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電池供電型病患監測應用中ECG前端的供電設計

2015年03月18日  | Catherine Redmond

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電池供電型病患監測應用中ECG前端的供電設計


心電圖(ECG)系統透過測量活組織表面電位來記錄心臟在一段時間內的電性活動。它使用生物電位電極來擷取身體特定部位的心臟信號,兩個電極間的差動電壓或某一電極與多電極平均電壓之間的差動電壓可在測量後顯示為ECG輸出上的信號。


電路功能與優勢

本參考設計採用ADI公司最新推出的ADAS1000系列低功耗心電圖(ECG)類比前端,實現了12導聯心電圖(ECG)信號測量、呼吸測量、心律信號檢測、導聯脫落檢測等功能。


ADAS1000系列針對生物電信號應用提供了一種低功耗、小型資料擷取系統,旨在簡化採集和確保高品質ECG信號的任務。ADAS1000系列包括ADAS1000、ADAS1000-1、ADAS1000-2、ADAS1000-3、ADAS1000-4共5個型號。藉由單顆晶片或多顆晶片組合,能夠測量心電圖(ECG)信號、胸阻抗、心律偽像、導聯連接/脫落狀態,並將此資訊以資料訊框的形式輸出,以可編程資料速率提供導聯/向量或電極資料。它具有低功耗和小尺寸特性,適合電池供電的可攜式應用。它還是一款高性能元件,因此適用於高階診斷設備。


本文所示電路是高整合型心電圖(ECG)前端,用於電池供電式病患監測應用。 圖1顯示典型5導聯(4個肢體導聯和1個前胸導聯)ECG測量系統物理連接的頂層方塊圖,該系統整合了呼吸與心律檢測功能。這種配置通常用於可攜式遙測ECG測量或線路供電式床邊儀器的最小導聯設置。在皮膚表面測量時,ECG信號幅度較小,通常為1 mV。有 關病患的健康及其它參數的重要資訊都蘊藏在那個小信號 之中,因此要求器件具有μV級的測量靈敏度。


就系統而言,許多醫療標準都要求最大雜訊不超過30 μV p-p;然而, 設計人員通常把此一數值訂得更低。因此,設計滿足系統層面需求的解決方案時,必須考慮所有的雜訊源。 ADAS1000的額定雜訊性能針對多種不同的工作環境。電源須經過設計,確保不會降低整體性能。選擇ADP151線性穩壓器是由於它的超低雜訊性能(9 μV rms典型值,10 Hz至 100 kHz),配合ADAS1000的電源抑制性能,可確保ADP151 產生的雜訊不影響整體雜訊性能。


電路描述

ADAS1000五電極ECG類比前端(AFE)解決新一代低功耗、 低雜訊、高性能、系統式和可攜式ECG系統帶來的挑戰。 ADAS1000是一款高整合型晶片,由五個電極輸入和一個專用右腿驅動(RLD)輸出參考電極組成,專為監控與診斷級ECG測量而設計。 除了支援監控ECG信號的基本元件,ADAS1000還配備了呼吸測量(胸阻抗測量)、心律偽像檢測、導聯/電極連接狀態以及內部校準等功能。 單個ADAS1000支援5個電極輸入,輕鬆進行傳統的6導聯 ECG測量。並聯第二個ADAS1000從機設備便可將系統調節到真正的12導聯測量(由9個電極和1個RLD組成),若加入多個從機設備(3個或更多),便可將系統調節到15導聯測量甚至更多。


呼吸

ADAS1000整合用於在46 kHz至64 kHz的可編程頻率下進行呼吸驅動的數位類比轉換器(DAC),以及用於簡化這一複雜測量過程的類比數位轉換器(ADC)。測量信號經解調,轉換為振幅和相位資訊,可據此確定相應的呼吸資訊,從而得到具體的線纜參數。本電路使用內部電容時解析度為200 mΩ, 使用外部電容時具有較高的解析度(<200 mΩ)。電路具有靈活的切換方案,允許測量三個導聯中的一個(I、II或III)。


圖1. 用於典型4電極 + RLD或5導聯配置的ADAS1000簡化功能方塊圖(未顯示所有連接和去耦)
圖1. 用於典型4電極 + RLD或5導聯配置的ADAS1000簡化功能方塊圖(未顯示所有連接和去耦)。

心律檢測演算法

心律檢測演算法在四根可能的導聯線(I、II、III或aVF)中的三根上運行三個數位演算法實例。它與內部抽取和濾波並行針對高頻心電圖資料運行。該演算法設計用於檢測並測量寬度範圍從100 μs到2 ms、幅度從400 μV到1000 mV的心律偽像。ADAS1000返回一個標誌,用以表示是在一根還是多根導聯線上檢測到心律信號,同時返回檢測到信號的高度和寬度。當使用者希望運行自己的數位心律演算法時, ADAS1000提供了一個高速心律介面,以極快的資料速率 (128 kHz)提供ECG資料,與此同時,標準介面上經過濾波和抽取的ECG資料保持不變。


低功耗

ADAS1000針對低功耗設計,僅需21 mW便可進行5個ECG電極的測量。若需進一步降低電池供電式動態心電和遙測儀等應用的整體功耗,所有未用到的通道和特性都可輕鬆disable(失能),以便進一步將單個ECG導聯的功耗降低至11 mW。


低雜訊

若需在不同條件下進行正確診斷,則低雜訊性能至關重要。終端設備需要借助於ADAS1000的雜訊性能,以符合監管標準。ADAS1000允許在雜訊性能、功耗以及資料速率之間進行權衡取捨,適合用於多種產品之中。在功耗並非主要問題的線路供電式ECG系統中,ADAS1000的性能同樣非常出色。


使用元件的高性能模式可最佳化其雜訊性能,該模式下內建的 SAR ADC取樣速率上升至2 MSPS,因此具有更高的信雜比(SNR)。


彈性的資料速率

標準序列介面可輸出所有ECG相關資訊,包括導聯脫落狀態、心律、呼吸和其它協助工具。統稱“封包”或“訊框”的大量32位元或16位元資料字經由資料匯流排的串列SDO引腳輸出。提供不同的資料畫面播放速率(2 kHz、16 kHz或128 kHz),確保最終簡化資料擷取任務。最低的資料速率(2 kHz)可實現更多抽取功能,並且針對低雜訊性能最佳化訊框資料速率。還可在跳躍模式下讀取資料,該模式每次都在第二或第三個字時從設備讀取封包或訊框。資料速率最低為500 Hz。 ADAS1000評估板連接SDP板的照片見圖2。 評估板設計為提供1導聯至12導聯ECG測量。


圖2. ADAS1000評估板/SDP板(EVAL-SDP-CB1Z)
圖2. ADAS1000評估板/SDP板(EVAL-SDP-CB1Z)。

(未完,請參閱下頁更多內文及附圖)


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