如果說測步數(shù)是新時代年輕人的“運動教練”，那么測心率就是固定的“體檢方式”了。過去，ECG、血壓和呼吸頻率的測量只有醫(yī)院監(jiān)護儀才能提供。不過隨著可穿戴設備的興起，人們能夠在不借助全套醫(yī)學設備的情況下獲得大量有關身體狀況的信息，手環(huán)、手表、心電衣等帶有監(jiān)測功能的可穿戴設備逐漸成為了收集關鍵身體信息的便捷方法。

近期小米商城新上架了一款運動心電衣，可在運動狀態(tài)下測量心率，觀察心率的趨勢，也可在相對靜止狀態(tài)下測量心電圖。而其測量核心的心電豆使用了來自ADI公司的單導聯(lián)心率監(jiān)護模擬前端AD8232，這樣一款“歷久彌新”的經(jīng)典芯片，用在了米家最新款的心電衣上，不得不說是一個奇妙的組合~

提防“頭號殺手”，可穿戴設備“義不容辭”

心血管疾病是危及人類生命健康的“頭號殺手”，有數(shù)據(jù)顯示，每年心血管疾病死亡人數(shù)占全球死亡總人數(shù)的29%；中國心血管病患者2.9億，每5例死亡者中有2例死于心血管病。而這類疾病都是有征兆的，在發(fā)病期的2-3天前心率波形就會發(fā)生變化，所以一款能夠有效進行心率監(jiān)測的可穿戴設備是至關重要的，既能夠測試靜態(tài)情況下的心臟情況，也要監(jiān)控在運動過程中心臟在承壓工作中的問題，早發(fā)現(xiàn)早治療。

我們都知道心率和心臟活動監(jiān)護通常是使用ECG測量生理電信號來實現(xiàn)。ECG測量的是人體心臟由于每次心跳使心肌去極化和復極化而產(chǎn)生的電信號。信號幅度通常為0.5mV至4mV，測量頻率范圍在0.05Hz至40Hz之間。而這需要通過將電極與皮膚相連來監(jiān)測心臟活動，為了在診斷應用中確保與人體的良好接觸，業(yè)界的很多可穿戴設備采用了雙電極胸帶。雖然可檢測到各種ECG波形，但大多數(shù)系統(tǒng)只測量心率，并且這些胸帶穿戴起來并不舒服，因此，體育和保健行業(yè)正在尋找替代方案，例如將電極集成到運動衫上。

米家運動心電衣

這款米家的運動心電衣就是典型的例子，將精心設計的導電織物電極植入到運動衣中實現(xiàn)無感檢測。貼身的設計不僅可以更準確地測量心率還可以用作心臟功能測量或潛在心臟病事件（如心房顫動或持續(xù)高血壓）的預警。其中測量的核心就是來自ADI的AD8232單導聯(lián)心率監(jiān)護儀前端，同時AD8232的設計初衷也是專為此類低功耗可穿戴應用而開發(fā)的。

AD8232單導聯(lián)ECG 前端

AD8232是一款低功耗集成式信號調理前端，專門針對 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(jīng)過濾波的大信號，以便微控制器內(nèi)置的獨立模數(shù)轉換器 (ADC)能輕松將其數(shù)字化。

搞定阻抗干擾，AD8232實力“濾波”

人體的電極電壓是毫伏級別的，在測量過程中獲取的信號很弱且很噪雜，從而對運動相關的干擾噪聲很敏感，并且電極的金屬與皮膚接觸時會產(chǎn)生極大且不平衡的接觸阻抗，這會嚴重干擾采集信號的質量。由于這個原因，濾波對于獲取有用的信號很重要。AD8232包含了一個可同時提供增益和高通濾波的輸入放大器，它能為微弱的ECG信號帶來100V/V增益，同時抑制電極失調電壓，電極失調最高可達±300mV。

AD8232內(nèi)置增益為100V/V的儀表放大器和一個高通濾波器，能阻止皮膚上電極的半電池電位產(chǎn)生的失調電壓。輸出緩沖器和低通濾波器則可抑制肌肉活動產(chǎn)生的高頻分量（EMG信號）。此低功耗前端功耗為170μA，還可與ADI另一款16位片上計量儀ADuCM350配合使用，進行高性能、單導聯(lián)ECG測量。

AD8232的濾波電路

第一個濾波器的–3dB截止頻率為FHP1?3dB=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。上圖顯示了實現(xiàn)最優(yōu)信號傳輸?shù)姆糯笃骱透鞣N濾波器級電路圖。

第一級后跟一個交流耦合網(wǎng)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?3dB=1/(2πR2C2)。兩個高通濾波器組合總共產(chǎn)生–40dB/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。AD8232濾波部分不僅可以消除運動干擾噪聲，校正基線，還可以根據(jù)人體在不同運動狀態(tài)下的電信號變化，進行自動適應和調整帶寬來獲取相對準確的心電數(shù)據(jù)。

結語

隨著技術的進步，可穿戴設備不再局限于醫(yī)療保健和家庭護理上，并逐漸在運動市場開始發(fā)力。這對設備的功耗，尺寸和準確度都提出了新的挑戰(zhàn)，而ADI 的技術可以將這些頗具挑戰(zhàn)性的難題轉變?yōu)橥晟频漠a(chǎn)品和完整的解決方案。就如同AD8232雖然是一塊八年前的產(chǎn)品，但是作為一款僅有4mm × 4mm小型封裝的全功能構件塊，不僅功耗極低并且價格競爭力十足，在通過對芯片以及外圍電路的調整和優(yōu)化后應用在最新款的心電衣上依舊是最合適的。

值得一提的是，ADI在ECG應用上積累了非常多的芯片設計經(jīng)驗以及系統(tǒng)工程經(jīng)驗，不斷推出了更多的創(chuàng)新型產(chǎn)品。AD8233便是AD8232的升級版，與AD8232比具備更低功耗（減少67%），更小體積（減少70%）以及更低的噪聲（減少25%）。AD8233同時也是非常成熟的產(chǎn)品，在穿戴式和醫(yī)療應用上也有非常多的成功案例。