淺析基于ADAS1000簡化診斷級ECG應(yīng)用設(shè)計方案

在不久前于舊金山召開的2011年度國際固態(tài)電路會議上，與會專家紛紛指出電子技術(shù)將協(xié)助推動醫(yī)療護(hù)理體系由醫(yī)院擴大至居家，降低相關(guān)成本并提升民眾生活質(zhì)量，而新一代處理器、無線技術(shù)、 電池技術(shù)與數(shù)據(jù)采集技術(shù)的結(jié)合將是實現(xiàn)這樣轉(zhuǎn)變的必要條件。

作為在現(xiàn)代醫(yī)療應(yīng)用中發(fā)揮極其重要作用并獲廣泛使用的檢測設(shè)備，心電圖(ECG)設(shè)備一直在見證這樣的轉(zhuǎn)變。心電圖之父 Willem Einthoven 一百多年前發(fā)明第一臺真正意義上的心電圖設(shè)備時，龐大而笨重，需要很多人參與操作才能實現(xiàn)一次心電圖檢測。而今天，高性能12導(dǎo)聯(lián)的心電圖儀已經(jīng)可以輕松裝入口袋之中。

作為全球領(lǐng)先的高性能信號處理解決方案供應(yīng)商及醫(yī)療設(shè)備行業(yè)的長期供應(yīng)商，ADI 公司近日推出支持 ECG 系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)護(hù)級和診斷級性能的全集成 AFE(模擬前端)系列芯片的首款產(chǎn)品 ADAS1000，能夠測量 ECG 信號、胸阻抗、起搏檢測、導(dǎo)聯(lián)連接/脫落狀態(tài)，并將此信息以數(shù)據(jù)幀的形式輸出，以可編程數(shù)據(jù)速率提供導(dǎo)聯(lián)/矢量或電極數(shù)據(jù)。ADAS1000的推出再次續(xù)寫了心電圖設(shè)備小型化、高性能的發(fā)展趨勢。

ADAS1000 讓 ECG 設(shè)計變得如此簡單

圖1是 ECG 設(shè)計的一個單導(dǎo)聯(lián) ECG 系統(tǒng)簡化系統(tǒng)功能框圖。如果采用分立器件實現(xiàn) ECG 設(shè)計，在模擬前端部分，每個導(dǎo)聯(lián)都需要實現(xiàn)圖中保護(hù)電路、緩沖、放大及濾波、ADC 等功能電路模塊。工程師獨立完成該系統(tǒng)設(shè)計將是一個極具挑戰(zhàn)性的工作：首先，分立器件的選擇需要參考眾多的性能指標(biāo)，包括濾采樣速率、帶寬、噪聲，等等;為使 ECG 測量輸出信息可用，必須保證通道之間的一致性;前端信號調(diào)理電路與 ADC 之間的匹配;眾多的調(diào)試點，調(diào)試工作量巨大……事實上，除了圖中所示的基本功能模塊外，用戶的設(shè)計工作可能還包括：構(gòu)建 RFI 濾波器以減少諸如手機、廣播等的無線干擾;選擇合適的阻容器件設(shè)定恰當(dāng)?shù)臑V波頻率;對敏感器件增加靜電屏蔽罩以避免 ESD 干擾，使產(chǎn)品滿足 IEC 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

ECG 系統(tǒng)框圖(單導(dǎo)聯(lián))

采用 ADAS1000 集成模擬前端，上述問題都有效回避!所有的前端信號處理都在單芯片內(nèi)部實現(xiàn)，用戶所需要完成的僅僅是按照系統(tǒng)設(shè)計需求，通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)關(guān)鍵寄存器的設(shè)置。電路設(shè)計變得如此簡化，只需使用幾顆貼片阻容器件即可，可以大大地縮短 ECG 系統(tǒng)設(shè)計時間，而模擬前端部分的調(diào)試點也從以前分立解決方案的幾十個減少到現(xiàn)在的幾個，從而讓系統(tǒng)調(diào)試變得非常簡單，加快產(chǎn)品面市。

高集成度使 ADAS1000 心電圖模擬前端的信號鏈材料清單明顯縮減，從原來的多達(dá)50個器件減少到只需單芯片 ADAS1000 外加幾個分立器件，極大的簡化了多電極 ECG 系統(tǒng)的設(shè)計。圖3是完整的 ADAS1000 評估板，其中紅框中的電路是多通道 ECG 模擬前端部分，該電路中采用了兩塊 ADAS1000 芯片(為簡化測試結(jié)果的顯示，其中一塊未貼片)以實現(xiàn)多導(dǎo)聯(lián)擴展。從圖中可以看到電路非常干凈(為方便測試，電路中增加了額外器件和布局考慮)。

ADAS1000內(nèi)部功能框圖

ADAS1000 還能支持 ECG 的無縫擴展。ADAS1000 很好地解決了通道間的一致性問題，針對更多導(dǎo)聯(lián)的應(yīng)用需求，您可以靈活地利用多塊 ADAS1000 輕松實現(xiàn)系統(tǒng)的擴展，高一致性讓信號看起來就像來自同一塊芯片，幾乎不增加系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試難度。

ADAS1000 的其它主要特性和優(yōu)勢包括：直流耦合通道方案具有簡化輸入切換、增加功能、降低功耗和獨特的后處理優(yōu)勢;5個 ECG 電極測量的工作功耗僅19mW，可以方便地禁用任何不用的通道或特性，使一個導(dǎo)聯(lián)的最低功耗僅11mW;低噪聲性能(0.05 Hz至150 Hz范圍內(nèi)10 μV峰峰值)支持終端設(shè)備監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn);提供不同的數(shù)據(jù)幀速率(2kHz、16kHz、128kHz)，最大程度地簡化數(shù)據(jù)采集任務(wù);能夠簡化整體設(shè)計，去除許多分立器件，并縮減系統(tǒng)整體尺寸、降低功耗、縮短開發(fā)時間。該器件還集成了起搏器脈搏檢測和呼吸測量功能，這些特性對于高性能 ECG 系統(tǒng)至關(guān)重要。

基于 ADAS1000的開發(fā)評估板

高集成度而不失設(shè)計靈活性

高集成度的優(yōu)勢通常以缺乏設(shè)計靈活性為代價，然而 ADAS1000 在某種程度上讓設(shè)計師更具設(shè)計靈活性，因為用戶幾乎可以利用 SPI 數(shù)據(jù)接口通過對寄存器配置，實現(xiàn)針對任何一個環(huán)節(jié)的相關(guān)特性進(jìn)行設(shè)定，包括濾波器帶寬設(shè)定、數(shù)據(jù)速率設(shè)定、采樣速率設(shè)定、通道禁用，等等。

心電圖設(shè)備針對不同的應(yīng)用有不同的要求，例如家用的便攜性、低功耗和低成本，而診所和醫(yī)院對設(shè)備的特性和性能要求更高。借助高度集成的 ADAS1000 AFE，設(shè)計人員將能開發(fā)出更緊湊、更便攜的新一代 ECG 系統(tǒng)，也可以提供有效分析病人心臟狀況所需的診斷級精度。該器件可以針對噪聲性能、功耗或數(shù)據(jù)速率進(jìn)行優(yōu)化配置，適合家用、救護(hù)車和臨床 ECG 系統(tǒng)。

功耗是便攜式 ECG 最重要的指標(biāo)。對于便攜式的動態(tài)心電圖監(jiān)測儀，通常病人需要隨身攜帶連續(xù)一星期或幾天以了解心臟的跳動規(guī)律，真正判斷心臟部位的健康狀況。對于這一類 ECG 市場來說，一般至少要保證8到10個小時的設(shè)備續(xù)航能力，就目前的鋰電池容量來看，這對系統(tǒng)的功耗設(shè)計是一個挑戰(zhàn)，設(shè)計工程師必須對系統(tǒng)中每一個用到的器件都要提出嚴(yán)格的功耗預(yù)算。ADAS1000 在設(shè)計時充分考慮到了這一點，可以最大程度地實現(xiàn)功耗和性能的均衡考慮。為降低功耗，用戶在使用 ADAS1000 時可以方便地禁用任何不用的通道或特性，可以關(guān)閉信號采集通道，降低采樣速率，或采用不同的數(shù)據(jù)幀速率，從而可以使一個導(dǎo)聯(lián)的最低功耗低至11mW。此外，ADAS1000采用了一種靈活的功耗/噪聲調(diào)整選擇，可以針對特定應(yīng)用以容忍適當(dāng)噪聲來降低功耗，或以提高功耗為代價降低噪聲。

全面技術(shù)支持助您輕松實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計

在推出集成模擬前端子系統(tǒng) ADAS1000 芯片同時，ADI 還提供了 ADAS1000 的全功能評估板，它包括該 AFE、電源、用于簡化開發(fā)和制造的控制與接口選項，并且能夠配置該 AFE(從5導(dǎo)聯(lián)到12導(dǎo)聯(lián))進(jìn)行最終部署。包括全功能評估板和評估軟件平臺在內(nèi)的該套演示評估系統(tǒng)是對 ADAS1000 芯片進(jìn)行性能評估的良好工具，板上兩片 ADAS1000 可支持演示1到12導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)(需軟件支持)，而完整的 USB 控制軟件可讓用戶方便地對芯片進(jìn)行配置以及對 ECG 信號和呼吸信號的觀察和分析;5V板上電源，兩片 ADP151 提供 ADAS1000 的通電需要;可選的在 CEG 通路上的 RC 電路使得用戶可以按照系統(tǒng)要求靈活調(diào)整自己的濾波及線纜模式。為了簡化制造測試、開發(fā)以及提供整體上電測試，ADAS1000 通過 CAL DAC提供一套直流和交流測試激勵、CRC 冗余測試，以及對所有相關(guān)寄存器地址空間的回讀功能。

ADI 可以為 ECG 系統(tǒng)設(shè)計者提供除電極以外的全套配套器件，包括 Blackfin?DSP(數(shù)字信號處理器)、單芯片 USB 隔離器 ADuM4160、四通道數(shù)字隔離器 ADuM2401、5kV DC/DC 轉(zhuǎn)換器ADuM6000、收發(fā)器 ADF7023、線性調(diào)節(jié)器 ADP150 和 ADP151。

除了提供演示評估系統(tǒng)和配套器件外，ADI 專門針對醫(yī)療電子應(yīng)用成立的健康保健事業(yè)部匯集了全球具有豐富醫(yī)療電子應(yīng)用設(shè)計經(jīng)驗的專家，他們可以為 ECG 產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計提供更具針對性的專業(yè)建議，解決設(shè)計難題。

ADI助力中國廠商進(jìn)軍市場

與五大巨頭(GE、日立、飛利浦、西門子和東芝)瓜分主要蛋糕的全球 CT 市場不同，心電圖市場的全球主要供應(yīng)商達(dá)數(shù)十家，更有數(shù)以百計的中小規(guī)模制造商。因此，對于近年來迅速成長的中國本土醫(yī)療設(shè)備企業(yè)來說，快速增長的全球 ECG 市場是最具發(fā)展前景、更具競爭機會的市場之一。

ADI 擁有全球領(lǐng)先的模擬和數(shù)字技術(shù)，并將醫(yī)療電子作為重點關(guān)注的領(lǐng)域之一，ADI 公司更在四年前成立了專門的健康保健事業(yè)部以加強在該領(lǐng)域的持續(xù)技術(shù)領(lǐng)先性和技術(shù)服務(wù)能力。ADAS1000 產(chǎn)品的推出正是根據(jù)當(dāng)今 ECG 產(chǎn)品發(fā)展的特殊需求開發(fā)的高集成度芯片，高集成度、優(yōu)化的前端方案帶來的簡化設(shè)計優(yōu)勢和快速產(chǎn)品面市將有助于中國廠商的加入全球市場競爭，將推動 ECG 設(shè)備市場的新一輪革新。

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