【導讀】過去,一般針對身體不適或確診患者進行生命體征監(jiān)護; 而如今,我們監(jiān)控這些參數則是為了預測突發(fā)狀況。一般 可通過監(jiān)測心率測量某人的身體狀況或尋找身體極限。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,因為 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。運動中獲取的心率 數據鼓勵您盡情地揮灑汗水,而不會過度鍛煉或用力過 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 健身過程中是否處于安全運動狀態(tài)。此外,在較長的時間 段內監(jiān)測心率可獲得長期進展的反饋。如果可以在不提高 心率的情況下以更高的強度水平進行鍛煉,那么這就意味 著您比以前更強壯有效了。
圖1.
AD8232 是一款全新的低功耗集成式信號調理前端,針對 ECG和其他生物電測量開發(fā)??赏ㄟ^接觸或非接觸測量方式 監(jiān)測心率。它使用兩個或三個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換為經過 濾波的大信號,以便微控制器內置的獨立模數轉換器 (ADC)能輕松將其數字化。
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 獨立的子功能。它包含一個儀表放大器、一個支持低通濾 波的放大器級、一個右腿驅動(RLD)放大器和一個片內基 準電壓緩沖器。
圖2. AD8232簡化框圖
信號鏈上的關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)點相連,該節(jié)點輸入阻抗為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很容易使輸入放大器飽和,因此采用 2極點高通濾波器將其耦合;它能抑制電極的半電池電 位,并過濾運動偽像。
第二級包含一個運算放大器,可使信號的增益額外增加 11 V/V,將總增益設為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,因此超 過最高電平的輸入電壓會使輸出失真,但不會損壞器件。 運算放大器可配置為2極點低通濾波器,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。根據信號的處理方式,該器件可用作“心率 監(jiān)護儀”設備或中等性能ECG系統(tǒng)。
AD8232針對低功耗、單電源工作設計,因此它的接地必須 抬高至固定基準電平(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。集成式基準放大器緩沖該電 壓,以便設置AD8232內部的公共基準點??梢允褂脙蓚€電 阻將基準電壓設為任意首選電平,或者使用ADC基準電壓 輸出。如果ADC沒有內置基準電壓,則可以使用AD8232 的REF輸出作為ADC基準電壓。該比例式測量具有很高的 精度水平,且不會馬上需要絕對精度。
濾波的重要性
由人體獲得的信號很弱且很噪雜,從而對運動相關的偽像 很敏感。由于這個原因,濾波對于獲取有用的信號很重 要。輸入放大器可同時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,同時抑制電極失調電壓;電 極失調最高可達±300 mV。
第一個濾波器的–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,濾波器截止頻率比一般預 計值高100倍。圖3顯示了實現最優(yōu)信號傳輸的放大器和各 種濾波器級電路圖。
圖3. AD8232的濾波部分
第一級后跟一個交流耦合網絡,表示第二極點。截止頻率由 常規(guī)的一階高通濾波器設置,即FHP2 −3 dB = 1/(2πR2C2)。 兩個高通濾波器組合總共產生–40 dB/十倍頻程滾降
下一個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,可以消除運動偽像,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 范圍內擺動不超過100 mV,因此可以使用AD8232之后ADC 的幾乎整個動態(tài)范圍,從而在ADC和AD8232由同一個電 源供電時最大程度提升系統(tǒng)分辨率。
右腿驅動放大器
另一個放大器稱為右腿驅動放大器,是一個集成式放大 器,提供第三個電極的連接。RLD可用來調理病人/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連接使應用更能免受外界 干擾——比如市電50 Hz/60 Hz噪聲、開關模式電源,以及 新LED燈、熒光燈和其他照明系統(tǒng)的輻射。
導聯(lián)脫落檢測和快速恢復模式
AD8232可以監(jiān)控某電極何時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聯(lián)脫落檢測。在直流導聯(lián) 脫落檢測模式下,系統(tǒng)檢測電極的輸入電壓。當某一個電 極的輸入變?yōu)楦唠娖綍r,相應的LO–或LO+引腳便被標 記,以便向操作人員或用戶發(fā)出警報。此外,如果AD8232 僅使用兩個電極工作(無RLD),那么可以采用交流導聯(lián)脫 落檢測模式。該器件可向電極輸入100 kHz小激勵電流,檢 測電極何時斷開連接。由于僅使用兩個電極,AD8232無法 檢測從人體脫落的是哪一個電極。在交流導聯(lián)脫落檢測期 間,僅標記LO+引腳。
AD8232另一項很有用的功能是快速恢復模式。為了支持該 項功能,當其中一個導聯(lián)在其輸入端發(fā)生突變時,AD8232 自動調節(jié)到較高的濾波器截止頻率。例如,AD8232可以放 在全功能訓練器或跑步機等健身器械的把手上。當用戶握 住把手時,該功能就會幫助器件恢復功能,更快地提供有 效的測量結果。
建立信號后,濾波器操作自動改變,改善系統(tǒng)的整體噪聲 表現。圖4顯示使能和不使能快速恢復模式情況下的建立 時間。
圖4. 使能和不使能快速恢復模式下的AD8232建立時間
何處使用AD8232
該ECG測量電路或心率前端電路針對各種應用而開發(fā)。它 可用于醫(yī)療保健以及運動和活動應用。很多醫(yī)療保健系統(tǒng) 要求采用低引腳數ECG測量,比如便攜式ECG監(jiān)護儀、醫(yī) 用心率監(jiān)護儀、低端除顫器和自動外部除顫器(AED)。這 些應用要求ECG監(jiān)護儀測量心臟活動,并在提供除顫器脈 沖的前一刻進行同步。
一個快速增長且完全不同的市場是運動和鍛煉市場。運動 期間測量心率有助于運動員改進鍛煉程序,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。其中一款推薦的產品是ADuCRF101。 但如果需要使用獨立的ADC,那么ADI還有其他產品可供 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 用時間。如果應用通過市電供電,則需要一個電流隔離柵 來保持病人或用戶的安全。ADIiCoupler®系列提供隔離電 源高達5 kV的電流隔離,有助于滿足這些要求。
結論
總而言之,AD8232是一款非常小巧的全功能構件塊,可用 于各種心臟監(jiān)護應用中。該器件提供4 mm × 4 mm小型封 裝,功耗極低且價格具有競爭力,可支持醫(yī)療保健、家庭 護理和運動市場。
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