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走進(jìn)高精度微弱生物信號檢測的世界

本文系統(tǒng)介紹了心電圖作為一種歷史悠久的心臟表征信號的相關(guān)核心概念，心電圖采集的模擬前端電路的常見技術(shù)路線及曦成獨(dú)有方案的特點(diǎn)，以及心電圖應(yīng)用的相關(guān)主要設(shè)備形態(tài)及其普遍性的要求。通過這篇文章，你可以了解心電圖作為一種源自醫(yī)學(xué)的信號的關(guān)鍵信息，知道不同應(yīng)用設(shè)備對心電圖測量的要求，從而有助于挑選合適的模擬前端采集芯片，做好相關(guān)的心電應(yīng)用的設(shè)計(jì)考量與取舍。

心電圖概述

心電圖（ECG或EKG）是反映組織化、集合化的心肌細(xì)胞有序生理電除極所形成的生物電波形，本質(zhì)上是一種特殊的肌肉電信號；不同處在于肢體肌肉電信號是一種分散化、無序化的生物電波形，因而體現(xiàn)了不同的波形形態(tài)。類似也可以拓展至胃電、腸電、眼電等。腦電是另一種不同形態(tài)的神經(jīng)細(xì)胞組織成的生物電反映，研究偏少不在本文關(guān)注的范圍內(nèi)。

心房、心室周期性地除極、復(fù)極，形成規(guī)律性的體現(xiàn)為PQRST波的心電圖波形；進(jìn)一步通過不同電極組合形成心臟不同角度、部位的特定導(dǎo)聯(lián)心電圖，從而形成了我們常說常做的醫(yī)院中的十二導(dǎo)聯(lián)心電圖。

心臟的結(jié)構(gòu)決定了功能，并決定了PQRST波是心電圖的基本必要特征。無論從哪一個(gè)角度觀測形成有效的心電圖波形，都應(yīng)該具有PQRST波的特征，但是在具體形態(tài)上會有差異和側(cè)重。為了全面地了解心臟不同角度、部位的健康狀態(tài)，特別是覆蓋一些較難觀測的心臟疾病，醫(yī)院的檢查，采用并且仍在延續(xù)標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)心電圖的方式：這部分是由于檢查標(biāo)準(zhǔn)及方法受限于歷史經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)的原因，在過去也由于檢測手段及方式技術(shù)上的原因，沒法做到便攜化的生活化的監(jiān)測及采集。

心電圖采集模擬前端技術(shù)

模擬前端（AFE）電路是心電圖采集中的關(guān)鍵，他的主要作用是將微弱心電信號進(jìn)行高精度放大、濾波、適應(yīng)人體參數(shù)的阻抗匹配、以及抵抗外部環(huán)境干擾。過往由于歷史沿革所限，醫(yī)院的生物電采集模擬前端技術(shù)主要在于高精度放大、濾波、以及合適的共模抑制比參數(shù)，并沒有很好的適應(yīng)人體參數(shù)和抵抗外部環(huán)境干擾的特性（很大原因在于醫(yī)院的測量環(huán)境通過濕電極測量及室內(nèi)人體靜息狀態(tài)測量的方式進(jìn)行，弱化了適應(yīng)人體參數(shù)及抵抗環(huán)境干擾的要求）。從而從醫(yī)院場景衍生出了兩種模擬前端（AFE）電路結(jié)構(gòu)，他們都具有高精度放大和濾波的特性，但是針對醫(yī)院外便攜式生活化的采集及監(jiān)測需求欠佳。

直采型算法濾波AFE。一般又稱作直流耦合式（DC-Coupled）結(jié)構(gòu)，以TI的129X、4900等芯片為代表。ECG的測量主要通過一個(gè)高分辨率的ADC承載（一般需要20bit以上分辨率），前端放大部分倍數(shù)較小（常見6倍左右）；由于在AFE內(nèi)部未做濾波，因而后級處理需要一個(gè)算力較高的數(shù)字信號處理單元或算法去進(jìn)行濾波或波形提取等處理。他的特點(diǎn)是在信號處理算法的加持下可以對心電信號進(jìn)行較靈活的處理，原始信號頻率成分更豐富保真度較高，適合醫(yī)院設(shè)備使用；缺點(diǎn)是依賴較高算力的后級主控，波形具有延時(shí)性，AFE由于對ADC分辨率和采樣率的要求功耗較高，以及高精度放大依賴的校準(zhǔn)導(dǎo)致芯片成本較高。

放大型電容濾波AFE。一般又稱作交流耦合式（AC-Coupled）結(jié)構(gòu)，以ADI的8232、8233等芯片為代表。AFE對ECG信號提供了一個(gè)較高的低噪的放大倍數(shù)（常見100倍以上），由于高倍放大后依然保持了較低的噪聲，因而極大降低了后級ADC分辨率的要求，一般12bit即可滿足系統(tǒng)噪聲要求（曦成產(chǎn)品可以做到后級10bit的ADC依然保持醫(yī)標(biāo)級系統(tǒng)噪聲）。另外，這種AFE過去一般通過外接片外大電容的方式構(gòu)造系統(tǒng)零極點(diǎn)去嵌入硬件濾波功能；優(yōu)點(diǎn)是濾波實(shí)時(shí)性好波形無延時(shí)，缺點(diǎn)是靈活性較差，如果需要修改濾波參數(shù)（常見的需求是為了波形穩(wěn)定性要求改變高通頻點(diǎn)），必須修改硬件。此外這種AFE由于內(nèi)部非對稱反饋環(huán)路的原因，在提供較高增益的同時(shí)無法通過校準(zhǔn)匹配提高較多共模抑制能力，從而降低了芯片的共模抑制比及共模抗干擾能力。這種AFE一般具有較低的功耗。

放大型共模鉗位AFE。曦成半導(dǎo)體創(chuàng)新的提出了放大型共模鉗位AFE的結(jié)構(gòu)并通過諸多細(xì)節(jié)創(chuàng)新將其實(shí)現(xiàn)為產(chǎn)品。這種AFE本質(zhì)上也算作交流耦合式類別，但不同于片外電容濾波的方式，采用了電阻濾波的方式高集成于芯片中，省去了片外電容無法靈活變更的苦惱，簡潔易用，同時(shí)具有較低的功耗。公司方案的另一大創(chuàng)新在于，針對以往產(chǎn)品如ADI中內(nèi)部非對稱反饋環(huán)路，改制成了對稱的一種共模鉗位反饋環(huán)路，從而使得可以在提供較高增益的同時(shí)具有很好的共模抑制能力，穩(wěn)定共模輸出，提高外部抗干擾能力。這種對稱結(jié)構(gòu)也使得芯片輸入阻抗可以得到極大提高，很好地適應(yīng)人體參數(shù)變化。

這三種技術(shù)路線AFE的特點(diǎn)及應(yīng)用要求可以總結(jié)如下表。