心电图这么熟悉的词竟然这么多不懂

qq 504775828

     据世界卫生组织的数据，心血管病已经成为造成全球人口死亡的主要因素。再加上随着中国人口老龄化、居民财富的增长以及医疗条件的改善，中国高端医疗电子市场的需求大幅提升，尤其是医疗成像设备像心电图，由于心电图检查在诊断心血管病上具有准确可靠、方法简便、对病人无损害等特点，在临床上被广泛应用。然而目前普遍采用的基于PC机平台的[url=http://www.cetimes.com/tag-%E7%9B%91%E6%8A%A4%E8%AE%BE%E5%A4%87.html]心电图机，虽功能全面，但体积庞大、成本较高。而市场上便携式心电图机大多采用低档单片机实现，无操作系统，处理能力弱，功能简单，只能进行心[url=http://www.cetimes.com/tag-%E7%94%B5%E4%BF%A1%E5%8F%B7.html]电信号的采集、显示与简单的数据处理，人机界面不友好。随着大规模的专用集成电路和计算机芯片的发展，基于32 bit微处理器的[url=http://www.cetimes.com/tag-%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E8%BD%AF%E4%BB%B6.html]嵌入式系统以低成本、较高的性能和可靠性等诸多优势，应用日益广泛。基于这种现状，医疗信息化作为中国[url=http://www.cetimes.com/tag-%E6%96%B0%E5%8C%BB%E6%94%B9.html]新医改方案“四梁八柱”目标的“八柱”之一，一直是其它改革的重要技术基础。不仅医院自身业务的系统复杂性对管理信息系统升级提出了要求，随着医改的深入和医疗保障体制的健全，构建以[url=http://www.cetimes.com/cat_news-1.html]电子病历、居民健康档案为基础的区域医疗信息系统,实现医院、医疗机构、行政管理部门之间的信息共享亦成为未来发展趋势。
  心电图(ECG)介绍[/url][/url][/url][/url][/url]

心电图(ECG)是用来捕捉心脏在一段时间内情况的反映，它通过外部电极连接到皮肤转换成电信号来采集。心脏外面形成的每个细胞膜都有一个关联电荷，它在每次心跳期间去极化。它以微小电信号的形式出现在皮肤上，可以通过心电图探测到并放大显示。

早在1900年Willem Einthoven就发明了第一台实用的心电图。该系统很笨重，需要很多人去操纵它。病人需要把他的胳膊和腿放到含有电解液的大型电极中。今天的[url=http://www.cetimes.com/tag-%E5%BF%83%E7%94%B5%E7%9B%91%E6%8A%A4.html]心电监护设备结构紧凑，携带方便，这样病人走动时也可以带着。家用十二导联心电图可以装在口袋里。[/url]

心电图特点：

心电图系统设计的第一步包括，了解需要获取的信号种类。心电图信号包括存在于高偏置和噪声的低振幅电压。图2显示了心电图信号的特点。系统里存在高偏移，由于电极产生的半个细胞电压。Ag/AgCl (银-银氯化物)是心电图系统里最常见的电极，它的最大偏移电压为 / -300mV。实际期望的信号为 / -0.5mV叠加在了电极偏移上。此外，系统还会合上来自电源线的50/60Hz噪声，形成共同模式的信号。电力线噪声的幅度有可能非常大，需要对其进行滤波。

 

图2：要获得的心电图信号特点。

心电图采集

模拟前端处理是心电图系统的重要组成部分，因为它需要区分噪声和期望信号（振幅很小）。模拟前端处理电路包括一个测量放大器，从而降低普通模式的信号。测量放大器工作在 / -5V，通常是用来加大的输入电压范围。这个测量放大器应具备高输入阻抗，因为皮肤的阻抗可能是非常大的。需要运算放大器来作为心电图设备的信号处理。心电图采集系统的信号链包括测量放大器、滤波器（可通过运放实现）和ADC。心电图滤波

信号处理是一项巨大的挑战，因为实际的信号为0.5mV，它处在一个300mV偏移量的环境里。其他因素如交流电源干扰，外科设备的射频干扰，手术植入的设备如起搏器和生理监测系统也会影响精度。心电图里噪声的主要来源是

基线漂移(低频噪声)
电力线干扰(来自电力线的50 Hz或60 Hz噪声)
肌肉噪声(这种噪声是很难被清除，因为它是在同一地区的实际信号。它通常是在软件里纠正。)
其他干扰(例如，来自其他设备的射频噪声)
共模噪声去除

干扰通常表现为经过差分放大器两端的共模噪声。这种噪声可以通过以下方法去除：

尽可能的把前端接地电路和数字系统隔离。高效的系统级设计是总体噪声抑制能力的关键。
使用具有很高共模抑制比（大于100dB）的测量放大器 

德州仪器TI在心电图市场的投入

数据转换器在医疗设备领域的机遇在哪里，TI将如何把握呢？

就数据转换器而言，医疗产业是一个不断增长的市场。在将温度、图像和声音转换成患者监控和诊断过程中处理和使用的数字信息时，我们就必须要使用高速数据转换器。特别是对于10 比特及精度要求更高的设备来说，医疗成像设备呈现出一个快速增长的市场机遇。三个主要细分市场包括超声波、磁共振成像 (MRI)，计算机断层扫描术 (CT)，以及正[url=http://www.cetimes.com/tag-%E7%94%B5%E5%AD%90.html]电子放射断层扫描术 (PET)。技术进步带来了更快、更高精度的成像，以及更高的患者安全性。在ECG领域，TIADS1298CZXGT系列产品改变了其传统概念。之前的ECG都是分立的，但是现在利用TI高度集成的模拟产品，如2通道、8通道产品，基本涵盖了ECG的所有产品。在医疗保健成为世界一大热点的时候，TI帮助使医用设备向便携式方向又推进了一步。目前，TI已开始了下一代产品开发的脚步，力争生产出更低功耗的产品。
TI在ECG领域的下一代产品的性能有哪些提升呢？

下一代产品会在功耗方面更优秀，将成为功耗优化后的下一代产品。而且生产出更多互补的产品，8通道产品非常稳定的针对医疗方面的产品。所以SVA的下一代产品会从通道、功耗和便携式方面做出努力，能够为市场上的任何客户提供[url=http://www.cetimes.com/tag-%E8%A7%A3%E5%86%B3%E6%96%B9%E6%A1%88.html]解决方案。结合了全部SVA与TI的产品组合后，将会涵盖全部市场。另外，我们的下一代AFE 可能是3通道的，更低功耗的产品应用于便携式ECG。   随着全球医疗电子市场的节节攀升以及中国十二五规划对医疗行业的大力推动，国内医疗电子厂商也正在逐渐加大研发投入并加快其产品开发速度。根据《中国医疗电子行业战略研究》报告，未来三年，中国医疗电子的市场规模将从2010年的403.1亿元增长到2013年的692.5亿元，年均复合增长率达19.8%。TI凭借广阔的医疗电子产品线以及在各种市场领域（例如无线通信、消费类电子、汽车电子和工业控制等）的丰富的经验，将在满足广大医疗电子客户不断增长的对更高速度、更高精度、更低功耗和更小设备的需求的同时满足医疗电子各细分市场对质量和[url=http://www.cetimes.com/tag-%E5%8F%AF%E9%9D%A0%E6%80%A7.html]可靠性的高标准要求

在医疗领域，我们提到ECG，超声，脉冲血氧计，这些高性能产品都在向便携式方向发展。要求在性能与功耗上高度结合，两者都很重要。我们致力于推动在这个领域的前[/url][/url][/url]

TI 始终致力于为未来医疗保健的变革发展技术，提高医疗设备的质量与易用性。TI 推出了种类齐全的模拟与[url=http://www.cetimes.com/tag-%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E8%BD%AF%E4%BB%B6.html]嵌入式处理产品，从构建块到完整的半导体解决方案，一应俱全；而且还配合了精深的系统知识、全球支持基础设施、高级工艺技术以及医疗行业的参与。TI 正致力于帮助创新型[url=http://www.cetimes.com/]医疗电子产品实现更高的灵活性与易用性，并降低成本。TI 在无线通信、消费类电子、汽车以及航空等众多市场领域拥有丰富的经验，可帮助工程师从容应对日益提高的要求，帮助他们不断提高设备速度与精度、降低功耗与尺寸，并确保医疗市场需要的高质量与高[url=http://www.cetimes.com/tag-%E5%8F%AF%E9%9D%A0%E6%80%A7.html]可靠性标准。作为全球领先的医疗电子解决方案提供商，TI提供的医疗电子解决方案涵盖了医疗成像系统、消费类医疗设备、医疗仪器、病患监控、诊断及治疗设备等方方面面。TI 一直致力于开发用于提高医疗设备的质量和便携性的技术，推动创新型医疗电子向更加灵活、实惠和便携的方向发展，近年来TI加大了对医疗电子产品的开发力度，之前推出的诸多产品已在市场中引起强大反响。例如，面向 ECG 与 EEG 应用推出的全面集成型模拟前端系列首款产品ADS1298、面向中高端频谱多普勒超声波设备推出的两款具有连续波 (CW) 多普勒混频器的集成型模拟前端 [url=http://www.ameya360.cn/product-AFE5807ZCF-Texas%20Instruments-price-stock-datasheet-PDF-8d2661735cda4c19bbec60a47b8b2bf8.html]AFE5807ZCF  与[url=http://www.ameya360.cn/product-AFE5808ZCF-Texas%20Instruments-price-stock-datasheet-PDF-5bae5cf37b584ac89b673cfa6acb0f01.html]AFE5808ZCF，以及基于ADS1298系列推出的业界首批支持片上呼吸阻抗测量的全面集成型模拟前端ADS1298CZXGT等。
TI心电图（ECG 或 EKG）解决方案
     德州仪器 (TI) 始终致力于帮助客户从容应对任何设计挑战，从而开发出创新的电子解决方案，让未来世界更智能、更健康、更安全、更环保以及更精彩。[/url][/url][/url][/url][/url]

ADS1298CZXGT是全面集成的模拟前端 (AFE) 系列首款产品，以充分满足便携式与高端[url=http://www.cetimes.com/tag-%E5%BF%83%E7%94%B5%E5%9B%BE.html]心电图、[url=http://www.cetimes.com/tag-%E8%84%91%E7%94%B5%E5%9B%BE.html]脑电图设备、患者监护以及消费[url=http://www.cetimes.com/tag-%E5%8C%BB%E7%96%97%E5%BA%94%E7%94%A8.html]医疗应用等需求。该款 8 通道 24 位 ADS1298 电源效率为每[url=http://www.cetimes.com/tag-%E9%80%9A%E9%81%93.html]通道，与分立式方案相比，可将组件数与功耗锐降 95%，同时还能使客户实现最高的诊断准确度。 1 mW[/url][/url] (EEG)[/url] (ECG) [/url]

此前，高功耗的大型设计方案限制了 ECG 与 EEG 设备的便携性。制造商利用 ADS1298 的低功耗与高集成度，可开发出低成本的紧凑型便携式设备。这种方便携带、隐蔽和佩戴的小型设备使医生能够更加轻松地长期监控各种重要参数，在提高患者舒适度的同时，提高临床数据的准确度。”[url=http://www.ameya360.cn][/url]

ADS1298 的主要特性与优势

• 集成了 ECG 与 EEG 前端所需的所有常见特性（具体如下），可简化设计并节省板级空间，组件使用量锐降 95%：
8 个低噪声可编程增益放大器（PGA）；
8 个高分辨率同步采样 ADC；
右腿驱动集成型放大器；
针对威尔逊中心终端（Wilson Center Terminal，WCT）与戈德伯格终端（Goldberger Terminals，GCT）的集成型放大器；
数字计步 (digital pace detection) 功能；
电极检测；
板载振荡器与参照可实现更小尺寸的低功耗应用。
• 每通道功耗 1 mW，与独立式实施方案相比，功耗降低达 95%，从而可提高设备的便携性与患者监护移动性；
• ADS1298 的 4-uVpp（典型值）输入参考噪声远远超过了IEC60601-2-27/51标准的限度，从而可提高便携式设备以及高密度高端 ECG 与 EEG 设备的测量精度；
• 

 

 

ECG 系统功能与发展

ECG 机的基本功能包括 ECG 波形显示（通过 LCD 显示屏或印刷纸媒质显示）、心跳律动指示以及通过按钮控制的简单用户界面。越来越多的 ECG 产品要求具备更多的功能，例如通过便携式媒体存储电子病历、无线/有线传输以及在具有触摸功能的大型 LCD 显示屏上显示 2D/*** 图像。多级诊断功能正在帮助没有受过专门 ECG 培训的医护人员掌握 ECG 模式及某些心脏病的信号指示。在采集并数字化 ECG 信号之后，将发送这些信号以进行显示和分析，其中包括进一步的信号处理。ECG方案TI的处理信号芯片TMS320VC5505介绍

TMS320VC5505 定点DSP它是基于[url=http://www.ameya360.cn/searchprobycates-TMS320VC550-b4778505f67b4cfa836337b251bfa8e2.html]TMS320C55x DSP C介绍PU核的定点DSP,它的C55x? DSP架构可得到高性能和低功耗特性,CPU支持内部总线架构,包括一条可编程总线,一条321位数据总总线和两条16位数据读总线,两条数据写总线和专门用于外设和DMA的其它总线. TMS320VC5505还包括4个DMA控制器,每个四路.时钟为60MHz或100MHz,指令周期为16.67ns或10ns.主要用于无线音频设备,回声消除耳机,手提媒体设备,视频,工业控制,指纹生物学和SDR. 本文介绍了TMS320VC5505的主要特性和方框图以及采用TMS320VC5505的ECG解决方案方框图, ECG前端板详细电路图和所用材料清单(BOM)    低功耗 TMS320C5505 DSP 系列是互补型模拟前端的领先低功耗解决方案。[/url],

TMS320C5505 功耗不足 0.15 mW/MHz，可最大限度地提高便携式患者监护应用的电池使用寿命。这些器件与 TI 全系列模拟信号链及电源管理解决方案进行配合，可为客户提供完整的 ECG 与 EEG 应用信号链，加速产品的上市进程。

 

信号采集挑战：

大的直流偏移和多种干扰信号的出现会导致 ECG 信号的测量面临挑战。典型电极的电压最高可达 300mV。干扰信号包含来自电源的 50/60Hz 干扰、病人活动导致的运动伪影、电外科设备、除颤脉冲、起搏器脉冲及其它监控设备等引起的射频干扰。

ECG 内所需的准确度会随终端设备的变化而有所不同：

标准监控设备需要 0.05-30Hz 之间的频率

诊断设备需要 0.05-1000Hz 之间的频率

可以借助能消除两输入端 AC 线常见噪声的高输入阻抗仪表放大器 (INA) 抵消一些 50Hz/60Hz 共模干扰。为了进一步消除输电线供电噪声，信号凭借放大器通过右腿被反向并向病人驱回。只需少许微电流甚至更少即可实现显著的 CMR 改进并保持在 UL544 限制之内。此外还会使用 50/60Hz 数字陷波滤波器进一步降低干扰。 高输入阻抗仪表放大器 INA333在心电图应用的具体介绍：

 INA333AIDRGR 是微功耗零漂移轨到轨精密仪表放大器,采用单一外接电阻可把增益设定在1到1000之间.工作电压低到1.8V(±0.9V),静态电流仅为50uA,有极低的噪音密度(50nV/ Hz) .

　　用于桥式放大器,心电图(ECG)放大器,压力传感器,医疗仪器和手提仪表,热电偶放大器和数据采集. 
 [url=http://www.ameya360.cn]INA333基本连接电路 



           带右腿驱动的ECG放大框图 



                 单电源非常低功耗的ECG应用电路

[/url]

模拟前端选项：

优化功耗和模拟前端的 PCB 面积对于便携式 ECG 而言非常关键。技术改进后，当前提供了多种前端选项：

使用低分辨率 ADC（需要所有滤波器）

使用高分辨率 ADC（需要较少滤波器）

使用 Σ-Δ ADC（无需滤波器、除 INA 之外的放大器、直流偏移）

使用顺序和同步采样方法。

使用低分辨率（16 位）ADC 时，信号需要被显著增益（增幅通常为 100–200 倍）以达到必要的分辨率。使用高分辨率（24 位）Σ-Δ ADC 时，信号需要 4–5 倍的适度增益。因此可以除去消除直流偏移所需的第二增益级和电路。这将实现面积与成本上的整体缩减。Σ-Δ 方法还将保留信号的整个频率内容，并为数据后期处理提供充分的灵活性。

  电源部分TPS74201RGWR做低噪声电源 单路输出 LDO、1.5A、可调节电压（0.8 至 3.3V）、任意电容或无电容、可编程软启动  

·          

.