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摘要: 據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，心血管病已經(jīng)成為造成全球人口死亡的主要因素。再加上隨著中國人口老齡化、居民財富的增長以及醫(yī)療條件的改善，中國高端醫(yī)療電子市場的需求大幅提升，尤其是醫(yī)療成像設(shè)備像心電圖，由于心電圖 ... 據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，心血管病已經(jīng)成為造成全球人口死亡的主要因素。再加上隨著中國人口老齡化、居民財富的增長以及醫(yī)療條件的改善，中國高端醫(yī)療電子市場的需求大幅提升，尤其是醫(yī)療成像設(shè)備像心電圖，由于心電圖檢查在診斷心血管病上具有準(zhǔn)確可靠、方法簡便、對病人無損害等特點，在臨床上被廣泛應(yīng)用。然而目前普遍采用的基于PC機(jī)平臺的心電圖機(jī)，雖功能全面，但體積龐大、成本較高。而市場上便攜式心電圖機(jī)大多采用低檔單片機(jī)實現(xiàn)，無操作系統(tǒng)，處理能力弱，功能簡單，只能進(jìn)行心電信號的采集、顯示與簡單的數(shù)據(jù)處理，人機(jī)界面不友好。隨著大規(guī)模的專用集成電路和計算機(jī)芯片的發(fā)展，基于32 bit微處理器的嵌入式系統(tǒng)以低成本、較高的性能和可靠性等諸多優(yōu)勢，應(yīng)用日益廣泛。基于這種現(xiàn)狀， 醫(yī)療信息化作為中國新醫(yī)改方案“四梁八柱”目標(biāo)的“八柱”之一，一直是其它改革的重要技術(shù)基礎(chǔ)。不僅醫(yī)院自身業(yè)務(wù)的系統(tǒng)復(fù)雜性對管理信息系統(tǒng)升級提出了要求，隨著醫(yī)改的深入和醫(yī)療保障體制的健全，構(gòu)建以電子病歷、居民健康檔案為基礎(chǔ)的區(qū)域醫(yī)療信息系統(tǒng),實現(xiàn)醫(yī)院、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、行政管理部門之間的信息共享亦成為未來發(fā)展趨勢。 心電圖(ECG)介紹 心電圖(ECG)是用來捕捉心臟在一段時間內(nèi)情況的反映，它通過外部電極連接到皮膚轉(zhuǎn)換成電信號來采集。心臟外面形成的每個細(xì)胞膜都有一個關(guān)聯(lián)電荷，它在每次心跳期間去極化。它以微小電信號的形式出現(xiàn)在皮膚上，可以通過心電圖探測到并放大顯示。 早在1900年Willem Einthoven就發(fā)明了第一臺實用的心電圖。該系統(tǒng)很笨重，需要很多人去操縱它。病人需要把他的胳膊和腿放到含有電解液的大型電極中。今天的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶方便，這樣病人走動時也可以帶著。家用十二導(dǎo)聯(lián)心電圖可以裝在口袋里。 心電圖特點： 心電圖系統(tǒng)設(shè)計的第一步包括，了解需要獲取的信號種類。心電圖信號包括存在于高偏置和噪聲的低振幅電壓。圖2顯示了心電圖信號的特點。系統(tǒng)里存在高偏移，由于電極產(chǎn)生的半個細(xì)胞電壓。Ag/AgCl (銀-銀氯化物)是心電圖系統(tǒng)里最常見的電極，它的最大偏移電壓為 / -300mV。實際期望的信號為 / -0.5mV疊加在了電極偏移上。此外，系統(tǒng)還會合上來自電源線的50/60Hz噪聲，形成共同模式的信號。電力線噪聲的幅度有可能非常大，需要對其進(jìn)行濾波。 圖2：要獲得的心電圖信號特點。 心電圖采集 模擬前端處理是心電圖系統(tǒng)的重要組成部分，因為它需要區(qū)分噪聲和期望信號（振幅很小）。模擬前端處理電路包括一個測量放大器，從而降低普通模式的信號。測量放大器工作在 / -5V，通常是用來加大的輸入電壓范圍。這個測量放大器應(yīng)具備高輸入阻抗，因為皮膚的阻抗可能是非常大的。需要運(yùn)算放大器來作為心電圖設(shè)備的信號處理。心電圖采集系統(tǒng)的信號鏈包括測量放大器、濾波器（可通過運(yùn)放實現(xiàn)）和ADC。 心電圖濾波 信號處理是一項巨大的挑戰(zhàn)，因為實際的信號為0.5mV，它處在一個300mV偏移量的環(huán)境里。其他因素如交流電源干擾，外科設(shè)備的射頻干擾，手術(shù)植入的設(shè)備如起搏器和生理監(jiān)測系統(tǒng)也會影響精度。心電圖里噪聲的主要來源是 基線漂移(低頻噪聲) 電力線干擾(來自電力線的50 Hz或60 Hz噪聲) 肌肉噪聲(這種噪聲是很難被清除，因為它是在同一地區(qū)的實際信號。它通常是在軟件里糾正。) 其他干擾(例如，來自其他設(shè)備的射頻噪聲) 共模噪聲去除 干擾通常表現(xiàn)為經(jīng)過差分放大器兩端的共模噪聲。這種噪聲可以通過以下方法去除： 盡可能的把前端接地電路和數(shù)字系統(tǒng)隔離。高效的系統(tǒng)級設(shè)計是總體噪聲抑制能力的關(guān)鍵。 使用具有很高共模抑制比（大于100dB）的測量放大器 德州儀器TI在心電圖市場的投入 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的機(jī)遇在哪里，TI將如何把握呢？ 就數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器而言，醫(yī)療產(chǎn)業(yè)是一個不斷增長的市場。在將溫度、圖像和聲音轉(zhuǎn)換成患者監(jiān)控和診斷過程中處理和使用的數(shù)字信息時，我們就必須要使用高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。特別是對于10 比特及精度要求更高的設(shè)備來說，醫(yī)療成像設(shè)備呈現(xiàn)出一個快速增長的市場機(jī)遇。三個主要細(xì)分市場包括超聲波、磁共振成像 (MRI)，計算機(jī)斷層掃描術(shù) (CT)，以及正電子放射斷層掃描術(shù) (PET)。技術(shù)進(jìn)步帶來了更快、更高精度的成像，以及更高的患者安全性。 在ECG領(lǐng)域，TI ADS1298CZXGT系列產(chǎn)品改變了其傳統(tǒng)概念。之前的ECG都是分立的，但是現(xiàn)在利用TI高度集成的模擬產(chǎn)品，如2通道、8通道產(chǎn)品，基本涵蓋了ECG的所有產(chǎn)品。在醫(yī)療保健成為世界一大熱點的時候，TI幫助使醫(yī)用設(shè)備向便攜式方向又推進(jìn)了一步。目前，TI已開始了下一代產(chǎn)品開發(fā)的腳步，力爭生產(chǎn)出更低功耗的產(chǎn)品。 TI在ECG領(lǐng)域的下一代產(chǎn)品的性能有哪些提升呢？ 下一代產(chǎn)品會在功耗方面更優(yōu)秀，將成為功耗優(yōu)化后的下一代產(chǎn)品。而且生產(chǎn)出更多互補(bǔ)的產(chǎn)品，8通道產(chǎn)品非常穩(wěn)定的針對醫(yī)療方面的產(chǎn)品。所以SVA的下一代產(chǎn)品會從通道、功耗和便攜式方面做出努力，能夠為市場上的任何客戶提供解決方案。結(jié)合了全部SVA與TI的產(chǎn)品組合后，將會涵蓋全部市場。另外，我們的下一代AFE 可能是3通道的，更低功耗的產(chǎn)品應(yīng)用于便攜式ECG。 隨著全球醫(yī)療電子市場的節(jié)節(jié)攀升以及中國十二五規(guī)劃對醫(yī)療行業(yè)的大力推動，國內(nèi)醫(yī)療電子廠商也正在逐漸加大研發(fā)投入并加快其產(chǎn)品開發(fā)速度。根據(jù)《中國醫(yī)療電子行業(yè)戰(zhàn)略研究》報告，未來三年，中國醫(yī)療電子的市場規(guī)模將從2010年的403.1億元增長到2013年的692.5億元，年均復(fù)合增長率達(dá)19.8%。TI憑借廣闊的醫(yī)療電子產(chǎn)品線以及在各種市場領(lǐng)域（例如無線通信、消費(fèi)類電子、汽車電子和工業(yè)控制等）的豐富的經(jīng)驗，將在滿足廣大醫(yī)療電子客戶不斷增長的對更高速度、更高精度、更低功耗和更小設(shè)備的需求的同時滿足醫(yī)療電子各細(xì)分市場對質(zhì)量和可靠性的高標(biāo)準(zhǔn)要求 在醫(yī)療領(lǐng)域，我們提到ECG，超聲，脈沖血氧計，這些高性能產(chǎn)品都在向便攜式方向發(fā)展。要求在性能與功耗上高度結(jié)合，兩者都很重要。我們致力于推動在這個領(lǐng)域的前 TI 始終致力于為未來醫(yī)療保健的變革發(fā)展技術(shù)，提高醫(yī)療設(shè)備的質(zhì)量與易用性。TI 推出了種類齊全的模擬與嵌入式處理產(chǎn)品，從構(gòu)建塊到完整的半導(dǎo)體解決方案，一應(yīng)俱全；而且還配合了精深的系統(tǒng)知識、全球支持基礎(chǔ)設(shè)施、高級工藝技術(shù)以及醫(yī)療行業(yè)的參與。TI 正致力于幫助創(chuàng)新型醫(yī)療電子產(chǎn)品實現(xiàn)更高的靈活性與易用性，并降低成本。TI 在無線通信、消費(fèi)類電子、汽車以及航空等眾多市場領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗，可幫助工程師從容應(yīng)對日益提高的要求，幫助他們不斷提高設(shè)備速度與精度、降低功耗與尺寸，并確保醫(yī)療市場需要的高質(zhì)量與高可靠性標(biāo)準(zhǔn)。作為全球領(lǐng)先的醫(yī)療電子解決方案提供商，TI提供的醫(yī)療電子解決方案涵蓋了醫(yī)療成像系統(tǒng)、消費(fèi)類醫(yī)療設(shè)備、醫(yī)療儀器、病患監(jiān)控、診斷及治療設(shè)備等方方面面。TI 一直致力于開發(fā)用于提高醫(yī)療設(shè)備的質(zhì)量和便攜性的技術(shù)，推動創(chuàng)新型醫(yī)療電子向更加靈活、實惠和便攜的方向發(fā)展，近年來TI加大了對醫(yī)療電子產(chǎn)品的開發(fā)力度，之前推出的諸多產(chǎn)品已在市場中引起強(qiáng)大反響。例如，面向 ECG 與 EEG 應(yīng)用推出的全面集成型模擬前端系列首款產(chǎn)品ADS1298、面向中高端頻譜多普勒超聲波設(shè)備推出的兩款具有連續(xù)波 (CW) 多普勒混頻器的集成型模擬前端 AFE5807ZCF與AFE5808ZCF，以及基于ADS1298系列推出的業(yè)界首批支持片上呼吸阻抗測量的全面集成型模擬前端ADS1298CZXGT等。 TI心電圖（ECG 或 EKG）解決方案 德州儀器 (TI) 始終致力于幫助客戶從容應(yīng)對任何設(shè)計挑戰(zhàn)，從而開發(fā)出創(chuàng)新的電子解決方案，讓未來世界更智能、更健康、更安全、更環(huán)保以及更精彩。 ADS1298CZXGT是全面集成的模擬前端 (AFE) 系列首款產(chǎn)品，以充分滿足便攜式與高端心電圖 (ECG) 、腦電圖 (EEG)設(shè)備、患者監(jiān)護(hù)以及消費(fèi)醫(yī)療應(yīng)用等需求。該款 8 通道 24 位 ADS1298 電源效率為每通道 1 mW，與分立式方案相比，可將組件數(shù)與功耗銳降 95%，同時還能使客戶實現(xiàn)最高的診斷準(zhǔn)確度。 此前，高功耗的大型設(shè)計方案限制了 ECG 與 EEG 設(shè)備的便攜性。制造商利用 ADS1298 的低功耗與高集成度，可開發(fā)出低成本的緊湊型便攜式設(shè)備。這種方便攜帶、隱蔽和佩戴的小型設(shè)備使醫(yī)生能夠更加輕松地長期監(jiān)控各種重要參數(shù)，在提高患者舒適度的同時，提高臨床數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。” • 集成了 ECG 與 EEG 前端所需的所有常見特性（具體如下），可簡化設(shè)計并節(jié)省板級空間，組件使用量銳降 95%： 8 個低噪聲可編程增益放大器（PGA）； 8 個高分辨率同步采樣 ADC； 右腿驅(qū)動集成型放大器； 針對威爾遜中心終端（Wilson Center Terminal，WCT）與戈德伯格終端（Goldberger Terminals，GCT）的集成型放大器； 數(shù)字計步 (digital pace detection) 功能； 電極檢測； 板載振蕩器與參照可實現(xiàn)更小尺寸的低功耗應(yīng)用。 • 每通道功耗 1 mW，與獨(dú)立式實施方案相比，功耗降低達(dá) 95%，從而可提高設(shè)備的便攜性與患者監(jiān)護(hù)移動性； • ADS1298 的 4-uVpp（典型值）輸入?yún)⒖荚肼曔h(yuǎn)遠(yuǎn)超過了IEC60601-2-27/51標(biāo)準(zhǔn)的限度，從而可提高便攜式設(shè)備以及高密度高端 ECG 與 EEG 設(shè)備的測量精度； • ECG 系統(tǒng)功能與發(fā)展 ECG 機(jī)的基本功能包括 ECG 波形顯示（通過 LCD 顯示屏或印刷紙媒質(zhì)顯示）、心跳律動指示以及通過按鈕控制的簡單用戶界面。越來越多的 ECG 產(chǎn)品要求具備更多的功能，例如通過便攜式媒體存儲電子病歷、無線/有線傳輸以及在具有觸摸功能的大型 LCD 顯示屏上顯示 2D/3D 圖像。多級診斷功能正在幫助沒有受過專門 ECG 培訓(xùn)的醫(yī)護(hù)人員掌握 ECG 模式及某些心臟病的信號指示。在采集并數(shù)字化 ECG 信號之后，將發(fā)送這些信號以進(jìn)行顯示和分析，其中包括進(jìn)一步的信號處理。ECG方案TI的處理信號芯片TMS320VC5505介紹 TMS320VC5505 定點DSP,它是基于TMS320C55x DSP C介紹PU核的定點DSP,它的C55x? DSP架構(gòu)可得到高性能和低功耗特性,CPU支持內(nèi)部總線架構(gòu),包括一條可編程總線,一條321位數(shù)據(jù)總總線和兩條16位數(shù)據(jù)讀總線,兩條數(shù)據(jù)寫總線和專門用于外設(shè)和DMA的其它總線. TMS320VC5505還包括4個DMA控制器,每個四路.時鐘為60MHz或100MHz,指令周期為16.67ns或10ns.主要用于無線音頻設(shè)備,回聲消除耳機(jī),手提媒體設(shè)備,視頻,工業(yè)控制,指紋生物學(xué)和SDR. 本文介紹了TMS320VC5505的主要特性和方框圖以及采用TMS320VC5505的ECG解決方案方框圖, ECG前端板詳細(xì)電路圖和所用材料清單(BOM) 低功耗 TMS320C5505 DSP 系列是互補(bǔ)型模擬前端的領(lǐng)先低功耗解決方案。 TMS320C5505 功耗不足 0.15 mW/MHz，可最大限度地提高便攜式患者監(jiān)護(hù)應(yīng)用的電池使用壽命。這些器件與 TI 全系列模擬信號鏈及電源管理解決方案進(jìn)行配合，可為客戶提供完整的 ECG 與 EEG 應(yīng)用信號鏈，加速產(chǎn)品的上市進(jìn)程。 信號采集挑戰(zhàn)： 大的直流偏移和多種干擾信號的出現(xiàn)會導(dǎo)致 ECG 信號的測量面臨挑戰(zhàn)。典型電極的電壓最高可達(dá) 300mV。干擾信號包含來自電源的 50/60Hz 干擾、病人活動導(dǎo)致的運(yùn)動偽影、電外科設(shè)備、除顫脈沖、起搏器脈沖及其它監(jiān)控設(shè)備等引起的射頻干擾。 ECG 內(nèi)所需的準(zhǔn)確度會隨終端設(shè)備的變化而有所不同： 標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控設(shè)備需要 0.05-30Hz 之間的頻率 診斷設(shè)備需要 0.05-1000Hz 之間的頻率 可以借助能消除兩輸入端 AC 線常見噪聲的高輸入阻抗儀表放大器 (INA) 抵消一些 50Hz/60Hz 共模干擾。為了進(jìn)一步消除輸電線供電噪聲，信號憑借放大器通過右腿被反向并向病人驅(qū)回。只需少許微電流甚至更少即可實現(xiàn)顯著的 CMR 改進(jìn)并保持在 UL544 限制之內(nèi)。此外還會使用 50/60Hz 數(shù)字陷波濾波器進(jìn)一步降低干擾。 高輸入阻抗儀表放大器 INA333 在心電圖應(yīng)用的具體介紹： INA333AIDRGR 是微功耗零漂移軌到軌精密儀表放大器,采用單一外接電阻可把增益設(shè)定在1到1000之間.工作電壓低到1.8V(±0.9V),靜態(tài)電流僅為50uA,有極低的噪音密度(50nV/ Hz) . 用于橋式放大器,心電圖(ECG)放大器,壓力傳感器,醫(yī)療儀器和手提儀表,熱電偶放大器和數(shù)據(jù)采集. 帶右腿驅(qū)動的ECG放大框圖 單電源非常低功耗的ECG應(yīng)用電路 模擬前端選項： 優(yōu)化功耗和模擬前端的 PCB 面積對于便攜式 ECG 而言非常關(guān)鍵。技術(shù)改進(jìn)后，當(dāng)前提供了多種前端選項： 使用低分辨率 ADC（需要所有濾波器） 使用高分辨率 ADC（需要較少濾波器） 使用 Σ-Δ ADC（無需濾波器、除 INA 之外的放大器、直流偏移） 使用順序和同步采樣方法。 使用低分辨率（16 位）ADC 時，信號需要被顯著增益（增幅通常為 100–200 倍）以達(dá)到必要的分辨率。使用高分辨率（24 位）Σ-Δ ADC 時，信號需要 4–5 倍的適度增益。因此可以除去消除直流偏移所需的第二增益級和電路。這將實現(xiàn)面積與成本上的整體縮減。Σ-Δ 方法還將保留信號的整個頻率內(nèi)容，并為數(shù)據(jù)后期處理提供充分的靈活性。 本文章來自：http://www.ameya360.cn/resource/application/ |
