發布日期：2022-04-28 點擊率：76
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現場應用工程師蘇智超
近年來，中國心血管病患病率及死亡率仍處于上升階段，而實時的便攜式心電監測能夠及時地發現異常心電信號，提醒人們提前就醫，避免危險病情的發生，因此近年來心電監測市場十分火熱。TI在心電監測領域耕耘多年，從心電采集ADC，低功耗的電源到無線傳輸，均有相應的解決方案。所以，本文將為您介紹TI在ECG應用中的相關產品，幫助您快速完成硬件設計。
一.心電導聯數量與ADC選型之間的聯系
TI心電信號檢測相關的ADC有很多，通道數也不盡相同，那究竟該選擇哪一顆產品，往往會令人困惑，所以第一部分，我們總結了不同心電產品和TI ADC產品之間的關系，幫助大家理解并快速完成選型。
1.單導聯心電ADS1291/ADS1292R
(1). 用途
單導聯心電圖是由一對心電電極所采集到的單路心電信號，應用在產品中常見的是胸前導聯和雙手導聯，胸前導聯適用于長時間的心電監測，最長一般有14天的連續記錄，雙手導聯一般適用于短時實時的心電測量，體積小巧，方便隨身攜帶，一般屬于家用心電記錄儀。單導聯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。由于是單導聯，所以一般不用做診斷，但是心臟病多有瞬發性，及時捕捉異常心電信號，對后續醫生的判斷也是意義的。單導聯心電主要目的在于未病早發現和術后隨訪。
(2). 電極分布及導聯示意
Lead I: I = LA – RA，LA是left-arm電極, RA是right-arm電極。
圖 1 單導心電圖連接
ADS1292R：單導聯+呼吸檢測，通道1被用來做呼吸檢測。至少需要2個電極，右腿驅動的輸出電極可以與LA或RA共用。
圖 2 ADS1291, ADS1292R內部架構及外部連接方式
(3). TI相關參考設計
多參數患者生命體征監護儀前端參考設計
用于個人健康監視的多參數、生物信號監視器參考設計
2. 三導聯、五導聯心電ADS1292，ADS1293，ADS1295:
(1). 用途
三導聯或五導聯心電一般用來做24小時的心電信號記錄。這個24小時的數據是診斷心臟問題的常用工具。
(2). 電極分布及導聯示意
導聯名稱：
Lead I: I = LA - RA
Lead II: II = LL – RA
通過Lead I和Lead II可以求出以下導聯：
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)/3，五導聯中，一般會加一個胸部導聯，Lead V1威爾遜中心節點會作為胸部導聯的參考電壓。胸部導聯Lead V1 = V1 – WCT。
圖 3 三導聯心電圖連接
ADS1292做三導聯：
至少3個電極，右腿驅動的輸出電極可以與LA，RA或LL共用。大部分的設計中，3導聯就是三個電極。測量兩個導聯Lead I和Lead II，還可以算出另外4個導聯。所以，ADS1292的五導聯是需要用軟件計算得出來的。
ADS1293做三導聯：
同ADS1292。
圖 4 ADS1293 三導聯心電連接圖
ADS1293做五導聯：
實際上5個電極可以獲得6個導聯的信號，有一個電極還是右腿驅動。一般來講5導聯需要加一個胸導。
圖 5 ADS1295 五導聯心電連接圖
(3). TI相關的參考設計
具有藍牙低能耗特性的無線心率監測器
3. 十二導聯心電ADS1298
12導聯心電圖結合了Einthoven，Goldberger和Wilson的導聯系統，從而提供有關垂直和水平方向心臟的信息。 12導聯心電圖是診斷心電圖的黃金標準。使用12導聯心電圖，基本上可以測量所有心臟活動。目前在便攜式心電中常見的形式是綁帶形式。
12導聯 | 定義 |
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 |
電極數量 | 10 |
圖 6 十二導聯心電圖連接
參考設計：ADS1298ECG 模擬前端性能演示套件
4. 十二導聯以上心電ADS1294, ADS1296, ADS1298
在一些應用中，需要獲得更多的導聯信息以獲得更全面的心臟活動信息。例如，十八導聯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。
針對于其它導聯數量的需求，有時還需要呼吸檢測（需要使用尾綴帶R的版本），ADS1294，ADS1296，ADS1294R， ADS1296R一般用在大于十二導聯上，組合起來一起使用，一般來講增加的導聯數量都是胸導。
二. ADS129X系列的外圍器件推薦
1.電源
對于這個系列的產品而言，ADC需要兩個電源供電，一個是模擬部分的供電，一個是數字部分的供電。因為模擬部分和數字部分都是一個范圍供電，對于不同的客戶而言，會結合電極的輸出信號范圍，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，數字供電：1.65V-3.6V
5V轉3.3V，推薦TPS7A20，靜態電流極低僅有6.5uA，同時用法非常簡單。
圖 7 TPS7A20應用示例
在兩節干電池的便攜式ECG中，還會需要一個升壓芯片TLV61220至3.3V給數字部分供電，然后再用TPS7A20降壓至3.0V作為模擬供電。
TLV61220：靜態電流只有5.5uA，在典型工作條件下效率高達 95%，能夠滿足便攜式ECG長時間使用的需求。
圖 8 TLV61220應用實例及效率曲線
雙極性電源供電：
一般來講，+-2.5V會從3.3V往下轉，這里我們推薦一個電荷泵TPS60403，先把3.3V轉成-3.3V，然后TPS72301從-3.3V轉成-1.8V。
圖 9 TPS60403和TPS723應用實例
2.藍牙芯片
目前，在便攜式ECG中，數據除了需要存儲在SD卡中以外，也需要能夠通過藍牙把數據傳輸至手機端。下面是我們目前在便攜式ECG中主推的3顆藍牙，基本指標如下對比表所示。
| 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
圖 10 CC2640R2L內部資源
(2). CC2640R2F
圖 11 CC2640R2F內部資源
(3). CC2642R
圖 12 CC2642R內部資源
3.充電管理芯片
目前從市場的應用上看，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，當前便攜式ECG的主要應用場景還是在醫院監測病人的心臟狀況，所以對設備使用的及時性就顯得更加重要，對鋰電池的充電顯然沒有干電池或者紐扣電池換電更迅速。
這里我們推薦一顆新產品：適用于可穿戴設備和物聯網的低 IQ 高度集成電池充電管理解決方案BQ25125，它的主要優勢在于，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，超低的靜態電流也能保證產品的續航時間。
圖 13 BQ25125典型應用框圖
4.電壓參考
當采用3V 電源時，VREF = (VREFP – VREFN) =2.5V，當采用5V 電源 VREF = (VREFP – VREFN)= 4.096V。
這里我們推薦REF5025和REF5040即可，目前根據市場上的使用情況來看，ADC內部的參考就可以滿足使用的需求。
三. ECG相關設計資料
[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
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