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ADI 心電圖(ECG)解決方案

 2013-05-22

ECG系統原理和典型架構

心電圖(ECG)系統通過測量活組織表面電位來記錄心臟在一段時間內的電性活動。它使用生物電位電極來拾取身體特定部位的心臟信號,兩個電極間的差分電壓或某一電極與多電極平均電壓之間的差分電壓可在測量後顯示為ECG輸出上的一個通道。

 

模擬前端(AFE)的主要功能是將心臟信號數位化。由於需要抑制來自強射頻源、起搏信號、導聯脫落信號、共模頻率、其他肌肉信號及電雜訊的干擾,該過程十分複雜。通常,AFE包括儀錶放大器(INA)、濾波器和模數轉換器(ADC)。ECG架構設計方法有兩種:交流耦合和直流耦合。

 

ECG系統設計考慮和主要挑戰

設計ECG系統時,需要克服各種挑戰,例如安全、共模抑制、直流偏置、RFI(射頻干擾)/EMC(電磁相容性)、輸入保護和等效輸入噪底。

  • 優先考慮與患者和操作員安全相關的交流主電源隔離,以及與患者電極粘附相關的源電流或吸電流。確保不存在能產生流經患者的電流超過10 _A rms的常態或單一故障條件路徑。確保患者電路的直流及低頻隔離達到交流主電源的10次諧波及以上。確保患者與接地之間至少5000 V的隔離。
  • 標準要求指定測試的共模抑制比(CMRR)稍低於100 dB,某些臨床用途要求120 dB。“右腿驅動”等技術有助於降低INA的CMRR要求,但仍需要仔細整體考慮元件和系統設計。
  • 粘附於皮膚的電極產生的直流偏置電壓可高達_300 mV。測量幅度僅有幾mV的目標信號時,該直流偏置電壓會有很大影響。
  • 系統不能受到附近其他符合AAMI、ISO和IEC標準的醫療設備的影響。系統也不能經交流主電源或其他“外部電纜”發出或“傳導”超過IEC60601-1-2標準的輻射。
  • 有必要保護ECG前端系統受到因環境和人為瞬變造成的損害,例如除顫器保護和靜電放電(ESD)。
  • 在20秒或更長週期內,於0.05 Hz至150 Hz頻寬上測量的_V(峰峰值)輸入噪底限制常常是一大挑戰。需要採用各種硬體和軟體技術實現所需噪底。

 

ECG功能框圖

ADI公司為ECG設計提供種類齊全的高性能線性、混合信號、微機電系統(MEMS)和數位信號處理技術。我們的資料轉換器、放大器、微控制器、數位訊號處理器、MEMS慣性感測器、隔離器和電源管理產品擁有領先的設計工具、應用支援和系統經驗作為後盾。

 

直流耦合式動態監護儀

 

交流耦合式動態監護儀

 

消費級

注釋:上述信號鏈代表ECG設計。模組的技術要求可變化,但下表列出的產品代表滿足部分要求的ADI解決方案

 

交流耦合與直流耦合的比較

 

ADI設計的監護級12導聯ECG演示系統

分立元件(信號鏈)

 

分立元件(電源鏈)

 

安全考慮

如果電路板和PC採用交流供電,請勿將電路連接到人體。如果需要進行實際的人體ECG測試,電路和PC應採用電池供電,且確定無交流電接入。50 Hz或60 Hz交流電造成的漏電流如果流經人體,可能會致人死亡。即使電流可能非常小,但仍然具有致命危險。安全標準允許的60 Hz 漏電流為10 ­A。此外,如果電路採用電池供電,但同時也有示波器連接到電路,將此電路與人體相連,那麼仍然會有交流漏電流流入人體。

 

推薦的方法是使用心臟模擬器代替。向客戶提供醫療電路的危險在於,即使採用電池供電,客戶仍有可能將一個示波器連接到電路,導致電路接地,產生不安全狀況。

 

ECG主要產品簡介