作者：意法半導體公司 Adriano Basile， Fabrizio Librizzi

　　前言

　　提升生活品質當然是改變日常生活方式開始，但是，監視健康參數和具體的營養方案有助于降低高血壓、血脂異常和肥胖癥的發病率。改變生活方式對年輕人同樣有益。美國運動醫學會 （ACSM）發布一些國際健康生活方式指引并在美國高中執行。如果不改變日常生活方式，當步入中年時，周運動量將會少得可憐。事實上，周運動量少于1小時的中年女士死于心血管疾病的概率是運動量較多的同齡女士的兩倍 （見圖 1）。

　　既然監視生活方式和健康參數已成為正確診斷病癥的重要因素，本文將介紹一個新的能夠監視心臟及其間接參數的儀器。

圖 1： ACSM推薦高品質的生活

　　全世界各國的醫療保健支出都在增長，呼聲越來越高的慢性病和傳染病預防治療方案是各國政府需要解決的問題，這使科醫療健康向所謂的“病患保健與自理”方向發展。病患幾乎不再被動接受醫生的護理建議，而是在醫生的指導下，能夠更好地自理。這就產生一種有健康意識的很多政府機關和獨立組織也提倡的生活方式。

　　圖 2： 床式心電監護系統

　　這一新的設想適用于越來越多的保健站（PoC）。保健站分布在城市的鄉鎮和村莊中，被視為進入公共醫療健康組織的第一個入口，人們想要在保健站咨詢配備快速診斷工具的醫療人員。其中，心電監護儀（ECG）是最基本的診斷儀器。保健站的心電監護儀通常是電腦輔助型心電監測機，這種機型沿用傳統床式心電監護系統（圖2）的模擬子系統，使用PC機處理并顯示數據。在這種硬件配置中，PC機扮演兩個重要角色：保存和檢索心電數據；管理系統采集的數據。

　　最近的研究證明，連續診斷反饋數據可增強人們持續改進生活方式的意志。健康遠程監護顯然是個人醫生與病患保持直接聯系的解決方案。

　　意法半導體的 D-ECG心電監護儀方案

　　電極是采集心電數據的傳感器（圖3），將活的生物組織內的離子電流轉換成電子醫療儀器的模擬前端能夠檢測的電子電流。為理解心電圖等生物電信號產生的原因，我們應該考慮下面幾個要素：

　　1. 心肌細胞的電活動；被置于與體液成份相同的同質水浴培養基中的單個心肌細胞的電活動導致的細胞外電勢；

　　2. 置于一個大型含體液離子成份的導電介質中的大量心肌組織的電活動導致的細胞外電勢；

　　3. 這些細胞外電勢與身體表面記錄的總電活動即心電圖信號之間的關系

圖3： 心電信號波形

　　對診斷有重要意義的心電信號頻率范圍在0.05－250 Hz之間，為確保完美捕獲信號，模擬前端必須能夠放大心電圖信號，濾除非生物信號（例如，電源線噪聲）以及無關的生物干擾（例如EMG），并集成一個在 80 – 120 dB范圍內共模抑制比（CMMR）優異的高增益差分放大器。

　　在心電監護系統內，計算機存儲器、顯示器和打印機都是用于保存和顯示心電數據。心電監護儀的電極通常情況下被固定在患者身體上（見圖2） ，這些電極連線被稱之為導聯線（I， II， III， aVR， aVL， aVF， V1， V2，V3， V4， V5， V6）。

　　例如：

　　· 導聯 I = RA – LA （右臂 – 左臂）

　　· 導聯 II = RA – LF （右臂 – 左腳）

　　· 導聯 III = LA – LF （左臂 – 左腳）

　　· aVR 是在右臂取得：

　　· aVL 是在左臂取得：

　　· aVF是在左腿取得：

　　· V1 是置于胸骨右緣第四肋間的電極與VWCT的差值

　　本文選自電子發燒友網9月《智能醫療特刊》Change The World欄目，轉載請注明出處！
　　

　　· V2是置于胸骨左緣第四肋間的電極與VWCT的差值

　　· V3是置于V2和V4間隔處的電極與VWCT的差值

　　· V4 是置于鎖骨中線與第五肋間相交處的電極與VWCT的差值。

　　· V5是置于左腋中線水與第五肋間相交處的電極與VWCT的差值。

　　· V6是置于腋中線水與第五肋間相交處的電極與VWCT的差值

　　其中 VWCT是虛擬參考點，又稱威爾遜導聯中心點（WCT）：

圖 4： HM301D框圖

　　意法半導體HM301D （見圖 4）是一個適合的心電信號采集方案，除前文提及的必備功能外，還具有一系列全集成可配置的數字帶通濾波器，讓醫療人員能夠選擇性分析心電波形。

　圖 5： 多片結構

　　經過濾波和處理后，心電數據通過SPI端口傳至外部微控制器。每個HM301D芯片都包含三個完整的心電差分通道，最多可將4個HM301D芯片連接在一起，構成一個多導聯心電監護儀（見圖5）。

　　全球有大約300萬人使用起搏器，像心電監護儀這樣的診斷類儀器必須支持起搏器脈沖分析。HM301D有兩個起搏器專用通道，每條通道提供10 kHz帶寬和起搏脈沖檢測可調功能。

　　除心電分析功能外，HM301D具有全集成的阻抗測量通道，提供體重和呼吸速率計算所需的功能。 HM301D通過心電監護儀的兩個電極向人體發射高頻方波弱電流，然后測量最終的電壓。基于數字帶通濾波器的IQ調制/解調技術提供與呼吸相關的時變頻率成份中的現實頻率和設想頻率，以及與體重有關的非時變頻率成份。

　　其它功能特性包括右腿驅動器、WCT驅動器、屏蔽驅動器和一個輸入連接矩陣。低壓電源和低功耗還使該芯片特別適用于電池供電裝置。

　　HM301D評估板： STEVAL-IME002Vx

　　STEVAL-IME002Vx是一系列基于HM301D診斷級模擬前端芯片的評估板。HM301D是意法半導體針對生物電和生物阻抗測量推出的新產品。

圖 6： STEVAL-IME002V1評估板

圖7： STEVAL-IME002V2評估板

　　該系列評估板共有STEVAL-IME002V1 和 STEVAL-IME002V2兩款產品，分別用于演示HM301D在心電監護儀（或病患監護系統） （ECG）和自動體外除顫器（AED）中的性能表現。

　　這兩款電路板還搭載一個32位的STM32微控制器，用于管理HM301D的SPI協議和電路板與PC機之間的USB通信。兩款電路板都能配合專用PC機軟件圖形用戶界面，演示不同的應用配置的工作情況。

　　為優化硬件開發，兩款電路板幾乎相同；唯一不同之處是板載元器件，通過比較圖6和圖7，我們很容易看出不同之處。

　　STEVAL-IME002Vx評估板通過SPI菊花鏈拓撲最多可連接三個 HM301D芯片，因此，STEVAL-IME002V1可能有1個、2個或3個HM301D芯片，分別用U1、U2和U3表示；STG3692 （低壓高帶寬四通道SPDT開關）用于管理三種配置之間的開關。三個芯片連接只能使用菊花鏈拓撲。換句話說，在沒有U1時，無法使U1和U2工作。準許開關順序是U1；U1和 U2； U1、U2和 U3。

　　HM301D的每一條輸入線上都有ESD保護器件ESDALCL6-2SC6，該器件符合IEC61000-4-2 規范的4級保護標準。

　圖 8： 板上連接邏輯圖

　　圖8的硬件框圖描述了板上所有元器件之間邏輯連接線路，同時圖10給出了元器件在電路板上的布局。

圖 9： SPI菊花鏈

　　圖9所示是STM32F103CBT6外設與HM301D芯片之間的邏輯連接圖，其中STM32F103CBT6是SPI總線的主控制器，負責管理SPI開關通道（通過STG3692），開關微控制器與SDO信號的連接線路。

圖10： STEVAL-IME002Vx電路板布局

　　為評測HM301D芯片的不同工作模式，評估板準許第一個 HM301D （U1）的采用雙極或單極連接模式，而另外兩個HM301D （U2和 U3）的連接始終采用單極模式。

　　表1：首個基于 HM301D的接收定位輸入配置

　　特別是在STEVAL-IME002V1電路板上，U1被配置成采集艾因特霍芬（Einthoven）正三角形信號，其極點是LA （左臂）、 RA （右臂）和LL（左腿），三個極點直接連接U1。此外，RL （右腿）是電勢的參考電極，與U1的9號針相連。這種連接方式使心電圖正面肢體導聯線數據檢索變得十分容易。事實上，導聯線 I 是LA與RA的電勢差；導聯線 II是LL與RA的電勢差；導聯線III 是LL與LA的電勢差。導聯線的連接是由電阻R1、R2、R3和R15控制（見表1）。

　　傳統臨床心電圖機多數使用單通道放大器，其數據記錄系統準許通過一個多點開關選擇所需的導聯線連接方式。STEVAL-IME002V1評估板上的HM301D芯片可記錄所有導聯（I， II， III， V1， V2， V3， V4， V5， V6）數據 ，并通過圖形用戶界面的參數設置功能，將采集到的數據送入生物電位放大器放大。用戶還可以在PC機上記錄心電導聯數據。

　　電極V1、V2、V3假如存在，通過單極方式連至U2，電極 V4、V5、V6單極連至U3。U2和U3芯片的連接方式都是單極模式，以主設備（U1）的 WCT為參考信號。

　　特別注意的是，STEVAL-IME002V2電路板上只安裝U1，并被配置成僅采集導聯I，即LA與RA的電勢差。

　　一旦按照表1完成必要的配置后，評估板即可投入使用。事實上，電路板還有配套的STM32固件，使STM32微控制器能夠從HM301D檢索所有的心電信號， 通過USB數據線傳送到PC機。

　　該評估板還為客戶提供一個圖形用戶界面（GUI）的PC軟件，該軟件可設置心電監護儀系統的參數（見圖11），并在顯示屏上繪制所采集信號的波形（見圖12）。

圖11： EDEN界面主窗口

　　用戶可以輕松打印心電數據或保存到本地磁盤，以備深入分析或治療后診斷。

　　此外，軟件圖形界面還能檢索HM301D阻抗通道的信息，測量人體阻抗以及因呼吸而引起的各種變化。

　　STEVAL-IME002Vx評估板上的HM301D還能測量保護器件和電路板本身產生的串聯電阻。用戶必須考慮這個參數。在對話框的右側（見圖12），用戶可以看到導聯線斷開檢測和相關阻抗。導聯線斷開檢測是連續檢查置于人體上的電極的連接狀況，當相關標志變紅色時，用戶必須查看電極在病患身體上的物理連接狀況。

圖 12： 心電數據繪圖窗口

　　結論

　　本文介紹意法半導體的心電監護儀模擬前端解決方案，該設計對醫療保健站很有價值，代表了心電監護應用模擬前端的最新成果。其模塊化及其固件和軟件幫助用戶輕松設計屬于自己的前端芯片。