作者：Jon Firth and Paul Errico

從歷史角度看心電圖測(cè)量：

自路易吉·伽伐尼（Luigi Galvani）于1786年首次報(bào)道他的青蛙實(shí)驗(yàn)以來(lái)，已經(jīng)對(duì)人類和動(dòng)物進(jìn)行了電物理測(cè)量。心電圖（ECG）測(cè)量最早由荷蘭醫(yī)生William Einthoven在20世紀(jì)初進(jìn)行。心電圖是一種常用的無(wú)創(chuàng)電物理測(cè)量程序，用于測(cè)量、記錄和隨后解釋穿過(guò)心臟的電位。

將電極放置在皮膚上以獲得感興趣的信號(hào)。早期的研究人員選擇手和腳作為電極的部位，簡(jiǎn)單地將這些肢體浸入鹽水中，電線從桶連接到電流計(jì)。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(hào)。

但最初使用的設(shè)備非常粗糙，僅提供基本信息，幾乎沒(méi)有存儲(chǔ)能力，也沒(méi)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(chǎng)：如今，心電圖測(cè)量只是整個(gè)患者監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的一部分。其他體內(nèi)生物電測(cè)量包括體溫、血壓、血糖和血氧水平等，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)室樣品的大量離線測(cè)量。

今天的設(shè)備更安全、更準(zhǔn)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(yùn)行。電源 - 因此安全便攜。

ECG系統(tǒng)中的低功耗/低壓信號(hào)處理IC：50多年前在美國(guó)引入的第一個(gè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(hù)設(shè)備使用低電壓和低功耗，從而推動(dòng)低功耗高精度IC元件的使用。其中一個(gè)因素是電池的持續(xù)使用，電池已經(jīng)在動(dòng)態(tài)心電圖、便攜式或動(dòng)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(huì)暴露在“熱”線路電壓下。此外，動(dòng)態(tài)心電圖監(jiān)測(cè)規(guī)范要求24小時(shí)連續(xù)記錄功能;因此，低功耗IC對(duì)于延長(zhǎng)電池壽命至關(guān)重要。

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

便攜式計(jì)算機(jī)和通信市場(chǎng)：其他市場(chǎng)的重大發(fā)展有助于提供醫(yī)療市場(chǎng)需要但無(wú)法自行支持的IC類型。首先，計(jì)算機(jī)和通信市場(chǎng)的爆炸性增長(zhǎng)導(dǎo)致用于信號(hào)處理（模擬、數(shù)字和混合信號(hào)）的半導(dǎo)體的集成度提高和功耗降低。其次，便攜式消費(fèi)類設(shè)備市場(chǎng)的類似增長(zhǎng)激發(fā)了對(duì)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(zhǎng)壽命可充電電池現(xiàn)在很容易獲得。這些變化推動(dòng)了IC的制造量增加，成本和功率要求下降，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在在所有低功耗、低壓市場(chǎng)（包括患者監(jiān)護(hù)/ECG）都享有優(yōu)勢(shì)。

圖1.典型的ECG信號(hào)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(cè)量應(yīng)用中，如動(dòng)態(tài)、動(dòng)態(tài)心電圖或ECG，使用兩種基本的前端架構(gòu)：將模擬信號(hào)多路復(fù)用到單個(gè)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(dāng)今的電生理測(cè)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(jìng)爭(zhēng)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(jì)人員現(xiàn)在必須考慮影響整個(gè)系統(tǒng)的所有因素，包括功耗/成本權(quán)衡。

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

寬動(dòng)態(tài)范圍

傳感器在電極上檢測(cè)到的小交流信號(hào)電壓（5至10 mV）將伴隨著一個(gè)大的交流共模分量（高達(dá)1.5 V）和一個(gè)大的可變直流分量（300 mV）。AAMI（醫(yī)療儀器促進(jìn)協(xié)會(huì)）規(guī)定的共模抑制標(biāo)準(zhǔn)ECG最小為89 dB，安布記錄儀最小為60 dB。在具有寬動(dòng)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)微處理器和微型計(jì)算機(jī)兼容）、片上基準(zhǔn)電壓源、睡眠（省電）模式和片上多路復(fù)用器。可用類型包括：

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(wú)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(dòng)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(hào)帶寬

信號(hào)帶寬將取決于是否檢測(cè)到起搏器脈沖，以及系統(tǒng)是否用于診斷（波形細(xì)節(jié)很重要）與監(jiān)測(cè)。通常，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)ECG，目標(biāo)信號(hào)的分量將駐留在0.67至40 Hz帶寬中，對(duì)于起搏器檢測(cè)，最高可達(dá)300 Hz至1 kHz帶寬。

右腿驅(qū)動(dòng)

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)，位于右腿上的電極要么反向驅(qū)動(dòng)，以最小化交流共模電壓擺幅（上圖），要么用作參考節(jié)點(diǎn)來(lái)測(cè)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(hào)處理器：當(dāng)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(jià)比替代方案。ADSP-2173是一款+3.3 V定點(diǎn)器件，內(nèi)置片內(nèi)存儲(chǔ)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?cè)谏厦婷枋隽舜罅康牡凸摹⒌蛪篒C，以滿足設(shè)計(jì)人員對(duì)大多數(shù)ECG應(yīng)用的需求，包括患者和生命體征監(jiān)護(hù)儀、診斷ECG、Holter（動(dòng)態(tài)ECG）、除顫器和壓力測(cè)試儀。隨著未來(lái)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