在不久前于舊金山召開的2011年度國際固態(tài)電路會議上，與會專家紛紛指出電子技術將協(xié)助推動醫(yī)療護理體系由醫(yī)院擴大至居家，降低相關成本并提升民眾生活質量，而新一代處理器、無線技術、 電池 技術與數(shù)據(jù)采集技術的結合將是實現(xiàn)這樣轉變的必要條件。
作為在現(xiàn)代醫(yī)療應用中發(fā)揮極其重要作用并獲廣泛使用的檢測設備，心電圖（ECG）設備一直在見證這樣的轉變。心電圖之父 Willem Einthoven 一百多年前發(fā)明第一臺真正意義上的心電圖設備時，龐大而笨重，需要很多人參與操作才能實現(xiàn)一次心電圖檢測。而今天，高性能12導聯(lián)的心電圖儀已經可以輕松裝入口袋之中。
作為全球領先的高性能信號處理解決方案供應商及醫(yī)療設備行業(yè)的長期供應商，ADI 公司近日推出支持 ECG 系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)護級和診斷級性能的全集成 AFE（模擬前端）系列芯片的首款產品 ADAS1000，能夠測量 ECG 信號、胸阻抗、起搏檢測、導聯(lián)連接/脫落狀態(tài)，并將此信息以數(shù)據(jù)幀的形式輸出，以可編程數(shù)據(jù)速率提供導聯(lián)/矢量或電極數(shù)據(jù)。ADAS1000的推出再次續(xù)寫了心電圖設備小型化、高性能的發(fā)展趨勢。
ADAS1000 讓 ECG 設計變得如此簡單
圖1是 ECG 設計的一個單導聯(lián) ECG 系統(tǒng)簡化系統(tǒng)功能框圖。如果采用分立器件實現(xiàn) ECG 設計，在模擬前端部分，每個導聯(lián)都需要實現(xiàn)圖中保護電路、緩沖、放大及濾波、ADC 等功能電路模塊。工程師獨立完成該系統(tǒng)設計將是一個極具挑戰(zhàn)性的工作：首先，分立器件的選擇需要參考眾多的性能指標，包括濾采樣速率、帶寬、噪聲，等等；為使 ECG 測量輸出信息可用，必須保證通道之間的一致性；前端信號調理電路與 ADC 之間的匹配；眾多的調試點，調試工作量巨大……事實上，除了圖中所示的基本功能模塊外，用戶的設計工作可能還包括：構建 RFI 濾波器以減少諸如手機、廣播等的無線干擾；選擇合適的阻容器件設定恰當?shù)臑V波頻率；對敏感器件增加靜電屏蔽罩以避免 ESD 干擾，使產品滿足 IEC 相關標準要求。
ECG 系統(tǒng)框圖（單導聯(lián)）
采用 ADAS1000 集成模擬前端，上述問題都有效回避！所有的前端信號處理都在單芯片內部實現(xiàn)，用戶所需要完成的僅僅是按照系統(tǒng)設計需求，通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)關鍵寄存器的設置。電路設計變得如此簡化，只需使用幾顆貼片阻容器件即可，可以大大地縮短 ECG 系統(tǒng)設計時間，而模擬前端部分的調試點也從以前分立解決方案的幾十個減少到現(xiàn)在的幾個，從而讓系統(tǒng)調試變得非常簡單，加快產品面市。
高集成度使 ADAS1000 心電圖模擬前端的信號鏈材料清單明顯縮減，從原來的多達50個器件減少到只需單芯片 ADAS1000 外加幾個分立器件，極大的簡化了多電極 ECG 系統(tǒng)的設計。圖3是完整的 ADAS1000 評估板，其中紅框中的電路是多通道 ECG 模擬前端部分，該電路中采用了兩塊 ADAS1000 芯片（為簡化測試結果的顯示，其中一塊未貼片）以實現(xiàn)多導聯(lián)擴展。從圖中可以看到電路非常干凈（為方便測試，電路中增加了額外器件和布局考慮）。
ADAS1000內部功能框圖
ADAS1000 還能支持 ECG 的無縫擴展。ADAS1000 很好地解決了通道間的一致性問題，針對更多導聯(lián)的應用需求，您可以靈活地利用多塊 ADAS1000 輕松實現(xiàn)系統(tǒng)的擴展，高一致性讓信號看起來就像來自同一塊芯片，幾乎不增加系統(tǒng)的開發(fā)和調試難度。
ADAS1000 的其它主要特性和優(yōu)勢包括：直流耦合通道方案具有簡化輸入切換、增加功能、降低功耗和獨特的后處理優(yōu)勢；5個 ECG 電極測量的工作功耗僅19mW，可以方便地禁用任何不用的通道或特性，使一個導聯(lián)的最低功耗僅11mW；低噪聲性能（0.05 Hz至150 Hz范圍內10 µV峰峰值）支持終端設備監(jiān)管標準；提供不同的數(shù)據(jù)幀速率（2kHz、16kHz、128kHz），最大程度地簡化數(shù)據(jù)采集任務；能夠簡化整體設計，去除許多分立器件，并縮減系統(tǒng)整體尺寸、降低功耗、縮短開發(fā)時間。該器件還集成了起搏器脈搏檢測和呼吸測量功能，這些特性對于高性能 ECG 系統(tǒng)至關重要。
基于 ADAS1000的開發(fā)評估板
高集成度而不失設計靈活性
高集成度的優(yōu)勢通常以缺乏設計靈活性為代價，然而 ADAS1000 在某種程度上讓設計師更具設計靈活性，因為用戶幾乎可以利用 SPI 數(shù)據(jù)接口通過對寄存器配置，實現(xiàn)針對任何一個環(huán)節(jié)的相關特性進行設定，包括濾波器帶寬設定、數(shù)據(jù)速率設定、采樣速率設定、通道禁用，等等。
心電圖設備針對不同的應用有不同的要求，例如家用的便攜性、低功耗和低成本，而診所和醫(yī)院對設備的特性和性能要求更高。借助高度集成的 ADAS1000 AFE，設計人員將能開發(fā)出更緊湊、更便攜的新一代 ECG 系統(tǒng)，也可以提供有效分析病人心臟狀況所需的診斷級精度。該器件可以針對噪聲性能、功耗或數(shù)據(jù)速率進行優(yōu)化配置，適合家用、救護車和臨床 ECG 系統(tǒng)。
功耗是便攜式 ECG 最重要的指標。對于便攜式的動態(tài)心電圖監(jiān)測儀，通常病人需要隨身攜帶連續(xù)一星期或幾天以了解心臟的跳動規(guī)律，真正判斷心臟部位的健康狀況。對于這一類 ECG 市場來說，一般至少要保證8到10個小時的設備續(xù)航能力，就目前的鋰電池容量來看，這對系統(tǒng)的功耗設計是一個挑戰(zhàn)，設計工程師必須對系統(tǒng)中每一個用到的器件都要提出嚴格的功耗預算。ADAS1000 在設計時充分考慮到了這一點，可以最大程度地實現(xiàn)功耗和性能的均衡考慮。為降低功耗，用戶在使用 ADAS1000 時可以方便地禁用任何不用的通道或特性，可以關閉信號采集通道，降低采樣速率，或采用不同的數(shù)據(jù)幀速率，從而可以使一個導聯(lián)的最低功耗低至11mW。此外，ADAS1000采用了一種靈活的功耗/噪聲調整選擇，可以針對特定應用以容忍適當噪聲來降低功耗，或以提高功耗為代價降低噪聲。
全面技術支持助您輕松實現(xiàn)系統(tǒng)設計
在推出集成模擬前端子系統(tǒng) ADAS1000 芯片同時，ADI 還提供了 ADAS1000 的全功能評估板，它包括該 AFE、電源、用于簡化開發(fā)和制造的控制與接口選項，并且能夠配置該 AFE（從5導聯(lián)到12導聯(lián)）進行最終部署。包括全功能評估板和評估軟件平臺在內的該套演示評估系統(tǒng)是對 ADAS1000 芯片進行性能評估的良好工具，板上兩片 ADAS1000 可支持演示1到12導聯(lián)系統(tǒng)（需軟件支持），而完整的 USB 控制軟件可讓用戶方便地對芯片進行配置以及對 ECG 信號和呼吸信號的觀察和分析；5V板上電源，兩片 ADP151 提供 ADAS1000 的通電需要；可選的在 CEG 通路上的 R&C 電路使得用戶可以按照系統(tǒng)要求靈活調整自己的濾波及線纜模式。為了簡化制造測試、開發(fā)以及提供整體上電測試，ADAS1000 通過 CAL DAC提供一套直流和交流測試激勵、CRC 冗余測試，以及對所有相關寄存器地址空間的回讀功能。
ADI 可以為 ECG 系統(tǒng)設計者提供除電極以外的全套配套器件，包括 Blackfin® DSP（數(shù)字信號處理器）、單芯片 USB 隔離器 ADuM4160、四通道數(shù)字隔離器 ADuM2401、5kV DC/DC 轉換器ADuM6000、收發(fā)器 ADF7023、線性調節(jié)器 ADP150 和 ADP151。
除了提供演示評估系統(tǒng)和配套器件外，ADI 專門針對醫(yī)療電子應用成立的健康保健事業(yè)部匯集了全球具有豐富醫(yī)療電子應用設計經驗的專家，他們可以為 ECG 產品系統(tǒng)設計提供更具針對性的專業(yè)建議，解決設計難題。
ADI助力中國廠商進軍 ECG 市場
與五大巨頭（GE、日立、飛利浦、西門子和東芝）瓜分主要蛋糕的全球 CT 市場不同，心電圖市場的全球主要供應商達數(shù)十家，更有數(shù)以百計的中小規(guī)模制造商。因此，對于近年來迅速成長的中國本土醫(yī)療設備企業(yè)來說，快速增長的全球 ECG 市場是最具發(fā)展前景、更具競爭機會的市場之一。
ADI 擁有全球領先的模擬和數(shù)字技術，并將醫(yī)療電子作為重點關注的領域之一，ADI 公司更在四年前成立了專門的健康保健事業(yè)部以加強在該領域的持續(xù)技術領先性和技術服務能力。ADAS1000 產品的推出正是根據(jù)當今 ECG 產品發(fā)展的特殊需求開發(fā)的高集成度芯片，高集成度、優(yōu)化的前端方案帶來的簡化設計優(yōu)勢和快速產品面市將有助于中國廠商的加入全球市場競爭，將推動 ECG 設備市場的新一輪革新。