。這種影響以及電纜電容差異和前端EMI濾波會(huì)引起共模信號(hào)不平衡，從而導(dǎo)致相位從共模向差模偏移，甚至發(fā)生轉(zhuǎn)換。因此，平衡的輸入設(shè)計(jì)至關(guān)重要。“右腿驅(qū)動(dòng)”技術(shù)可以減少多導(dǎo)聯(lián)配置的共模抑制。即使是雙導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，也可通過(guò)采用“右腿驅(qū)動(dòng)”，將電流驅(qū)動(dòng)至與輸入共模信號(hào)存在180°相位差，從而降低放大器測(cè)得的對(duì)地共模電壓。電流抑制必須考慮到電極阻抗不匹配，調(diào)整相對(duì)電流相位，從而將有效共模信號(hào)降至最低。輸入射頻干擾可通過(guò)多種方法消除，包括差分和共模濾波、環(huán)境遮蔽，以及后端算法。總之，共模抑制在差分放大器的輸入端必須達(dá)到零失調(diào)，因?yàn)椴罘州斎腚妷嚎蛇_(dá)±1V。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題還有很多，病人安全、噪聲消減、EMS和ESD等等。

病人監(jiān)控系統(tǒng)

病人監(jiān)控系統(tǒng)有兩種重要測(cè)量方法。第一種方法是呼吸測(cè)量。在醫(yī)院環(huán)境中，通過(guò)脈搏、血壓、體溫、呼吸和意識(shí)水平的生理觀察，醫(yī)生和護(hù)士可以及時(shí)獲得與病人健康或其他狀況相關(guān)的信息。在這些參數(shù)中，呼吸速率是一項(xiàng)重要的生命體征，體現(xiàn)了病人的不適或呼吸問(wèn)題。正常呼吸速率由年齡、健康和壓力水平?jīng)Q定。新生兒的呼吸速率每分鐘約30次~60次，成人的正常呼吸速率約為每分鐘12次~20次，可能因壓力、疾病或活動(dòng)增加而增多。病人監(jiān)控儀采用共模阻抗充氣造影術(shù)來(lái)確定病人的呼吸速率，使用的電極與ECG導(dǎo)聯(lián)記錄一樣。測(cè)量呼吸速率的關(guān)鍵是測(cè)量胸腔的電阻抗，它會(huì)隨著每次吸氣和呼氣而變化。該電路可向病人施加高頻差分電流，通過(guò)一對(duì)電極和阻抗變化實(shí)現(xiàn)，阻抗變化由呼吸引起，從而產(chǎn)生相應(yīng)的電壓變化，可用同一對(duì)或另一對(duì)電極測(cè)得。

病人監(jiān)控儀的第二種重要測(cè)量方法是起搏器脈沖檢測(cè)。對(duì)安裝起搏器的病人而言，相對(duì)ECG信號(hào)，了解并采集起搏器產(chǎn)生的脈沖及其形態(tài)更為重要。在許多臨床應(yīng)用環(huán)境中，了解起搏器的工作原理至關(guān)重要。比方說(shuō)，如果你想同步反映心臟狀態(tài)，就必須了解起搏器如何作用于心房和心室，以保證起搏器不會(huì)被檢測(cè)成正常傳導(dǎo)的QRS波群，具體而言，在沒(méi)有起搏器脈沖產(chǎn)生心臟收縮的情況下，如果起搏器沒(méi)有采集心臟組織信號(hào)，就必須在植入起搏器時(shí)設(shè)置合適的閾值電平。精確檢測(cè)起搏器的脈沖也很重要，這樣才能防止將其與隨機(jī)噪聲尖峰相混淆。

解決方案

ECG監(jiān)控或測(cè)量適用的應(yīng)用場(chǎng)合與環(huán)境十分廣泛，ADI采用了新的模擬前端ECG子系統(tǒng)ADAS1000以應(yīng)對(duì)各種環(huán)境的需求。首先，ADAS1000可滿足診斷測(cè)量系統(tǒng)的需求，支持臨床環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。有些診斷系統(tǒng)需要較高的電連接，ADAS-1K就能憑借其可擴(kuò)展架構(gòu)給予支持。其次，ADAS1000開(kāi)發(fā)時(shí)還考慮到了便攜性和低功耗的發(fā)展趨勢(shì)。由于ADAS1000的元件數(shù)量減少，功耗降低，開(kāi)發(fā)人員可同時(shí)采用各種優(yōu)化設(shè)計(jì)，有助于重新定義便攜式系統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)。最后，ECG子系統(tǒng)的多種重要功能集成到一塊芯片上，不僅降低了器件本身的成本，也降低了整體系統(tǒng)成本。ADAS1000還可大大減少高元件數(shù)量的系統(tǒng)固有的無(wú)形成本，例如庫(kù)存控制和可靠性問(wèn)題。

圖6為ADAS1000功能框圖，大致上標(biāo)出了ADAS1000的重要元件。這是一個(gè)高度集成的模擬前端子系統(tǒng)，能夠?qū)CG前端的元件數(shù)量從50個(gè)有源器件減少到只有1個(gè)。ADAS1000集成了重要元件，有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，加速產(chǎn)品上市，這些元件如下：5個(gè)從輸入到后端數(shù)字濾波器的獨(dú)立ECG信號(hào)采集路徑，1個(gè)“右腿驅(qū)動(dòng)”電極，呼吸測(cè)量電路，1個(gè)片內(nèi)脈搏檢測(cè)算法、保護(hù)交流與直流的引腳，以及校準(zhǔn)電路。

圖6 ADAS1000功能框圖

ADAS1000考慮到了ECG測(cè)量系統(tǒng)兩方面的重要問(wèn)題。一方面是主要生命體征的采集：ECG、可用于確定呼吸速率的胸阻抗以及脈搏檢測(cè)。另一方面是保證測(cè)量精確可靠所需的其他功能。“右腿驅(qū)動(dòng)”可用于改善共模抑制，從而獲得更多的ECG信息?？蛇x參考導(dǎo)聯(lián)：共模可借此獲得相關(guān)導(dǎo)聯(lián)信息?？焖龠^(guò)載恢復(fù)：心臟病專家希望除顫時(shí)能在一秒內(nèi)完成快速過(guò)載恢復(fù)，ADAS1000即能滿足這一要求。導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)：幫助臨床醫(yī)護(hù)人員了解電極何時(shí)從病人身上脫落。以及校準(zhǔn)功能：正如之前提到的一樣，醫(yī)生可借此為主要信號(hào)的幅度提供參考。

ADAS1000是一種直流耦合系統(tǒng)，它采用了性能高達(dá)20位的ADC，以及后端片內(nèi)數(shù)字過(guò)濾器，支持靈活濾波與吞吐量選項(xiàng)。ADAS1000固有共模抑制通常為110 dB，考慮到了我們之前所提到的問(wèn)題。呼吸測(cè)量可在2個(gè)或4個(gè)導(dǎo)聯(lián)上完成，從而提供不同層次的解決方案。除了片內(nèi)起搏器脈沖檢測(cè)算法之外，如果設(shè)計(jì)人員使用自己的算法，還可選用快速數(shù)據(jù)通道。

ADAS1000測(cè)量胸阻抗時(shí)采用的方法如圖7所示，典型的呼吸測(cè)量電路由驅(qū)動(dòng)電路和測(cè)量電路組成。ADAS1000的驅(qū)動(dòng)部分基于DAC設(shè)計(jì)，在編程設(shè)置的頻率下將兩個(gè)錯(cuò)相交流耦合電流提供給一對(duì)電極。電流通過(guò)一系列電阻和電容傳遞至病人。交流耦合可將病人與直流電隔離開(kāi)，并可通過(guò)向病人施加共模電壓緩解焦慮。電流幅度由交流耦合電容值決定，用戶可通過(guò)增大電容來(lái)增加病人的電流，同時(shí)增加信噪比。不過(guò)，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生更大的電壓差分。載波電極間的阻抗等于電纜電阻之和，包括每個(gè)電極的除顫保護(hù)電阻，通常為1kΩ~10kΩ，電極與皮膚的接觸阻抗，通常為50Ω~700Ω，以及身體的大塊組織與電極間的阻抗，約為100Ω~500Ω。由于上述大阻抗的存在，目標(biāo)是測(cè)量呼吸過(guò)程中出現(xiàn)的較小的身體阻抗變化。阻抗的峰峰值通常為0.2Ω~5Ω。

圖7 典型的呼吸測(cè)量電路

片內(nèi)脈搏與偽像檢測(cè)是與ECG輸入并行的功能，可在高頻狀態(tài)下分接ADC，檢測(cè)采用數(shù)字狀態(tài)機(jī)完成。數(shù)字脈搏算法存在三種情況，在三個(gè)矢量或?qū)?lián)上運(yùn)行，或者四個(gè)矢量或?qū)?lián)上運(yùn)行，以檢測(cè)脈搏和偽像。采樣速率與實(shí)際算法屬ADi專利技術(shù)。不過(guò)，脈搏與偽像功能有明確規(guī)定，能夠檢測(cè)并測(cè)量寬度在100μs~2ms，幅度在400μV~250mV的脈搏偽像，脈搏與偽像過(guò)濾器可過(guò)濾每分鐘的換氣脈沖。用戶若想采用自己的脈搏檢測(cè)方案，可使用第二個(gè)串行接口。

ADAS1000十分靈活，適用于各種應(yīng)用場(chǎng)合的便攜式監(jiān)控儀或高端診斷設(shè)備。通過(guò)可調(diào)功耗選項(xiàng)，開(kāi)發(fā)人員可以調(diào)整設(shè)計(jì)以適應(yīng)其終端系統(tǒng)的需求。對(duì)于那些需要5個(gè)以上患者電極（不包括“右腿驅(qū)動(dòng)”）的應(yīng)用而言，開(kāi)發(fā)人員很容易將多個(gè)器件進(jìn)行級(jí)聯(lián)。我們可以將多個(gè)ADAS1000器件進(jìn)行無(wú)縫組合，將電極數(shù)量調(diào)整到5個(gè)或更多，電極數(shù)量?jī)H受后端處理器處理能力的限制。因此，對(duì)真正的12導(dǎo)聯(lián)ECG系統(tǒng)而言，可以對(duì)兩個(gè)ADAS1000芯片進(jìn)行級(jí)聯(lián)，以提供所需數(shù)量的患者電極。對(duì)心臟標(biāo)測(cè)系統(tǒng)之類需要大量ECG采集路徑的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可以級(jí)聯(lián)多個(gè)ADAS1000以獲得所需的電極數(shù)量。器件組合是ADAS1000的固有功能，因此當(dāng)通道數(shù)量增加時(shí)，需要的外部元件很少。

更多醫(yī)療電子信息請(qǐng)關(guān)注：21ic醫(yī)療電子頻道