基于ADAS1000简化诊断级ECG的应用设计

2011-03-08 21:02:23来源: ADI 关键字:ADI  模拟前端  ECG系统  ADI芯片  ADAS1000  高集成芯片

  在不久前于旧金山召开的2011年度国际固态电路会议上,与会专家纷纷指出电子技术将协助推动医疗护理体系由医院扩大至居家,降低相关成本并提升民众生活质量,而新一代处理器、无线技术、 电池技术与数据采集技术的结合将是实现这样转变的必要条件。

  作为在现代医疗应用中发挥极其重要作用并获广泛使用的检测设备,心电图(ECG)设备一直在见证这样的转变。心电图之父 Willem Einthoven 一百多年前发明第一台真正意义上的心电图设备时,庞大而笨重,需要很多人参与操作才能实现一次心电图检测。而今天,高性能12导联的心电图仪已经可以轻松装入口袋之中。

  作为全球领先的高性能信号处理解决方案供应商及医疗设备行业的长期供应商,ADI 公司近日推出支持 ECG 系统实现监护级和诊断级性能的全集成 AFE(模拟前端)系列芯片的首款产品 ADAS1000,能够测量 ECG 信号、胸阻抗、起搏检测、导联连接/脱落状态,并将此信息以数据帧的形式输出,以可编程数据速率提供导联/矢量或电极数据。ADAS1000的推出再次续写了心电图设备小型化、高性能的发展趋势。

ADAS1000 让 ECG 设计变得如此简单

  图1是 ECG 设计的一个单导联 ECG 系统简化系统功能框图。如果采用分立器件实现 ECG 设计,在模拟前端部分,每个导联都需要实现图中保护电路、缓冲、放大及滤波、ADC 等功能电路模块。工程师独立完成该系统设计将是一个极具挑战性的工作:首先,分立器件的选择需要参考众多的性能指标,包括滤采样速率、带宽、噪声,等等;为使 ECG 测量输出信息可用,必须保证通道之间的一致性;前端信号调理电路与 ADC 之间的匹配;众多的调试点,调试工作量巨大……事实上,除了图中所示的基本功能模块外,用户的设计工作可能还包括:构建 RFI 滤波器以减少诸如手机、广播等的无线干扰;选择合适的阻容器件设定恰当的滤波频率;对敏感器件增加静电屏蔽罩以避免 ESD 干扰,使产品满足 IEC 相关标准要求。

 
ECG 系统框图(单导联)

  采用 ADAS1000 集成模拟前端,上述问题都有效回避!所有的前端信号处理都在单芯片内部实现,用户所需要完成的仅仅是按照系统设计需求,通过数据接口实现关键寄存器的设置。电路设计变得如此简化,只需使用几颗贴片阻容器件即可,可以大大地缩短 ECG 系统设计时间,而模拟前端部分的调试点也从以前分立解决方案的几十个减少到现在的几个,从而让系统调试变得非常简单,加快产品面市。

  高集成度使 ADAS1000 心电图模拟前端的信号链材料清单明显缩减,从原来的多达50个器件减少到只需单芯片 ADAS1000 外加几个分立器件,极大的简化了多电极 ECG 系统的设计。图3是完整的 ADAS1000 评估板,其中红框中的电路是多通道 ECG 模拟前端部分,该电路中采用了两块 ADAS1000 芯片(为简化测试结果的显示,其中一块未贴片)以实现多导联扩展。从图中可以看到电路非常干净(为方便测试,电路中增加了额外器件和布局考虑)。

 
ADAS1000内部功能框图

  ADAS1000 还能支持 ECG 的无缝扩展。ADAS1000 很好地解决了通道间的一致性问题,针对更多导联的应用需求,您可以灵活地利用多块 ADAS1000 轻松实现系统的扩展,高一致性让信号看起来就像来自同一块芯片,几乎不增加系统的开发和调试难度。

  ADAS1000 的其它主要特性和优势包括:直流耦合通道方案具有简化输入切换、增加功能、降低功耗和独特的后处理优势;5个 ECG 电极测量的工作功耗仅19mW,可以方便地禁用任何不用的通道或特性,使一个导联的最低功耗仅11mW;低噪声性能(0.05 Hz至150 Hz范围内10 µV峰峰值)支持终端设备监管标准;提供不同的数据帧速率(2kHz、16kHz、128kHz),最大程度地简化数据采集任务;能够简化整体设计,去除许多分立器件,并缩减系统整体尺寸、降低功耗、缩短开发时间。该器件还集成了起搏器脉搏检测和呼吸测量功能,这些特性对于高性能 ECG 系统至关重要。

 
基于 ADAS1000的开发评估板
高集成度而不失设计灵活性

  高集成度的优势通常以缺乏设计灵活性为代价,然而 ADAS1000 在某种程度上让设计师更具设计灵活性,因为用户几乎可以利用 SPI 数据接口通过对寄存器配置,实现针对任何一个环节的相关特性进行设定,包括滤波器带宽设定、数据速率设定、采样速率设定、通道禁用,等等。

  心电图设备针对不同的应用有不同的要求,例如家用的便携性、低功耗和低成本,而诊所和医院对设备的特性和性能要求更高。借助高度集成的 ADAS1000 AFE,设计人员将能开发出更紧凑、更便携的新一代 ECG 系统,也可以提供有效分析病人心脏状况所需的诊断级精度。该器件可以针对噪声性能、功耗或数据速率进行优化配置,适合家用、救护车和临床 ECG 系统。

  功耗是便携式 ECG 最重要的指标。对于便携式的动态心电图监测仪,通常病人需要随身携带连续一星期或几天以了解心脏的跳动规律,真正判断心脏部位的健康状况。对于这一类 ECG 市场来说,一般至少要保证8到10个小时的设备续航能力,就目前的锂电池容量来看,这对系统的功耗设计是一个挑战,设计工程师必须对系统中每一个用到的器件都要提出严格的功耗预算。ADAS1000 在设计时充分考虑到了这一点,可以最大程度地实现功耗和性能的均衡考虑。为降低功耗,用户在使用 ADAS1000 时可以方便地禁用任何不用的通道或特性,可以关闭信号采集通道,降低采样速率,或采用不同的数据帧速率,从而可以使一个导联的最低功耗低至11mW。此外,ADAS1000采用了一种灵活的功耗/噪声调整选择,可以针对特定应用以容忍适当噪声来降低功耗,或以提高功耗为代价降低噪声。

全面技术支持助您轻松实现系统设计

  在推出集成模拟前端子系统 ADAS1000 芯片同时,ADI 还提供了 ADAS1000 的全功能评估板,它包括该 AFE、电源、用于简化开发和制造的控制与接口选项,并且能够配置该 AFE(从5导联到12导联)进行最终部署。包括全功能评估板和评估软件平台在内的该套演示评估系统是对 ADAS1000 芯片进行性能评估的良好工具,板上两片 ADAS1000 可支持演示1到12导联系统(需软件支持),而完整的 USB 控制软件可让用户方便地对芯片进行配置以及对 ECG 信号和呼吸信号的观察和分析;5V板上电源,两片 ADP151 提供 ADAS1000 的通电需要;可选的在 CEG 通路上的 R&C 电路使得用户可以按照系统要求灵活调整自己的滤波及线缆模式。为了简化制造测试、开发以及提供整体上电测试,ADAS1000 通过 CAL DAC提供一套直流和交流测试激励、CRC 冗余测试,以及对所有相关寄存器地址空间的回读功能。

  ADI 可以为 ECG 系统设计者提供除电极以外的全套配套器件,包括 Blackfin® DSP(数字信号处理器)、单芯片 USB 隔离器 ADuM4160、四通道数字隔离器 ADuM2401、5kV DC/DC 转换器ADuM6000、收发器 ADF7023、线性调节器 ADP150 和 ADP151。

  除了提供演示评估系统和配套器件外,ADI 专门针对医疗电子应用成立的健康保健事业部汇集了全球具有丰富医疗电子应用设计经验的专家,他们可以为 ECG 产品系统设计提供更具针对性的专业建议,解决设计难题。

ADI助力中国厂商进军 ECG 市场

  与五大巨头(GE、日立、飞利浦、西门子和东芝)瓜分主要蛋糕的全球 CT 市场不同,心电图市场的全球主要供应商达数十家,更有数以百计的中小规模制造商。因此,对于近年来迅速成长的中国本土医疗设备企业来说,快速增长的全球 ECG 市场是最具发展前景、更具竞争机会的市场之一。

  ADI 拥有全球领先的模拟和数字技术,并将医疗电子作为重点关注的领域之一,ADI 公司更在四年前成立了专门的健康保健事业部以加强在该领域的持续技术领先性和技术服务能力。ADAS1000 产品的推出正是根据当今 ECG 产品发展的特殊需求开发的高集成度芯片,高集成度、优化的前端方案带来的简化设计优势和快速产品面市将有助于中国厂商的加入全球市场竞争,将推动 ECG 设备市场的新一轮革新。 

关键字:ADI  模拟前端  ECG系统  ADI芯片  ADAS1000  高集成芯片

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2011/0308/article_1906.html
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