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摘要: 據世界衛生組織的數據，心血管病已經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療條件的改善，中國高端醫療電子市場的需求大幅提升，尤其是醫療成像設備像心電圖，由于心電圖 ... 據世界衛生組織的數據，心血管病已經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療條件的改善，中國高端醫療電子市場的需求大幅提升，尤其是醫療成像設備像心電圖，由于心電圖檢查在診斷心血管病上具有準確可靠、方法簡便、對病人無損害等特點，在臨床上被廣泛應用。然而目前普遍采用的基于PC機平臺的心電圖機，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大多采用低檔單片機實現，無操作系統，處理能力弱，功能簡單，只能進行心電信號的采集、顯示與簡單的數據處理，人機界面不友好。隨著大規模的專用集成電路和計算機芯片的發展，基于32 bit微處理器的嵌入式系統以低成本、較高的性能和可靠性等諸多優勢，應用日益廣泛。基于這種現狀， 醫療信息化作為中國新醫改方案“四梁八柱”目標的“八柱”之一，一直是其它改革的重要技術基礎。不僅醫院自身業務的系統復雜性對管理信息系統升級提出了要求，隨著醫改的深入和醫療保障體制的健全，構建以電子病歷、居民健康檔案為基礎的區域醫療信息系統,實現醫院、醫療機構、行政管理部門之間的信息共享亦成為未來發展趨勢。 心電圖(ECG)介紹 心電圖(ECG)是用來捕捉心臟在一段時間內情況的反映，它通過外部電極連接到皮膚轉換成電信號來采集。心臟外面形成的每個細胞膜都有一個關聯電荷，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就發明了第一臺實用的心電圖。該系統很笨重，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。今天的心電監護設備結構緊湊，攜帶方便，這樣病人走動時也可以帶著。家用十二導聯心電圖可以裝在口袋里。 心電圖特點： 心電圖系統設計的第一步包括，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。系統里存在高偏移，由于電極產生的半個細胞電壓。Ag/AgCl (銀-銀氯化物)是心電圖系統里最常見的電極，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的重要組成部分，因為它需要區分噪聲和期望信號（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。這個測量放大器應具備高輸入阻抗，因為皮膚的阻抗可能是非常大的。需要運算放大器來作為心電圖設備的信號處理。心電圖采集系統的信號鏈包括測量放大器、濾波器（可通過運放實現）和ADC。 心電圖濾波 信號處理是一項巨大的挑戰，因為實際的信號為0.5mV，它處在一個300mV偏移量的環境里。其他因素如交流電源干擾，外科設備的射頻干擾，手術植入的設備如起搏器和生理監測系統也會影響精度。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，來自其他設備的射頻噪聲) 共模噪聲去除 干擾通常表現為經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字系統隔離。高效的系統級設計是總體噪聲抑制能力的關鍵。 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 數據轉換器在醫療設備領域的機遇在哪里，TI將如何把握呢？ 就數據轉換器而言，醫療產業是一個不斷增長的市場。在將溫度、圖像和聲音轉換成患者監控和診斷過程中處理和使用的數字信息時，我們就必須要使用高速數據轉換器。特別是對于10 比特及精度要求更高的設備來說，醫療成像設備呈現出一個快速增長的市場機遇。三個主要細分市場包括超聲波、磁共振成像 (MRI)，計算機斷層掃描術 (CT)，以及正電子放射斷層掃描術 (PET)。技術進步帶來了更快、更高精度的成像，以及更高的患者安全性。 在ECG領域，TI ADS1298CZXGT系列產品改變了其傳統概念。之前的ECG都是分立的，但是現在利用TI高度集成的模擬產品，如2通道、8通道產品，基本涵蓋了ECG的所有產品。在醫療保健成為世界一大熱點的時候，TI幫助使醫用設備向便攜式方向又推進了一步。目前，TI已開始了下一代產品開發的腳步，力爭生產出更低功耗的產品。 TI在ECG領域的下一代產品的性能有哪些提升呢？ 下一代產品會在功耗方面更優秀，將成為功耗優化后的下一代產品。而且生產出更多互補的產品，8通道產品非常穩定的針對醫療方面的產品。所以SVA的下一代產品會從通道、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。結合了全部SVA與TI的產品組合后，將會涵蓋全部市場。另外，我們的下一代AFE 可能是3通道的，更低功耗的產品應用于便攜式ECG。 隨著全球醫療電子市場的節節攀升以及中國十二五規劃對醫療行業的大力推動，國內醫療電子廠商也正在逐漸加大研發投入并加快其產品開發速度。根據《中國醫療電子行業戰略研究》報告，未來三年，中國醫療電子的市場規模將從2010年的403.1億元增長到2013年的692.5億元，年均復合增長率達19.8%。TI憑借廣闊的醫療電子產品線以及在各種市場領域（例如無線通信、消費類電子、汽車電子和工業控制等）的豐富的經驗，將在滿足廣大醫療電子客戶不斷增長的對更高速度、更高精度、更低功耗和更小設備的需求的同時滿足醫療電子各細分市場對質量和可靠性的高標準要求 在醫療領域，我們提到ECG，超聲，脈沖血氧計，這些高性能產品都在向便攜式方向發展。要求在性能與功耗上高度結合，兩者都很重要。我們致力于推動在這個領域的前 TI 始終致力于為未來醫療保健的變革發展技術，提高醫療設備的質量與易用性。TI 推出了種類齊全的模擬與嵌入式處理產品，從構建塊到完整的半導體解決方案，一應俱全；而且還配合了精深的系統知識、全球支持基礎設施、高級工藝技術以及醫療行業的參與。TI 正致力于幫助創新型醫療電子產品實現更高的靈活性與易用性，并降低成本。TI 在無線通信、消費類電子、汽車以及航空等眾多市場領域擁有豐富的經驗，可幫助工程師從容應對日益提高的要求，幫助他們不斷提高設備速度與精度、降低功耗與尺寸，并確保醫療市場需要的高質量與高可靠性標準。作為全球領先的醫療電子解決方案提供商，TI提供的醫療電子解決方案涵蓋了醫療成像系統、消費類醫療設備、醫療儀器、病患監控、診斷及治療設備等方方面面。TI 一直致力于開發用于提高醫療設備的質量和便攜性的技術，推動創新型醫療電子向更加靈活、實惠和便攜的方向發展，近年來TI加大了對醫療電子產品的開發力度，之前推出的諸多產品已在市場中引起強大反響。例如，面向 ECG 與 EEG 應用推出的全面集成型模擬前端系列首款產品ADS1298、面向中高端頻譜多普勒超聲波設備推出的兩款具有連續波 (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對任何設計挑戰，從而開發出創新的電子解決方案，讓未來世界更智能、更健康、更安全、更環保以及更精彩。 ADS1298CZXGT是全面集成的模擬前端 (AFE) 系列首款產品，以充分滿足便攜式與高端心電圖 (ECG) 、腦電圖 (EEG)設備、患者監護以及消費醫療應用等需求。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，可將組件數與功耗銳降 95%，同時還能使客戶實現最高的診斷準確度。 此前，高功耗的大型設計方案限制了 ECG 與 EEG 設備的便攜性。制造商利用 ADS1298 的低功耗與高集成度，可開發出低成本的緊湊型便攜式設備。這種方便攜帶、隱蔽和佩戴的小型設備使醫生能夠更加輕松地長期監控各種重要參數，在提高患者舒適度的同時，提高臨床數據的準確度。” • 集成了 ECG 與 EEG 前端所需的所有常見特性（具體如下），可簡化設計并節省板級空間，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； 數字計步 (digital pace detection) 功能； 電極檢測； 板載振蕩器與參照可實現更小尺寸的低功耗應用。 • 每通道功耗 1 mW，與獨立式實施方案相比，功耗降低達 95%，從而可提高設備的便攜性與患者監護移動性； • ADS1298 的 4-uVpp（典型值）輸入參考噪聲遠遠超過了IEC60601-2-27/51標準的限度，從而可提高便攜式設備以及高密度高端 ECG 與 EEG 設備的測量精度； • ECG 系統功能與發展 ECG 機的基本功能包括 ECG 波形顯示（通過 LCD 顯示屏或印刷紙媒質顯示）、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 培訓的醫護人員掌握 ECG 模式及某些心臟病的信號指示。在采集并數字化 ECG 信號之后，將發送這些信號以進行顯示和分析，其中包括進一步的信號處理。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架構可得到高性能和低功耗特性,CPU支持內部總線架構,包括一條可編程總線,一條321位數據總總線和兩條16位數據讀總線,兩條數據寫總線和專門用于外設和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備,回聲消除耳機,手提媒體設備,視頻,工業控制,指紋生物學和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前端板詳細電路圖和所用材料清單(BOM) 低功耗 TMS320C5505 DSP 系列是互補型模擬前端的領先低功耗解決方案。 TMS320C5505 功耗不足 0.15 mW/MHz，可最大限度地提高便攜式患者監護應用的電池使用壽命。這些器件與 TI 全系列模擬信號鏈及電源管理解決方案進行配合，可為客戶提供完整的 ECG 與 EEG 應用信號鏈，加速產品的上市進程。 信號采集挑戰： 大的直流偏移和多種干擾信號的出現會導致 ECG 信號的測量面臨挑戰。典型電極的電壓最高可達 300mV。干擾信號包含來自電源的 50/60Hz 干擾、病人活動導致的運動偽影、電外科設備、除顫脈沖、起搏器脈沖及其它監控設備等引起的射頻干擾。 ECG 內所需的準確度會隨終端設備的變化而有所不同： 標準監控設備需要 0.05-30Hz 之間的頻率 診斷設備需要 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回。只需少許微電流甚至更少即可實現顯著的 CMR 改進并保持在 UL544 限制之內。此外還會使用 50/60Hz 數字陷波濾波器進一步降低干擾。 高輸入阻抗儀表放大器 INA333 在心電圖應用的具體介紹： 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定在1到1000之間.工作電壓低到1.8V(±0.9V),靜態電流僅為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,醫療儀器和手提儀表,熱電偶放大器和數據采集. 帶右腿驅動的ECG放大框圖 單電源非常低功耗的ECG應用電路 模擬前端選項： 優化功耗和模擬前端的 PCB 面積對于便攜式 ECG 而言非常關鍵。技術改進后，當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容，并為數據后期處理提供充分的靈活性。 本文章來自：http://www.ameya360.cn/resource/application/ |
