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Other Parts Discussed in Post: ADS1291, ADS1292R, ADS1292, ADS1293, ADS1298, ADS1296, ADS1294, ADS1296R, ADS1294R, TPS7A20, TLV61220, TPS60403, TPS723, CC2640R2L, CC2640R2F, CC2642R, BQ25125, REF5025, REF5040

TI現(xiàn)場應(yīng)用工程師蘇智超

近年來，中國心血管病患病率及死亡率仍處于上升階段，而實(shí)時(shí)的便攜式心電監(jiān)測能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)異常心電信號(hào)，提醒人們提前就醫(yī)，避免危險(xiǎn)病情的發(fā)生，因此近年來心電監(jiān)測市場十分火熱。TI在心電監(jiān)測領(lǐng)域耕耘多年，從心電采集ADC，低功耗的電源到無線傳輸，均有相應(yīng)的解決方案。所以，本文將為您介紹TI在ECG應(yīng)用中的相關(guān)產(chǎn)品，幫助您快速完成硬件設(shè)計(jì)。

一.心電導(dǎo)聯(lián)數(shù)量與ADC選型之間的聯(lián)系

TI心電信號(hào)檢測相關(guān)的ADC有很多，通道數(shù)也不盡相同，那究竟該選擇哪一顆產(chǎn)品，往往會(huì)令人困惑，所以第一部分，我們總結(jié)了不同心電產(chǎn)品和TI ADC產(chǎn)品之間的關(guān)系，幫助大家理解并快速完成選型。

1.單導(dǎo)聯(lián)心電ADS1291/ADS1292R

(1).  用途

單導(dǎo)聯(lián)心電圖是由一對(duì)心電電極所采集到的單路心電信號(hào)，應(yīng)用在產(chǎn)品中常見的是胸前導(dǎo)聯(lián)和雙手導(dǎo)聯(lián)，胸前導(dǎo)聯(lián)適用于長時(shí)間的心電監(jiān)測，最長一般有14天的連續(xù)記錄，雙手導(dǎo)聯(lián)一般適用于短時(shí)實(shí)時(shí)的心電測量，體積小巧，方便隨身攜帶，一般屬于家用心電記錄儀。單導(dǎo)聯(lián)的心電圖能初步篩查心臟早搏、房顫及各種心律不齊的心電表現(xiàn)。由于是單導(dǎo)聯(lián)，所以一般不用做診斷，但是心臟病多有瞬發(fā)性，及時(shí)捕捉異常心電信號(hào)，對(duì)后續(xù)醫(yī)生的判斷也是意義的。單導(dǎo)聯(lián)心電主要目的在于未病早發(fā)現(xiàn)和術(shù)后隨訪。

(2).  電極分布及導(dǎo)聯(lián)示意

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

圖 1 單導(dǎo)心電圖連接

ADS1292R：單導(dǎo)聯(lián)+呼吸檢測，通道1被用來做呼吸檢測。至少需要2個(gè)電極，右腿驅(qū)動(dòng)的輸出電極可以與LA或RA共用。

圖 2 ADS1291, ADS1292R內(nèi)部架構(gòu)及外部連接方式

(3).  TI相關(guān)參考設(shè)計(jì)

多參數(shù)患者生命體征監(jiān)護(hù)儀前端參考設(shè)計(jì)

用于個(gè)人健康監(jiān)視的多參數(shù)、生物信號(hào)監(jiān)視器參考設(shè)計(jì)

2. 三導(dǎo)聯(lián)、五導(dǎo)聯(lián)心電ADS1292，ADS1293，ADS1295:

(1).  用途

三導(dǎo)聯(lián)或五導(dǎo)聯(lián)心電一般用來做24小時(shí)的心電信號(hào)記錄。這個(gè)24小時(shí)的數(shù)據(jù)是診斷心臟問題的常用工具。

(2).  電極分布及導(dǎo)聯(lián)示意

導(dǎo)聯(lián)名稱：

Lead I: I = LA - RA

Lead II: II = LL – RA

通過Lead I和Lead II可以求出以下導(dǎo)聯(lián)：

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)/3，五導(dǎo)聯(lián)中，一般會(huì)加一個(gè)胸部導(dǎo)聯(lián)，Lead V1威爾遜中心節(jié)點(diǎn)會(huì)作為胸部導(dǎo)聯(lián)的參考電壓。胸部導(dǎo)聯(lián)Lead V1 = V1 – WCT。

                                                                圖 3 三導(dǎo)聯(lián)心電圖連接

• ADS1292做三導(dǎo)聯(lián)：

至少3個(gè)電極，右腿驅(qū)動(dòng)的輸出電極可以與LA，RA或LL共用。大部分的設(shè)計(jì)中，3導(dǎo)聯(lián)就是三個(gè)電極。測量兩個(gè)導(dǎo)聯(lián)Lead I和Lead II，還可以算出另外4個(gè)導(dǎo)聯(lián)。所以，ADS1292的五導(dǎo)聯(lián)是需要用軟件計(jì)算得出來的。

• ADS1293做三導(dǎo)聯(lián)：

同ADS1292。

                                                  圖 4 ADS1293 三導(dǎo)聯(lián)心電連接圖

• ADS1293做五導(dǎo)聯(lián)：

實(shí)際上5個(gè)電極可以獲得6個(gè)導(dǎo)聯(lián)的信號(hào)，有一個(gè)電極還是右腿驅(qū)動(dòng)。一般來講5導(dǎo)聯(lián)需要加一個(gè)胸導(dǎo)。

                                                                 圖 5 ADS1295 五導(dǎo)聯(lián)心電連接圖

(3).  TI相關(guān)的參考設(shè)計(jì)

具有藍(lán)牙低能耗特性的無線心率監(jiān)測器

3. 十二導(dǎo)聯(lián)心電ADS1298

12導(dǎo)聯(lián)心電圖結(jié)合了Einthoven，Goldberger和Wilson的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，從而提供有關(guān)垂直和水平方向心臟的信息。 12導(dǎo)聯(lián)心電圖是診斷心電圖的黃金標(biāo)準(zhǔn)。使用12導(dǎo)聯(lián)心電圖，基本上可以測量所有心臟活動(dòng)。目前在便攜式心電中常見的形式是綁帶形式。

圖 6 十二導(dǎo)聯(lián)心電圖連接

參考設(shè)計(jì)：ADS1298ECG 模擬前端性能演示套件

4. 十二導(dǎo)聯(lián)以上心電ADS1294, ADS1296, ADS1298

在一些應(yīng)用中，需要獲得更多的導(dǎo)聯(lián)信息以獲得更全面的心臟活動(dòng)信息。例如，十八導(dǎo)聯(lián)心電能夠同步觀察左心室各壁，右心室等全部心室的心電情況。一般可以使用2片ADS1298。

針對(duì)于其它導(dǎo)聯(lián)數(shù)量的需求，有時(shí)還需要呼吸檢測（需要使用尾綴帶R的版本），ADS1294，ADS1296，ADS1294R， ADS1296R一般用在大于十二導(dǎo)聯(lián)上，組合起來一起使用，一般來講增加的導(dǎo)聯(lián)數(shù)量都是胸導(dǎo)。

二. ADS129X系列的外圍器件推薦

1.電源

對(duì)于這個(gè)系列的產(chǎn)品而言，ADC需要兩個(gè)電源供電，一個(gè)是模擬部分的供電，一個(gè)是數(shù)字部分的供電。因?yàn)槟M部分和數(shù)字部分都是一個(gè)范圍供電，對(duì)于不同的客戶而言，會(huì)結(jié)合電極的輸出信號(hào)范圍，選擇單極性電源或雙極性電源以及電源的幅值。

單極性電源：

模擬供電：2.7V-5.25V，數(shù)字供電：1.65V-3.6V

5V轉(zhuǎn)3.3V，推薦TPS7A20，靜態(tài)電流極低僅有6.5uA，同時(shí)用法非常簡單。

圖 7 TPS7A20應(yīng)用示例

在兩節(jié)干電池的便攜式ECG中，還會(huì)需要一個(gè)升壓芯片TLV61220至3.3V給數(shù)字部分供電，然后再用TPS7A20降壓至3.0V作為模擬供電。

TLV61220：靜態(tài)電流只有5.5uA，在典型工作條件下效率高達(dá) 95%，能夠滿足便攜式ECG長時(shí)間使用的需求。

圖 8 TLV61220應(yīng)用實(shí)例及效率曲線

雙極性電源供電：

一般來講，+-2.5V會(huì)從3.3V往下轉(zhuǎn)，這里我們推薦一個(gè)電荷泵TPS60403，先把3.3V轉(zhuǎn)成-3.3V，然后TPS72301從-3.3V轉(zhuǎn)成-1.8V。

圖 9 TPS60403和TPS723應(yīng)用實(shí)例

2.藍(lán)牙芯片

目前，在便攜式ECG中，數(shù)據(jù)除了需要存儲(chǔ)在SD卡中以外，也需要能夠通過藍(lán)牙把數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)端。下面是我們目前在便攜式ECG中主推的3顆藍(lán)牙，基本指標(biāo)如下對(duì)比表所示。

(1).  CC2640R2L

圖 10 CC2640R2L內(nèi)部資源

(2).  CC2640R2F

圖 11 CC2640R2F內(nèi)部資源

(3).  CC2642R

圖 12 CC2642R內(nèi)部資源

3.充電管理芯片

目前從市場的應(yīng)用上看，主要以干電池或紐扣電池為主，使用鋰電池供電的方式并不多。主要的原因是，當(dāng)前便攜式ECG的主要應(yīng)用場景還是在醫(yī)院監(jiān)測病人的心臟狀況，所以對(duì)設(shè)備使用的及時(shí)性就顯得更加重要，對(duì)鋰電池的充電顯然沒有干電池或者紐扣電池?fù)Q電更迅速。

這里我們推薦一顆新產(chǎn)品：適用于可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)的低 IQ 高度集成電池充電管理解決方案BQ25125，它的主要優(yōu)勢(shì)在于，集成了一顆降壓芯片buck和一顆LDO，可以滿足ADS119X和ADS129X系列的電源軌需求，同時(shí)，超低的靜態(tài)電流也能保證產(chǎn)品的續(xù)航時(shí)間。

圖 13 BQ25125典型應(yīng)用框圖

4.電壓參考

當(dāng)采用3V 電源時(shí)，VREF = (VREFP – VREFN) =2.5V，當(dāng)采用5V 電源 VREF = (VREFP – VREFN)= 4.096V。

這里我們推薦REF5025和REF5040即可，目前根據(jù)市場上的使用情況來看，ADC內(nèi)部的參考就可以滿足使用的需求。

三. ECG相關(guān)設(shè)計(jì)資料

[1] TI ADS129X系列ADC的常見問題匯總：

《Common Questions for TI's ADS129x Family of Bio-Potential ADCs》

https://e2e.ti.com/support/data-converters/f/73/p/772058/2855202

[2] ECG在線培訓(xùn)視頻：

《How to Measure ECG: A Guide to the Signals, System Blocks, and Solutions》

https://training.ti.com/how-measure-ecg-guide-signals-system-blocks-and-solutions#section-1