实验室电路之用于病人监护的心电图前端

2013-02-19 20:49:49来源: 互联网
    连接/参考器件

  ADAS1000 集成呼吸与脉搏检测的心电图(ECG)前端

  ADP151 超低噪声、200 mA CMOS线性稳压器

  评估和设计支持

  电路评估板

  评估板(EVAL-ADAS1000SDZ)

  系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z)

  设计和集成文件

  原理图、布局文件、物料清单

  电路功能与优势

  本电路是高度集成的心电图(ECG)前端,用于电池供电式病人监护应用。图1显示典型5导联(4个肢体导联和1个心前胸导联)ECG测量系统物理连接的顶层框图,该系统集成了呼吸与脉搏检测功能。这种配置通常用于便携式遥测ECG测量或线路供电式床边仪器的最小导联设置。

  在皮肤表面测量时,ECG信号幅度较小,通常为1 mV.有关病人的健康及其它参数的重要信息都蕴藏在那个小信号之中,因此要求器件具有μV级的测量灵敏度。就系统而言,许多医疗标准都要求最大噪声不超过30 μV p-p;然而,设计人员通常把这一数值定的更低。因此,设计满足系统层面需求的解决方案时,必须考虑所有的噪声源。

  ADAS1000的额定噪声性能针对多种不同的工作环境。电源须经过设计,确保不会降低整体性能。选择ADP151线性稳压器是由于它的超低噪声性能(9 μV rms典型值,10 Hz至100 kHz),配合ADAS1000的电源抑制性能,可确保ADP151产生的噪声不影响整体噪声性能。

  图1. 用于典型4电极 + RLD或5导联配置的ADAS1000简化功能框图(未显示所有连接和去耦)

  电路描述

  ADAS1000五电极ECG模拟前端(AFE)解决新一代低功耗、低噪声、高性能系留式和便携式ECG系统带来的挑战。

  ADAS1000是一款高度集成的芯片,由五个电极输入和一个专用右腿驱动(RLD)输出参考电极组成,专为监控与诊断级ECG测量而设计。

  除了支持监控ECG信号的基本元件,ADAS1000还配备了呼吸测量(胸阻抗测量)、起搏伪像检测、导联/电极连接状态以及内部校准等功能。

  单个ADAS1000支持5个电极输入,轻松进行传统的6导联ECG测量。并联第二个ADAS1000从机设备便可将系统调节到真正的12导联测量(由9个电极和1个RLD组成),若加入多个从机设备(3个或更多),便可将系统调节到15导联测量甚至更多。

  呼吸 ADAS1000集成用于在46 kHz至64 kHz的可编程频率下进行呼吸驱动的数模转换器(DAC),以及用于简化这一复杂测量过程的模数转换器(ADC)。测量信号经解调,转换为幅度和相位信息,可据此确定相应的呼吸信息,从而得到具体的线缆参数。本电路使用内部电容时分辨率为200 mΩ,使用外部电容时具有较高的分辨率(<200 mΩ)。电路具有灵活的开关方案,允许测量三个导联中的一个(I、II或III)。

  起搏检测算法起搏检测算法在四根可能的导联线(I、II、III或aVF)中的三根上运行三个数字算法实例。它与内部抽取和滤波并行针对高频心电图数据运行。该算法设计用于检测并测量宽度范围从100 μs到2 ms、幅度从400 μV到1000 mV的起搏伪像。ADAS1000返回一个标志,用以表示是在一根还是多根导联线上检测到起搏信号,同时返回检测到信号的高度和宽度。当用户希望运行自己的数字起搏算法时,ADAS1000提供了一个高速起搏接口,以极快的数据速率(128 kHz)提供ECG数据,与此同时,标准接口上经过滤波和抽取的ECG数据保持不变。

  低功耗 ADAS1000针对低功耗设计,仅需21 mW便可进行5个ECG电极的测量。若需进一步降低电池供电式动态心电和遥测仪等应用的整体功耗,所有未用到的通道和特性都可轻松禁用,以便进一步将单个ECG导联的功耗降低至11 mW.

    低噪声

  若需在不同条件下进行正确诊断,则低噪声性能至关重要。终端设备需要借助于ADAS1000的噪声性能,以符合监管标准。ADAS1000允许在噪声性能、功耗以及数据速率之间进行权衡取舍,适合用于多种产品之中。在功耗并非主要问题的线路供电式ECG系统中,ADAS1000的性能同样非常出色。

  使用器件的高性能模式可优化其噪声性能,该模式下片上SAR ADC的采样速率上升至2 MSPS,因此具有更高的信噪比(SNR)。

  灵活的数据速率

  标准串行接口可输出所有ECG相关信息,包括导联脱落状态、起搏、呼吸和其它辅助功能。统称“包”或“帧”的大量32位或16位数据字通过数据总线的串行SDO引脚输出。提供不同的数据帧速率(2 kHz、16 kHz或128 kHz),确保最终简化数据采集任务。最低的数据速率(2 kHz)可实现更多抽取功能,并且针对低噪声性能优化了帧数据速率。还可在跳跃模式下读取数据,该模式每次都在第二或第三个字时从设备读取包或帧。数据速率最低为500 Hz.

  ADAS1000评估板连接SDP板的照片见图2.

  评估板设计为提供1导联至12导联ECG测量。

  图2. ADAS1000评估板/SDP板(EVAL-SDP-CB1Z)

  用于便携式ECG应用中的电池

  用于便携式ECG设备中的电池种类各异,在某些情况下可能会用AA或AAA电池,方便更换或充电。

  电池增加了仪器仪表的整体重量。由于病人的舒适度非常重要,因此减少整体解决方案的尺寸和重量并保持电池寿命就成了便携式ECG应用的首要考量因素。

  最新产品倾向于使用化学电池,如锂离子电池,并且电池供电时间可从几小时到几天,具体时间视产品而定。

  电池电压范围取决于系统中元器件的电源范围。ADAS1000需要3.3 V的AVDD.因此,若使用了ADP151稳压器,则电池必须供应至少3.7 V的电源,所需裕量为400 mV.锂离子或锂聚合物电池的标称电压为3.7 V;然而,放电电压大约为3.2 V.因此,需要两个堆栈确保ADP151达到3.7 V的最小电压。

  选择合适的电源解决方案 ADAS1000至少需要两条供电轨--AVDD和IOVDD.如表1所示,ADCVDD和DVDD供电轨是可选的;使用ADAS1000集成的片上LDO,可分别从AVDD或IOVDD供电轨获取电源。

ADAS1000所需的电源

表1. ADAS1000所需的电源

  AVDD和IOVDD在评估板上由3.3 V电源供电。为IOVDD供电轨选择3.3 V,以保持与EVAL-SDP-CB1Z上的SPORT接口兼容。若需要与工作在较低电源电压下的微控制器接口,则IOVDD电源电压可低至1.65 V.

  或者,如果需要电源效率更高的解决方案,可通过ADAS1000上的硬件引脚(VREG_EN)禁用ADCVDD和DVDD内部供电轨,以便通过外部电源驱动ADCVDD和DVDD供电轨。由于ADCVDD供电轨在片上为ADC供电,必须尽量保持其干净,并且一定不能与含有噪声的数字电源一同使用。

  根据具体的工作模式,为单个ADAS1000供电的AVDD供电轨电源电流通常在8 mA和15 mA之间,并使能所有5路通道;可禁用不工作的通道以降低功耗。

  专用的ADP151同时作用于评估板上的AVDD和IOVDD电源。注意每个ADP151都可驱动200 mA电流,因此可为系统内的其它元器件供电。ADP151稳压器的输入来自电路板上供其它用途的5 V供电轨。

  加入适当的滤波后,单个ADP151即可同时提供AVDD和IOVDD供电轨的电源,确保AVDD供电轨不受IOVDD供电轨上的任何数字噪声影响。

  EVAL-ADAS1000SDZ评估板设计成能够以大约250 mA为EVAL-SDP-CB1Z板提供所需的5 V电源。ADP2503降压/升压DC-DC转换器可由连接板卡的4.5 V至5.5 V输入电源产生5 V供电轨。

  若该硬件连接SDP板并由电池供电,则总功耗将很快耗尽电池的电量。

  常见变化

  ADAS1000系列中的其它引脚兼容型ECG前端提供的功能较少。例如,ADAS1000-4是3通道版本,带脉搏与呼吸检测功能;ADAS1000-3提供3路ECG通道但不带脉搏或呼吸检测功能。ADAS1000-2是配套器件,具有5路ECG通道,适用于组合配置模式,支持12导联ECG测量(9个ECG电极和1个RLD)。表2列出了该系列各产品间的差异。这些产品系列确保了灵活的配置,可从较少的导联数一路扩展至15导联测量,甚至更多。

  可将DC-DC转换器用于电源以获得更高的效率,但需谨慎布局布线并避免纹波噪声。

ADAS1000系列不同产品的功能概览

表2. ADAS1000系列不同产品的功能概览

  主接口针对希望使用自有数字起搏算法的用户而提供,参见ADAS1000数据手册中的“第二串行接口”部分。

 电路评估与测试

  设备列表

  需要以下设备:

  EVAL-ADAS1000SDZ套件,包括EVALADAS1000SDZ评估板、5 V壁式电源、含有ADAS1000评估软件的CD

  EVAL-SDP-CB1Z系统演示板

  集成USB端口的PC,且已安装ADAS1000评估软件

  可用于信号捕捉的病人仿真器或函数发生器

  有关如何使用ADAS1000评估板的详细说明,请参考ADAS1000SDZ用户指南。图3显示使用评估板软件的典型屏幕截图,评估板连接病人仿真器。

图3. 连接病人仿真器的ADAS1000屏幕截图,心率 = 70 BPM

  噪声测量 评估板软件用于捕获采用ADAS1000评估板时ECG导联路径的峰峰值噪声性能。结果如图4所示。器件配置条件如下:

  增益设置为1.4

  ADC采样速率为2 MSPS(高性能模式)

  数据速率为2 kHz

  在数字导联模式下配置(数字计算型导联)

  ECG通道连接1.3 V内部测试音

使用ADAS1000评估板和评估软件时导联模式下ADAS1000噪声测量的屏幕截图

  图4. 使用ADAS1000评估板和评估软件时导联模式下ADAS1000噪声测量的屏幕截图

  x轴表示时间,显示几秒内的信号捕获;y轴的单位为μV,表示这些条件下,信号在±7 μV范围内变化的噪声性能。这与期望的ADAS1000性能一致,并且与使用低噪声线性台式电源时相同硬件上的性能相当。它证明了评估板上的ADP151电源电路并未导致ADAS1000整体噪声的显着增加。

  使用本评估板和电路笔记的条件

  有关完整的免责声明,请参考ADAS1000SDZ用户指南。

  本评估板设计基于“原状”提供,无任何形式的明示或暗示性担保,ADI公司及其附属机构、员工、董事、管理层、委托人和代理人不承担使用本板卡或设计造成的任何法律责任。除此之外,双方了解并同意:若可以预料ADI公司产品发生故障或失效可能会导致人身伤害或死亡,则评估板或设计不允许用于安全至关重要的医疗应用中(如生命支持等)。不允许使用本板卡作为诊断目的,不允许将其连接到人类或动物身上。不可在除颤器或其它设备中使用本评估板,因为它们产生的高压将超过板卡上的供电轨电压。

  本评估板仅限评估和开发使用,不可用作最终产品,或作为最终产品的一部分使用。在这些应用中以任何方式使用本评估板或设计,则由使用者自行承担相关风险;由于未经授权使用而给ADI公司、其附属机构、员工、董事、管理层、委托人和代理人带来的全部责任和费用,应由使用方赔偿全部损失。使用方全权负责遵守与此类使用相关的所有法律和法规要求。

关键字:实验室  病人  监护  前端

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2013/0219/article_3500.html
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