用于個人和遠程醫療監測的可穿戴心電圖（ECG）設備的需求正在增加，并且隨之而來的是對精度，可靠性和更長電池壽命的要求。這對設計人員提出了挑戰，因為ECG讀數對運動和其他干擾源非常敏感，并且ECG信號的處理消耗了大部分可用的電池電量。

為了提高可靠性和用戶體驗，可穿戴設備的設計者需要一種可以提取，放大和過濾小生物電位信號，同時消耗最少功率的解決方案。為此，新的ECG心率監測IC可以在創建下一代心臟監測中發揮核心作用。

了解可穿戴設備中心電圖需求的脈搏

心電圖測量心律并幫助診斷患者的心臟問題，包括心臟病發作，心臟血流不暢和其他異常情況心臟病。

心電圖記錄心肌組織產生的電活動。該活動產生電壓或“生物電位”，其擴散到皮膚。雖然生物電位在微伏范圍內，但可以使用連接到皮膚的ECG電極以無創方式可靠地測量。

專業ECG系統可以使用多達10個電極連接到胸部和四肢。可穿戴ECG系統，例如胸帶和智能襯衫，使用較少的電極并且通常使用兩個或三個電極配置。這種方法減少了ECG系統的占地面積，提高了患者的舒適度，但舒適度必須與準確性和可靠性相平衡。

這種平衡行為對于可穿戴ECG很難，因為應用呈現出各種各樣的嘈雜環境導致信號波動的因素。即使是輕微的身體動作，如口香糖或制作面部表情，也會在ECG測量中引入噪音。由于用戶在佩戴配備ECG的可穿戴設備時可能參與身體活動，因此運動是噪音的重要來源。其他因素也可能導致噪聲，包括來自電力線或其他電氣設備的干擾。

可穿戴ECG系統的另一個現實是電池電量有限。一款良好的高端智能手表，運行速度為246毫安小時的3.78伏鋰離子電池可以運行18小時的混合使用。考慮到所需的通信和處理量，這是非常了不起的。

為了解決這些噪聲和功率問題，半導體供應商現在提供專為可穿戴設備中的心率監測而設計的集成電路（IC）。

用于可穿戴ECG的IC

這些IC中的一個是ADI公司的AD8233ACBZ-R7，這是一個完全集成的單引線ECG前端。 AD8233內置一個專用儀表放大器，一個運算放大器，一個右腿驅動（RLD）放大器和一個中間電源參考緩沖器。如果在移動或活動用戶應用程序中意外斷開連接，它還具有“開/關”導聯和自動快速恢復電路，可在重新連接ECG導聯后快速恢復信號（圖1）。

圖1：AD8233 AFE集成了實現適用于可穿戴設備的心率監測器前端所需的電路，包括ECG導聯斷開檢測和重新連接后快速恢復。 （來源：ADI公司）

噪聲關閉

AD8233設計用于在嘈雜條件下處理小的生物電勢信號，并為低功耗模數轉換器（ADC）產生輸出。

為了消除運動偽影，例如由物理活動產生的運動偽像，AD8233實現了一個雙極點高通濾波器。該濾波器還消除了電極半電池電位。這種半電池電位可能對ECG信號采集提出了相當大的挑戰，因為它具有比生物電勢高得多的電壓。

AD8233還集成了一個非專用運算放大器，可用于實現三極低電平 - 通過濾波器，可以進一步降低噪音。 RLD放大器還通過改善共模抑制比（CMRR）來幫助管理噪聲。它通過檢測信號輸入端存在的共模電壓，然后將相反的信號驅動到患者體內來實現。這種驅動電極功能可在患者和AD8233之間保持恒定電壓，從而提供高CMRR。

導線開/關檢測

檢測電極的連接狀態并提醒系統和用戶如果發生故障，AD8233包括引線開/關檢測電路。如前所述，這在用戶可能處于運動狀態的可穿戴設備中特別有用。

開/關檢測可以在兩個或三個電極配置中工作。在關斷模式下，電路也可繼續工作。因此，開/關檢測的輸出可以作為ECG設計中微控制器的喚醒信號，從而使整個系統節省功耗。

AD8233包括快速恢復與開/關檢測電路協同工作的功能。在導線關閉狀態引起突然的信號變化后，快速恢復功能允許AD8233在電極重新連接到用戶后迅速恢復。

帶有AD8233的ECG電路板

為了讓設計人員快速啟動，AD8233CB-EBZ評估板將AD8233呈現在適用于健身應用的可穿戴ECG前端設計中。電路板的標準配置是一個三電極心率監測系統，連接到用戶手中（圖2）。

圖2：標準配置AD8233CB-EBZ評估板支持三電極心率監測系統。 （來源：ADI公司）

電路板可以直接連接到輸入端的電極和輸出端的模數轉換器（ADC）。雖然電極端子具有限流電阻，但最好首先使用ECG信號發生器測試電路板而不是使用實時主體。電阻器本身并不是一個全面的患者保護系統。它們可能無法防止電源和采集系統中的電源線瞬態或漏電流。有關醫療系統設計，最佳實踐和標準的更多指導，請從IEC 60601開始。

在構建ECG系統時，可能需要根據包含精確度的考慮因素更改增益和過濾。應用和電極的放置。為此，設計人員需要調整AD8233的雙極高通濾波器以及集成運算放大器的頻率截止頻率。在AD8233CB-EBZ上，通過更改元件值進行調整。

通過操作AD8233CB-EBZ上的開關位置，輸入偏壓選擇和電極，可以將引線開/關檢測系統配置為交流和直流兩種和三種電極配置。快速恢復功能也可以通過電路板上的開關激活。

為了節省電池電量，AD8233包括一個關斷引腳。 AD8233CB-EBZ板還提供了一個進入待機模式的開關，使AD8233的電流消耗從典型的50μA降至1μA以下。

構建可穿戴式ECG設備

智能可穿戴醫療設備可以結合兩種或更多功能，包括心率監測，計步器，活動跟蹤，生物電位測量，生物阻抗測量和血氧測量。

在典型設計中，AD8233執行ECG模擬前端（AFE）的作用。 AFE鏈接到模擬 - 數字轉換器（ADC），例如ADI公司的AD7915（圖3）。

圖3：In AD8233是典型的智能可穿戴設計，可用作ECG AFE，為低功耗ADC（如AD7915 ADC）提供輸入。 （來源：ADI公司）

AD7915是一款16位ADC，專為電池供電的醫療應用而設計。與AD3233一樣，AD7915采用單電源供電，簡化了設計。 ADC通過SPI端口連接到系統的MCU。

在為主要處理和控制功能選擇MCU時，請尋找專為低功耗可穿戴設備設計的MCU，因為它們已經滿足了一些核心要求。這些要求包括精度（測量生命體征時很重要），低功耗和相對全面的I/O，如NFC，USB，顯示器和音頻。

一個很好的定制示例MCU是ADI公司的ADuCM350，它基于ARM 32位Cortex-M3處理器。 IC是一種“芯片上的高精度儀表”，用于監測生命體征，進行電流，伏安和阻抗測量。

ADuCM350還可以通過紐扣電池供電，這是另一個節省空間的因素。

組合AD8233 AFE和ADuCM350 MCU

要將AD8233和ADuCM350組合在一起并獲得ECG信號，請使用AD8233的評估板，并使用相同的3.3 V電源運行兩個IC（圖4）。

圖4：將AD8233與ADuCM350相結合，進行生物阻抗和ECG測量。 （來源：ADI公司）

第一步是在系統內校準AD8233 AFE，以確保兩個IC的組合不會降低其規定的9.8μVp-p的噪聲性能。通過短接+ IN和-IN引腳并將它們連接到VBIAS來完成此操作。確定最大峰峰值噪聲變化，并將其除以AD8233的增益（1100）。它最終應該在5.8μVp-p附近。

接下來，將AD8233_REFIN連接到ADuCM350上的VBIAS，并將ECG發生器應用于AD8233上的+ IN，-IN和RLD。將ECG發生器設置為60 BPM時，輸出信號應如圖所示（圖5）。

圖5：將ECG發生器設置為60 BPM，心率監測器設計的輸出應如圖所示，表明組件和系統的兼容性。 （來源：ADI公司）

結論

可穿戴設備為實施ECG系統帶來了挑戰，包括噪聲和功耗問題。然而，專為此應用而設計的ECG心率監測器IC和評估板正變得越來越容易獲得并得到很好的支持。這使工程師能夠快速開發解決這些問題的系統，并在可穿戴電子設備中提供準確，低功耗，可靠的心率監測。