作者：Jon Firth and Paul Errico

從歷史角度看心電圖測量：

自路易吉·伽伐尼（Luigi Galvani）于1786年首次報道他的青蛙實驗以來，已經(jīng)對人類和動物進行了電物理測量。心電圖（ECG）測量最早由荷蘭醫(yī)生William Einthoven在20世紀初進行。心電圖是一種常用的無創(chuàng)電物理測量程序，用于測量、記錄和隨后解釋穿過心臟的電位。

將電極放置在皮膚上以獲得感興趣的信號。早期的研究人員選擇手和腳作為電極的部位，簡單地將這些肢體浸入鹽水中，電線從桶連接到電流計。隨后的研究表明，使用導(dǎo)電漿料連接到手腕和腳踝的金屬電極更容易獲得類似的信號。

但最初使用的設(shè)備非常粗糙，僅提供基本信息，幾乎沒有存儲能力，也沒有內(nèi)部診斷能力。尚未投入使用的是示波器、真空管（以及隨后的晶體管和集成電路）放大器和微處理器。

心電圖市場：如今，心電圖測量只是整個患者監(jiān)護系統(tǒng)的一部分。其他體內(nèi)生物電測量包括體溫、血壓、血糖和血氧水平等，以及對實驗室樣品的大量離線測量。

今天的設(shè)備更安全、更準確，具有更多的內(nèi)部診斷功能，并且能夠在低電壓下使用電池運行。電源 - 因此安全便攜。

ECG系統(tǒng)中的低功耗/低壓信號處理IC：50多年前在美國引入的第一個動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)重約50磅。今天的ECG系統(tǒng)只占該重量的一小部分，在較低的電壓下工作，消耗的功率要少得多。

許多因素促使患者監(jiān)護設(shè)備使用低電壓和低功耗，從而推動低功耗高精度IC元件的使用。其中一個因素是電池的持續(xù)使用，電池已經(jīng)在動態(tài)心電圖、便攜式或動態(tài)心電圖系統(tǒng)中使用了幾十年。使用低壓電池作為唯一的電源可確?；颊撸ㄒ约霸O(shè)備）在故障條件下不會暴露在“熱”線路電壓下。此外，動態(tài)心電圖監(jiān)測規(guī)范要求24小時連續(xù)記錄功能;因此，低功耗IC對于延長電池壽命至關(guān)重要。

影響醫(yī)療保健IC的另一個日益重要的驅(qū)動力是市場在不增加空間、功耗或成本的情況下對附加功能的需求。

便攜式計算機和通信市場：其他市場的重大發(fā)展有助于提供醫(yī)療市場需要但無法自行支持的IC類型。首先，計算機和通信市場的爆炸性增長導(dǎo)致用于信號處理（模擬、數(shù)字和混合信號）的半導(dǎo)體的集成度提高和功耗降低。其次，便攜式消費類設(shè)備市場的類似增長激發(fā)了對低至3.0 V單電源電壓的IC和電源管理IC（即用于微處理器的高效DC-DC轉(zhuǎn)換器和監(jiān)控產(chǎn)品）的巨大需求。第三，長壽命可充電電池現(xiàn)在很容易獲得。這些變化推動了IC的制造量增加，成本和功率要求下降，設(shè)計人員現(xiàn)在在所有低功耗、低壓市場（包括患者監(jiān)護/ECG）都享有優(yōu)勢。

圖1.典型的ECG信號鏈多路復(fù)用單轉(zhuǎn)換器架構(gòu)。

心電圖設(shè)備架構(gòu)：在多通道測量應(yīng)用中，如動態(tài)、動態(tài)心電圖或ECG，使用兩種基本的前端架構(gòu)：將模擬信號多路復(fù)用到單個轉(zhuǎn)換器（圖1）和每通道轉(zhuǎn)換器（圖2）。多路復(fù)用架構(gòu)基于轉(zhuǎn)換器是迄今為止最昂貴的前端組件這一舊假設(shè)，在當今的電生理測量系統(tǒng)中很普遍。然而，隨著Σ-Δ轉(zhuǎn)換器架構(gòu)的普及，每通道轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是一種具有功耗和成本競爭力的替代方案，用于快速采集大量或智能選擇的數(shù)據(jù)量。設(shè)計人員現(xiàn)在必須考慮影響整個系統(tǒng)的所有因素，包括功耗/成本權(quán)衡。

我們 來 回顧 一些 重要 的 系統(tǒng) 性能 要求 及其 對 測量 電子 設(shè)備 的 影響。圖示顯示了典型的信號鏈和可用的ADI公司IC，它們可能適合各種架構(gòu)的要求。請注意，圖1中的前端放大器和濾波器對每個通道重復(fù)。

寬動態(tài)范圍

傳感器在電極上檢測到的小交流信號電壓（5至10 mV）將伴隨著一個大的交流共模分量（高達1.5 V）和一個大的可變直流分量（300 mV）。AAMI（醫(yī)療儀器促進協(xié)會）規(guī)定的共模抑制標準ECG最小為89 dB，安布記錄儀最小為60 dB。在具有寬動態(tài)范圍要求的低電源電壓系統(tǒng)中，選擇輸出電壓范圍接近軌到軌的低裕量放大器非常重要。低功耗、雙/單電源運算放大器和儀表放大器非常適合與電極接口的示例包括：

除了單電源和低功耗操作外，用于電生理系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器的主要特性還包括串行接口（理想地與標準微處理器和微型計算機兼容）、片上基準電壓源、睡眠（省電）模式和片上多路復(fù)用器?？捎妙愋桶ǎ?/p>

圖2顯示了使用AD7716（四通道、22位、Σ-Δ型ADC）的每通道轉(zhuǎn)換器架構(gòu)。AD7716無需IA和低通有效濾波。它還消除了多路復(fù)用系統(tǒng)所需的額外外部數(shù)字控制電路。前景是其他具有更寬動態(tài)范圍的Σ-Δ器件，例如AD1550/51，以支持每通道轉(zhuǎn)換器ECG。

圖2.每通道的典型ECG轉(zhuǎn)換器。

信號帶寬

信號帶寬將取決于是否檢測到起搏器脈沖，以及系統(tǒng)是否用于診斷（波形細節(jié)很重要）與監(jiān)測。通常，對于標準ECG，目標信號的分量將駐留在0.67至40 Hz帶寬中，對于起搏器檢測，最高可達300 Hz至1 kHz帶寬。

右腿驅(qū)動

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)，位于右腿上的電極要么反向驅(qū)動，以最小化交流共模電壓擺幅（上圖），要么用作參考節(jié)點來測量共模電壓，以便在轉(zhuǎn)換后以數(shù)字方式去除。合適的放大器是OP97，工作電壓>=2.5 V，靜態(tài)功耗<=600 μA。

低功耗數(shù)字信號處理器：當今的DSP現(xiàn)在可以為基于微控制器/mP的嵌入式系統(tǒng)提供極具吸引力的性價比替代方案。ADSP-2173是一款+3.3 V定點器件，內(nèi)置片內(nèi)存儲器（8 K24位程序ROM、2 K24位程序RAM和2 K16位數(shù)據(jù)RAM），適用于低功耗ECG系統(tǒng)。

我們在上面描述了大量的低功耗、低壓IC，以滿足設(shè)計人員對大多數(shù)ECG應(yīng)用的需求，包括患者和生命體征監(jiān)護儀、診斷ECG、Holter（動態(tài)ECG）、除顫器和壓力測試儀。隨著未來系統(tǒng)繼續(xù)要求更高的功能和更低的功耗，新的ADI IC將面世，以滿足不斷發(fā)展的需求。

審核編輯：郭婷