集成模擬前端子系統ADAS1000簡化診斷級ECG應用設計
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集成模擬前端子系統ADAS1000簡化診斷級ECG應用設計  2012/3/1
在不久前于舊金山召開的2011年度國際固態電路會議上,與會專家紛紛指出電子技術將協助推動醫療護理體系由醫院擴大至居家,降低相關成本并提升民眾生活質量,而新一代處理器、無線技術、 電池 技術與數據采集技術的結合將是實現這樣轉變的必要條件。   作為在現代醫療應用中發揮極其重要作用并獲廣泛使用的檢測設備,心電圖(ECG)設備一直在見證這樣的轉變。心電圖之父 Willem Einthoven 一百多年前發明第一臺真正意義上的心

在不久前于舊金山召開的2011年度國際固態電路會議上,與會專家紛紛指出電子技術將協助推動醫療護理體系由醫院擴大至居家,降低相關成本并提升民眾生活質量,而新一代處理器、無線技術、 電池 技術與數據采集技術的結合將是實現這樣轉變的必要條件。

作為在現代醫療應用中發揮極其重要作用并獲廣泛使用的檢測設備,心電圖(ECG)設備一直在見證這樣的轉變。心電圖之父 Willem Einthoven 一百多年前發明第一臺真正意義上的心電圖設備時,龐大而笨重,需要很多人參與操作才能實現一次心電圖檢測。而今天,高性能12導聯的心電圖儀已經可以輕松裝入口袋之中。

作為全球領先的高性能信號處理解決方案供應商及醫療設備行業的長期供應商,ADI 公司近日推出支持 ECG 系統實現監護級和診斷級性能的全集成 AFE(模擬前端)系列芯片的首款產品 ADAS1000,能夠測量 ECG 信號、胸阻抗、起搏檢測、導聯連接/脫落狀態,并將此信息以數據幀的形式輸出,以可編程數據速率提供導聯/矢量或電極數據。ADAS1000的推出再次續寫了心電圖設備小型化、高性能的發展趨勢。

ADAS1000 讓 ECG 設計變得如此簡單

圖1是 ECG 設計的一個單導聯 ECG 系統簡化系統功能框圖。如果采用分立器件實現 ECG 設計,在模擬前端部分,每個導聯都需要實現圖中保護電路、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設計將是一個極具挑戰性的工作:首先,分立器件的選擇需要參考眾多的性能指標,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;前端信號調理電路與 ADC 之間的匹配;眾多的調試點,調試工作量巨大……事實上,除了圖中所示的基本功能模塊外,用戶的設計工作可能還包括:構建 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定恰當的濾波頻率;對敏感器件增加靜電屏蔽罩以避免 ESD 干擾,使產品滿足 IEC 相關標準要求。

ECG 系統框圖(單導聯)

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部實現,用戶所需要完成的僅僅是按照系統設計需求,通過數據接口實現關鍵寄存器的設置。電路設計變得如此簡化,只需使用幾顆貼片阻容器件即可,可以大大地縮短 ECG 系統設計時間,而模擬前端部分的調試點也從以前分立解決方案的幾十個減少到現在的幾個,從而讓系統調試變得非常簡單,加快產品面市。

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 系統的設計。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(為簡化測試結果的顯示,其中一塊未貼片)以實現多導聯擴展。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,針對更多導聯的應用需求,您可以靈活地利用多塊 ADAS1000 輕松實現系統的擴展,高一致性讓信號看起來就像來自同一塊芯片,幾乎不增加系統的開發和調試難度。

ADAS1000 的其它主要特性和優勢包括: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,使一個導聯的最低功耗僅11mW;低噪聲性能(0.05 Hz至150 Hz范圍內10 µV峰峰值)支持終端設備監管標準;提供不同的數據幀速率(2kHz、16kHz、128kHz),最大程度地簡化數據采集任務;能夠簡化整體設計,去除許多分立器件,并縮減系統整體尺寸、降低功耗、縮短開發時間。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 系統至關重要。

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