高可靠性心脏监护仪设计详解

　　前言

　　提升生活品质当然是改变日常生活方式开始，但是，监视健康参数和具体的营养方案有助于降低高血压、血脂异常和肥胖症的发病率。改变生活方式对年轻人同样有益。美国运动医学会 （ACSM）发布一些国际健康生活方式指引并在美国高中执行。如果不改变日常生活方式，当步入中年时，周运动量将会少得可怜。事实上，周运动量少于1小时的中年女士死于心血管疾病的概率是运动量较多的同龄女士的两倍 （见图 1）。

　　既然监视生活方式和健康参数已成为正确诊断病症的重要因素，本文将介绍一个新的能够监视心脏及其间接参数的仪器。

图 1： ACSM推荐高品质的生活

　　全世界各国的医疗保健支出都在增长，呼声越来越高的慢性病和传染病预防治疗方案是各国政府需要解决的问题，这使科医疗健康向所谓的“病患保健与自理”方向发展。病患几乎不再被动接受医生的护理建议，而是在医生的指导下，能够更好地自理。这就产生一种有健康意识的很多政府机关和独立组织也提倡的生活方式。

　　图 2： 床式心电监护系统

　　这一新的设想适用于越来越多的保健站（PoC）。保健站分布在城市的乡镇和村庄中，被视为进入公共医疗健康组织的第一个入口，人们想要在保健站咨询配备快速诊断工具的医疗人员。其中，心电监护仪（ECG）是最基本的诊断仪器。保健站的心电监护仪通常是电脑辅助型心电监测机，这种机型沿用传统床式心电监护系统（图2）的模拟子系统，使用PC机处理并显示数据。在这种硬件配置中，PC机扮演两个重要角色：保存和检索心电数据；管理系统采集的数据。

　　最近的研究证明，连续诊断反馈数据可增强人们持续改进生活方式的意志。健康远程监护显然是个人医生与病患保持直接联系的解决方案。

　　意法半导体的 D-ECG心电监护仪方案

　　电极是采集心电数据的传感器（图3），将活的生物组织内的离子电流转换成电子医疗仪器的模拟前端能够检测的电子电流。为理解心电图等生物电信号产生的原因，我们应该考虑下面几个要素：

　　1. 心肌细胞的电活动；被置于与体液成份相同的同质水浴培养基中的单个心肌细胞的电活动导致的细胞外电势；

　　2. 置于一个大型含体液离子成份的导电介质中的大量心肌组织的电活动导致的细胞外电势；

　　3. 这些细胞外电势与身体表面记录的总电活动即心电图信号之间的关系

图3： 心电信号波形

　　对诊断有重要意义的心电信号频率范围在0.05－250 Hz之间，为确保完美捕获信号，模拟前端必须能够放大心电图信号，滤除非生物信号（例如，电源线噪声）以及无关的生物干扰（例如EMG），并集成一个在 80 – 120 dB范围内共模抑制比（CMMR）优异的高增益差分放大器。

　　在心电监护系统内，计算机存储器、显示器和打印机都是用于保存和显示心电数据。心电监护仪的电极通常情况下被固定在患者身体上（见图2） ，这些电极连线被称之为导联线（I， II， III， aVR， aVL， aVF， V1， V2，V3， V4， V5， V6）。

　　例如：

　　· 导联 I = RA – LA （右臂 – 左臂）

　　· 导联 II = RA – LF （右臂 – 左脚）

　　· 导联 III = LA – LF （左臂 – 左脚）

　　· aVR 是在右臂取得：

　　· aVL 是在左臂取得：

　　· aVF是在左腿取得：

　　· V1 是置于胸骨右缘第四肋间的电极与VWCT的差值

    · V2是置于胸骨左缘第四肋间的电极与VWCT的差值

　　· V3是置于V2和V4间隔处的电极与VWCT的差值

　　· V4 是置于锁骨中线与第五肋间相交处的电极与VWCT的差值。

　　· V5是置于左腋中线水与第五肋间相交处的电极与VWCT的差值。

　　· V6是置于腋中线水与第五肋间相交处的电极与VWCT的差值

　　其中 VWCT是虚拟参考点，又称威尔逊导联中心点（WCT）：

图 4： HM301D框图

　　意法半导体HM301D （见图 4）是一个适合的心电信号采集方案，除前文提及的必备功能外，还具有一系列全集成可配置的数字带通滤波器，让医疗人员能够选择性分析心电波形。

　图 5： 多片结构

　　经过滤波和处理后，心电数据通过SPI端口传至外部微控制器。每个HM301D芯片都包含三个完整的心电差分通道，最多可将4个HM301D芯片连接在一起，构成一个多导联心电监护仪（见图5）。

　　全球有大约300万人使用起搏器，像心电监护仪这样的诊断类仪器必须支持起搏器脉冲分析。HM301D有两个起搏器专用通道，每条通道提供10 kHz带宽和起搏脉冲检测可调功能。

　　除心电分析功能外，HM301D具有全集成的阻抗测量通道，提供体重和呼吸速率计算所需的功能。 HM301D通过心电监护仪的两个电极向人体发射高频方波弱电流，然后测量最终的电压。基于数字带通滤波器的IQ调制/解调技术提供与呼吸相关的时变频率成份中的现实频率和设想频率，以及与体重有关的非时变频率成份。

　　其它功能特性包括右腿驱动器、WCT驱动器、屏蔽驱动器和一个输入连接矩阵。低压电源和低功耗还使该芯片特别适用于电池供电装置。

　　HM301D评估板： STEVAL-IME002Vx

　　STEVAL-IME002Vx是一系列基于HM301D诊断级模拟前端芯片的评估板。HM301D是意法半导体针对生物电和生物阻抗测量推出的新产品。

图 6： STEVAL-IME002V1评估板

图7： STEVAL-IME002V2评估板

　　该系列评估板共有STEVAL-IME002V1 和 STEVAL-IME002V2两款产品，分别用于演示HM301D在心电监护仪（或病患监护系统） （ECG）和自动体外除颤器（AED）中的性能表现。

　　这两款电路板还搭载一个32位的STM32微控制器，用于管理HM301D的SPI协议和电路板与PC机之间的USB通信。两款电路板都能配合专用PC机软件图形用户界面，演示不同的应用配置的工作情况。

　　为优化硬件开发，两款电路板几乎相同；唯一不同之处是板载元器件，通过比较图6和图7，我们很容易看出不同之处。

　　STEVAL-IME002Vx评估板通过SPI菊花链拓扑最多可连接三个 HM301D芯片，因此，STEVAL-IME002V1可能有1个、2个或3个HM301D芯片，分别用U1、U2和U3表示；STG3692 （低压高带宽四通道SPDT开关）用于管理三种配置之间的开关。三个芯片连接只能使用菊花链拓扑。换句话说，在没有U1时，无法使U1和U2工作。准许开关顺序是U1；U1和 U2； U1、U2和 U3。

　　HM301D的每一条输入线上都有ESD保护器件ESDALCL6-2SC6，该器件符合IEC61000-4-2 规范的4级保护标准。

　图 8： 板上连接逻辑图

　　图8的硬件框图描述了板上所有元器件之间逻辑连接线路，同时图10给出了元器件在电路板上的布局。

图 9： SPI菊花链

　　图9所示是STM32F103CBT6外设与HM301D芯片之间的逻辑连接图，其中STM32F103CBT6是SPI总线的主控制器，负责管理SPI开关通道（通过STG3692），开关微控制器与SDO信号的连接线路。

图10： STEVAL-IME002Vx电路板布局

　　为评测HM301D芯片的不同工作模式，评估板准许第一个 HM301D （U1）的采用双极或单极连接模式，而另外两个HM301D （U2和 U3）的连接始终采用单极模式。

　　表1：首个基于 HM301D的接收定位输入配置

　　特别是在STEVAL-IME002V1电路板上，U1被配置成采集艾因特霍芬（Einthoven）正三角形信号，其极点是LA （左臂）、 RA （右臂）和LL（左腿），三个极点直接连接U1。此外，RL （右腿）是电势的参考电极，与U1的9号针相连。这种连接方式使心电图正面肢体导联线数据检索变得十分容易。事实上，导联线 I 是LA与RA的电势差；导联线 II是LL与RA的电势差；导联线III 是LL与LA的电势差。导联线的连接是由电阻R1、R2、R3和R15控制（见表1）。

　　传统临床心电图机多数使用单通道放大器，其数据记录系统准许通过一个多点开关选择所需的导联线连接方式。STEVAL-IME002V1评估板上的HM301D芯片可记录所有导联（I， II， III， V1， V2， V3， V4， V5， V6）数据 ，并通过图形用户界面的参数设置功能，将采集到的数据送入生物电位放大器放大。用户还可以在PC机上记录心电导联数据。

　　电极V1、V2、V3假如存在，通过单极方式连至U2，电极 V4、V5、V6单极连至U3。U2和U3芯片的连接方式都是单极模式，以主设备（U1）的 WCT为参考信号。

　　特别注意的是，STEVAL-IME002V2电路板上只安装U1，并被配置成仅采集导联I，即LA与RA的电势差。

　　一旦按照表1完成必要的配置后，评估板即可投入使用。事实上，电路板还有配套的STM32固件，使STM32微控制器能够从HM301D检索所有的心电信号， 通过USB数据线传送到PC机。

　　该评估板还为客户提供一个图形用户界面（GUI）的PC软件，该软件可设置心电监护仪系统的参数（见图11），并在显示屏上绘制所采集信号的波形（见图12）。

图11： EDEN界面主窗口

　　用户可以轻松打印心电数据或保存到本地磁盘，以备深入分析或治疗后诊断。

　　此外，软件图形界面还能检索HM301D阻抗通道的信息，测量人体阻抗以及因呼吸而引起的各种变化。

　　STEVAL-IME002Vx评估板上的HM301D还能测量保护器件和电路板本身产生的串联电阻。用户必须考虑这个参数。在对话框的右侧（见图12），用户可以看到导联线断开检测和相关阻抗。导联线断开检测是连续检查置于人体上的电极的连接状况，当相关标志变红色时，用户必须查看电极在病患身体上的物理连接状况。

图 12： 心电数据绘图窗口

　　结论

　　本文介绍意法半导体的心电监护仪模拟前端解决方案，该设计对医疗保健站很有价值，代表了心电监护应用模拟前端的最新成果。其模块化及其固件和软件帮助用户轻松设计属于自己的前端芯片。