心電圖前端的信號采集挑戰(zhàn)

　　心壁收縮產(chǎn)生的動作電位將電流從心臟傳遍全身。傳播電流在身體的不同位置產(chǎn)生不同的電位，可由電極通過使用金屬和鹽制成的生物變送器在表皮感應(yīng)到。此電位是一種帶寬為 0.05Hz 至 100Hz(有時高達 1kHz)的 AC 信號。存在更大的外部高頻噪聲加 50Hz/60Hz 干擾的正常模式(與電極信號混合)和共模電壓(所有電極信號共有)時，它的峰至峰值一般約為 1mV。

　　共模由兩個部分組成：(1) 50Hz 或 60Hz 干擾和 (2) DC 電極偏移電位。生物物理帶寬范圍內(nèi)的其它噪音或更高頻率來自移動偽像，移動偽像會改變皮膚電極接口、肌肉收縮或肌電圖峰值、呼吸(可以是有節(jié)奏的或無節(jié)奏的)、電磁干擾 (EMI) 以及源自輸入耦合的其它電子器件的噪聲。有些噪聲可借助高輸入阻抗儀器放大器 (INA)(例如 INA326 或 INA118)來抵消，這種放大器可消除兩種輸入都常見的 AC 線路噪聲，并放大輸入中存在的剩余不規(guī)則信號;IA CMR 越高，噪聲抑制就越高。由于它們發(fā)生在身體的不同位置，左臂和右臂 ECG 信號將處于不同的電壓水平，并被 IA 放大。要進一步抑制 50Hz 和 60Hz 的噪聲，可使用推導(dǎo)共模電壓的運算放大器倒轉(zhuǎn)共模信號，并使用放大器 A2 通過右腿驅(qū)回病人體內(nèi)。僅需要幾微安培或更弱的電流就可取得顯著的 CMR 改進，并維持在 UL544 限制內(nèi)。

　　三個 ECG 電極通過具有 5V 單電源的 CMOS 器件與病人相連。

　　電源電壓

　　與大多數(shù)其它應(yīng)用一樣，生物物理監(jiān)控的系統(tǒng)電源電壓持續(xù)趨于較低的、單電源電平。盡管雙極電源仍在使用，5V 系統(tǒng)現(xiàn)已很常見，并趨向于 3.3V 單電源。這一趨勢為面對 500mV 電極電位的設(shè)計人員帶來一項重大的挑戰(zhàn)，并強調(diào)了對精度信號調(diào)節(jié)解決方案的需求。盡管以下討論 集中在單電源設(shè)計上，所涉及的原理同樣適用于雙極電源設(shè)計。下面列出了單電源和雙極電源器件的推薦列表。

　　頻率響應(yīng)

　　用于病人監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn) 3dB 頻率為 0.05Hz 至 30Hz，而診斷級監(jiān)控需要 0.05Hz 至 100Hz 或更高頻率。雖然 ECG 波形的重要特性具有超低頻率的特點，所有 ECG 前端都必須與 AC 耦合，以便從電極偏移電位中移除偽像。

　　電極電位

　　由于電極電位可達到 +/-500mV，因此可通過 AC 耦合在低頻下消除電極電位的影響以實現(xiàn)精確測量。反饋配置中的 DC 恢復(fù)放大器將 DC 偏移調(diào)零。如果左臂 DC 偏移為 +300mV 而右臂電極為 0V DC，則差動輸入電壓為 300mV。由于儀表放大器具有 10 的增益，因此儀表放大器的輸出顯示為 3V。如果增益為 50 或以上，輸出放大器會嘗試將信號向上驅(qū)動至 150V，但永遠不會達到這一電壓，因為反饋集成器會對參考點應(yīng)用等伏負(fù)電壓。利用此線性求和效果，3V 正偏移由負(fù) 3V 校正電壓所抵消。該 DC 恢復(fù)的結(jié)果是將原 DC 耦合放大器轉(zhuǎn)變?yōu)?AC 耦合放大器。因為 DC 電極偏移已經(jīng)消除，所以輸出級可放大信號，在不飽和的情況下最大程度地擴展數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入范圍。

　　儀表放大器要求

　　低增益下的穩(wěn)定性(G = 1 至 10)

　　高共模抑制 (CMR)

　　低輸入偏置電流 (IB)

　　良好的輸出軌擺幅

　　超低偏移和漂移

　　運算放大器要求

　　低噪聲，高增益(增益 = 10 至 1000)

　　軌至軌輸出

　　超低偏移和漂移