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便携式ECG介绍及相关TI产品推荐

关键词:智能医疗 便携式心电监测

时间:2021-03-22 10:20:47      来源:网络

近年来,中国心血管病患病率及死亡率仍处于上升阶段,而实时的便携式心电监测能够及时地发现异常心电信号,提醒人们提前就医,避免危险病情的发生,因此近年来心电监测市场十分火热。TI在心电监测领域耕耘多年,从心电采集ADC,低功耗的电源到无线传输,均有相应的解决方案。所以,本文将为您介绍TI在ECG应用中的相关产品,帮助您快速完成硬件设计。

TI现场应用工程师苏智超
 
近年来,中国心血管病患病率及死亡率仍处于上升阶段,而实时的便携式心电监测能够及时地发现异常心电信号,提醒人们提前就医,避免危险病情的发生,因此近年来心电监测市场十分火热。TI在心电监测领域耕耘多年,从心电采集ADC,低功耗的电源到无线传输,均有相应的解决方案。所以,本文将为您介绍TI在ECG应用中的相关产品,帮助您快速完成硬件设计。

一.心电导联数量与ADC选型之间的联系

TI心电信号检测相关的ADC有很多,通道数也不尽相同,那究竟该选择哪一颗产品,往往会令人困惑,所以第一部分,我们总结了不同心电产品和TI ADC产品之间的关系,帮助大家理解并快速完成选型。

1.单导联心电ADS1291/ADS1292R

(1).  用途

单导联心电图是由一对心电电极所采集到的单路心电信号,应用在产品中常见的是胸前导联和双手导联,胸前导联适用于长时间的心电监测,最长一般有14天的连续记录,双手导联一般适用于短时实时的心电测量,体积小巧,方便随身携带,一般属于家用心电记录仪。单导联的心电图能初步筛查心脏早搏、房颤及各种心律不齐的心电表现。由于是单导联,所以一般不用做诊断,但是心脏病多有瞬发性,及时捕捉异常心电信号,对后续医生的判断也是意义的。单导联心电主要目的在于未病早发现和术后随访。

(2).  电极分布及导联示意

Lead I: I = LA – RA,LA是left-arm电极, RA是right-arm电极。



图 1 单导心电图连接

ADS1292R:单导联+呼吸检测,通道1被用来做呼吸检测。至少需要2个电极,右腿驱动的输出电极可以与LA或RA共用。


图 2 ADS1291, ADS1292R内部架构及外部连接方式

(3). TI相关参考设计

多参数患者生命体征监护仪前端参考设计

用于个人健康监视的多参数、生物信号监视器参考设计

2. 三导联、五导联心电ADS1292,ADS1293,ADS1295:

(1). 用途

三导联或五导联心电一般用来做24小时的心电信号记录。这个24小时的数据是诊断心脏问题的常用工具。

(2). 电极分布及导联示意

导联名称:

Lead I: I = LA - RA

Lead II: II = LL – RA

通过Lead I和Lead II可以求出以下导联:

Lead III: III = LL - LA

aVR = -(I + II)/2 = RA - (LA + LL)/2

aVL = I - II/2 = LA - (RA + LL)/2

aVF = II - I/2 = LL - (RA + LA)/2

WCT(Wilson Central Terminal) = (RA + LA + LL)/3,五导联中,一般会加一个胸部导联,Lead V1威尔逊中心节点会作为胸部导联的参考电压。胸部导联Lead V1 = V1 – WCT。


图 3 三导联心电图连接

ADS1292做三导联:

至少3个电极,右腿驱动的输出电极可以与LA,RA或LL共用。大部分的设计中,3导联就是三个电极。测量两个导联Lead I和Lead II,还可以算出另外4个导联。所以,ADS1292的五导联是需要用软件计算得出来的。

ADS1293做三导联:

同ADS1292。


图 4 ADS1293 三导联心电连接图

ADS1293做五导联:

实际上5个电极可以获得6个导联的信号,有一个电极还是右腿驱动。一般来讲5导联需要加一个胸导。


图 5 ADS1295 五导联心电连接图

(3).  TI相关的参考设计

具有蓝牙低能耗特性的无线心率监测器

3. 十二导联心电ADS1298

12导联心电图结合了Einthoven,Goldberger和Wilson的导联系统,从而提供有关垂直和水平方向心脏的信息。 12导联心电图是诊断心电图的黄金标准。使用12导联心电图,基本上可以测量所有心脏活动。目前在便携式心电中常见的形式是绑带形式。

 

12导联

定义

Lead I definition

LA – RA

Lead II definition

LL –RA

Lead III definition

LL-LA

aVR definition

-(I + II)/2

aVL definition

I - II/2

aVF definition

II - I/2

Lead V1 definition

V1 – WCT

Lead V2 definition

V2 – WCT

Lead V3 definition

V3 – WCT

Lead V4 definition

V4 – WCT

Lead V5 definition

V5 – WCT

Lead V6 definition

V6 – WCT

电极数量

10


图 6 十二导联心电图连接

参考设计:ADS1298ECG 模拟前端性能演示套件

4. 十二导联以上心电ADS1294, ADS1296, ADS1298

在一些应用中,需要获得更多的导联信息以获得更全面的心脏活动信息。例如,十八导联心电能够同步观察左心室各壁,右心室等全部心室的心电情况。一般可以使用2片ADS1298。

针对于其它导联数量的需求,有时还需要呼吸检测(需要使用尾缀带R的版本),ADS1294,ADS1296,ADS1294R, ADS1296R一般用在大于十二导联上,组合起来一起使用,一般来讲增加的导联数量都是胸导。

二. ADS129X系列的外围器件推荐

1.电源

对于这个系列的产品而言,ADC需要两个电源供电,一个是模拟部分的供电,一个是数字部分的供电。因为模拟部分和数字部分都是一个范围供电,对于不同的客户而言,会结合电极的输出信号范围,选择单极性电源或双极性电源以及电源的幅值。

单极性电源:

模拟供电:2.7V-5.25V,数字供电:1.65V-3.6V

5V转3.3V,推荐TPS7A20,静态电流极低仅有6.5uA,同时用法非常简单。


图 7 TPS7A20应用示例

在两节干电池的便携式ECG中,还会需要一个升压芯片TLV61220至3.3V给数字部分供电,然后再用TPS7A20降压至3.0V作为模拟供电。

TLV61220:静态电流只有5.5uA,在典型工作条件下效率高达 95%,能够满足便携式ECG长时间使用的需求。



图 8 TLV61220应用实例及效率曲线

双极性电源供电:

一般来讲,+-2.5V会从3.3V往下转,这里我们推荐一个电荷泵TPS60403,先把3.3V转成-3.3V,然后TPS72301从-3.3V转成-1.8V。


图 9 TPS60403和TPS723应用实例

2.蓝牙芯片

目前,在便携式ECG中,数据除了需要存储在SD卡中以外,也需要能够通过蓝牙把数据传输至手机端。下面是我们目前在便携式ECG中主推的3颗蓝牙,基本指标如下对比表所示。

 

CC2640R2L

CC2640R2F

CC2642R

Protocols

Bluetooth 5.1

Bluetooth 5.1

Bluetooth 5.1

Type

Wireless MCU

Wireless MCU

Wireless MCU

CPU core

Arm Cortex-M3

Arm Cortex-M3

Arm Cortex-M4F

Features

LE 1M PHY

LE 1M PHY

LE 1M PHY

LE 2M PHY

LE 2M PHY

LE 2M PHY

LE Coded PHY (long range)

LE Coded PHY (long range)

LE Coded PHY (long range)

 

 

BLE Mesh

 

 

Direction finding/AoA

RAM (KB)

20

20

80

Flash (KB)

128

128

352

GPIO

15

10

31

31

14

 

15

 

31

Peripherals

1 UART

1 UART

12-bit ADC 8-channel

12-bit ADC 8-channel

12-bit ADC 8-channel

2 SPI

2 SPI

2 SPI

2 UART

2 comparators

4 timers

4 SPI

4 timers

8-bit DAC

4 timers

8-bit DAC

I2C

8-bit DAC

I2C

I2S

I2C

I2S

Sensor controller

I2S

Security

Cryptographic acceleration

Cryptographic acceleration

Cryptographic acceleration

Debug security

Debug security

Debug security

Device identity

Device identity

Device identity

Software IP protection

Software IP protection

Software IP protection

(1).  CC2640R2L


图 10 CC2640R2L内部资源

(2).  CC2640R2F


图 11 CC2640R2F内部资源

(3).  CC2642R


图 12 CC2642R内部资源

3.充电管理芯片

目前从市场的应用上看,主要以干电池或纽扣电池为主,使用锂电池供电的方式并不多。主要的原因是,当前便携式ECG的主要应用场景还是在医院监测病人的心脏状况,所以对设备使用的及时性就显得更加重要,对锂电池的充电显然没有干电池或者纽扣电池换电更迅速。

这里我们推荐一颗新产品:适用于可穿戴设备和物联网的低 IQ 高度集成电池充电管理解决方案BQ25125,它的主要优势在于,集成了一颗降压芯片buck和一颗LDO,可以满足ADS119X和ADS129X系列的电源轨需求,同时,超低的静态电流也能保证产品的续航时间。


图 13 BQ25125典型应用框图

4.电压参考

当采用3V 电源时,VREF = (VREFP – VREFN) =2.5V,当采用5V 电源 VREF = (VREFP – VREFN)= 4.096V。

这里我们推荐REF5025和REF5040即可,目前根据市场上的使用情况来看,ADC内部的参考就可以满足使用的需求。

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