高靠得住性心脏监护仪设计详解

除了去转变糊口体式格局，适度包管运动量，监督康健参数以及详细的养分方案亦能有用助在降低高血压、血脂异样以及肥胖症的病发率。

作者： 年夜康健派编纂来历： 中国IDC圈2016-07-19 13:47:30

晋升糊口质量固然是转变一样平常糊口体式格局最先，可是，监督康健参数以及详细的养分方案有助在降低高血压、血脂异样以及肥胖症的病发率。转变糊口体式格局对于年青人一样有利。美国运动医学会 （ACSM）发布一些国际康健糊口体式格局指引并于美国高中履行。假如不转变一样平常糊口体式格局，当步入中年时，周运动量将会少患上可怜。事实上，周运动量少在1小时的中年女士逝世在血汗管疾病的几率是运动量较多的同龄女士的两倍 （见图 1）。

既然监督糊口体式格局以及康健参数已经成为准确诊断病症的主要要素，本文将先容一个新的可以或许监督心脏及此间接参数的仪器。

图 1： ACSM保举高质量的糊口

全球列国的医疗保健收入都于增加，呼声愈来愈高的慢性病以及感染病预防医治方案是列国当局需要解决的问题，这使科医疗康健向所谓的 病患保健与自理 标的目的成长。病患险些再也不被动接管大夫的照顾护士提议，而是于大夫的引导下，可以或许更好地自理。这就孕育发生一种有康健意识的许多当局机关以及自力构造也倡导的糊口体式格局。

图 2： 床式心电监护体系

这一新的假想合用在愈来愈多的保健站（PoC）。保健站漫衍于都会的州里以及村子中，被视为进入大众医疗康健构造的第一个进口，人们想要于保健站征询配备倏地诊断东西的医疗职员。此中，心电监护仪（ECG）是最基本的诊断仪器。保健站的心电监护仪凡是是电脑辅助型心电监测机，这类机型沿用传统床式心电监护体系（图2）的模仿子体系，使用PC机处置惩罚并显示数据。于这类硬件配置中，PC机饰演两个主要脚色：生存以及检索心电数据；治理体系收罗的数据。

近来的研究证实，持续诊断反馈数据可加强人们连续革新糊口体式格局的意志。康健长途监护显然是小我私家大夫与病患连结间接接洽的解决方案。

意法半导体的 D-ECG心电监护仪方案

电极是收罗心电数据的传感器（图3），将活的生物构造内的离子电流转换成电子医疗仪器的模仿前端可以或许检测的电子电流。为理解心电图等生物电旌旗灯号孕育发生的缘故原由，咱们应该思量下面几个因素：

1. 心肌细胞的电勾当；被置在与体液成份不异的同质水浴造就基中的单个心肌细胞的电勾当致使的细胞外电势；

2. 置在一个年夜型含体液离子成份的导电介质中的年夜量心肌构造的电勾当致使的细胞外电势；

3. 这些细胞外电势与身体外貌记载的总电勾当即心电图旌旗灯号之间的瓜葛

图3： 心电旌旗灯号波形

对于诊断有主要意思的心电旌旗灯号频次规模于0.05－250 Hz之间，为确保完善捕捉旌旗灯号，模仿前端必需可以或许放年夜心电图旌旗灯号，滤除了非生物旌旗灯号（例如，电源线噪声）和无关的生物滋扰（例如EMG），并集成一个于 80 120 dB规模内共模按捺比（CMMR）优秀的高增益差分放年夜器。

于心电监护体系内，计较机存储器、显示器以及打印机都是用在生存以及显示心电数据。心电监护仪的电极凡是环境下被固定于患者身体上（见图2） ，这些电极连线被称之为导联线（I， II， III， aVR， aVL， aVF， V1， V2，V3， V4， V5， V6）。

例如：

导联 I = RA LA （右臂 左臂）

导联 II = RA LF （右臂 左脚）

导联 III = LA LF （左臂 左脚）

aVR 是于右臂取患上：

aVL 是于左臂取患上：

aVF是于左腿取患上：

V1 是置在胸骨右缘第四肋间的电极与VWCT的差值

V2是置在胸骨左缘第四肋间的电极与VWCT的差值

V3是置在V2以及V4距离处的电极与VWCT的差值

V4 是置在锁骨中线与第五肋间订交处的电极与VWCT的差值。

V5是置在左腋中线水与第五肋间订交处的电极与VWCT的差值。

V6是置在腋中线水与第五肋间订交处的电极与VWCT的差值

此中 VWCT是虚拟参考点，又称威尔逊导联中央点（WCT）：

图 4： HM301D框图

意法半导体HM301D （见图 4）是一个合适的心电旌旗灯号收罗方案，除了前文说起的必备功效外，还具备一系列全集成可配置的数字带通滤波器，让医疗职员可以或许选择性阐发心电波形。

图 5： 多片布局

颠末滤波以及处置惩罚后，心电数据经由过程SPI端口授至外部微节制器。每一个HM301D芯片都包罗三个完备的心电差分通道，至多可将4个HM301D芯片毗连于一路，组成一个多导联心电监护仪（见图5）。

全世界有约莫300万人使用起搏器，像心电监护仪如许的诊断类仪器必需撑持起搏器脉冲阐发。HM301D有两个起搏器公用通道，每一条通道提供10 kHz带宽以及起搏脉冲检测可调功效。

除了�����APP心电阐发功效外，HM301D具备全集成的阻抗丈量通道，提供体重以及呼吸速度计较所需的功效。 HM301D经由过程心电监护仪的两个电极向人体发射高频方波弱电流，然后丈量终极的电压。基在数字带通滤波器的IQ调制/解调技能提供与呼吸相干的时变频次成份中的实际频次以及假想频次，和与体重有关的非时变频次成份。

其它功效特征包孕右腿驱动器、WCT驱动器、屏蔽驱动器以及一个输入毗连矩阵。低压电源以及低功耗还使该芯片出格合用在电池供电装配。

HM301D评估板： STEVAL-IME002Vx

STEVAL-IME002Vx是一系列基在HM301D诊断级模仿前端芯片的评估板。HM301D是意法半导体针对于生物电以及生物阻抗丈量推出的新产物。

图 6： STEVAL-IME002V1评估板

图7： STEVAL-IME002V2评估板

该系列评估板共有STEVAL-IME002V1 以及 STEVAL-IME002V2两款产物，别离用在演示HM301D于心电监护仪（或者病患监护体系） （ECG）以及主动体外除了颤器（AED）中的机能体现。

这两款电路板还搭载一个32位的STM32微节制器，用在治理HM301D的SPI和谈以及电路板与PC机之间的USB通讯。两款电路板都能共同公用PC机软件图形用户界面，演示差别的运用配置的事情环境。

为优化硬件开发，两款电路板险些不异；独一差别的地方是板载元器件，经由过程比力图6以及图7，咱们很轻易看出差别的地方。

STEVAL-IME002Vx评估板经由过程SPI菊花链拓扑至多可毗连三个 HM301D芯片，是以，STEVAL-IME002V1可能有1个、2个或者3个HM301D芯片，别离用U一、U2以及U3暗示；STG3692 （低压高带宽四通道SPDT开关）用在治理三种配置之间的开关。三个芯片毗连只能使用菊花链拓扑。换句话说，于没有U1时，没法使U1以及U2事情。准予开关挨次是U1；U1以及 U2； U一、U2以及 U3。

HM301D的每一一条输入线上都有ESD掩护器件ESDALCL6-2SC6，该器件切合IEC61000-4-2 规范的4级掩护尺度。

图 8： 板上毗连逻辑图

图8的硬件框图描写了板上所有元器件之间逻辑毗连路线，同时图10给出了元器件于电路板上的结构。

图 9： SPI菊花链

图9所示是STM32F103CBT6外设与HM301D芯片之间的逻辑毗连图，此中STM32F103CBT6是SPI总线的主节制器，卖力治理SPI开关通道（经由过程STG3692），开关微节制器与SDO旌旗灯号的毗连路线。

图10： STEVAL-IME002Vx电路板结构

为评测HM301D芯片的差别事情模式，评估板准予第一个 HM301D （U1）的接纳双极或者单极毗连模式，而别的两个HM301D （U2以及 U3）的毗连一直接纳单极模式。

表1：首个基在 HM301D的吸收定位输入配置

出格是于STEVAL-IME002V1电路板上，U1被配置成收罗艾因特霍芬（Einthoven）正三角形旌旗灯号，其顶点是LA （左臂）、 RA （右臂）以及LL（左腿），三个顶点间接毗连U1。此外，RL （右腿）是电势的参考电极，与U1的9号针相连。这类毗连体式格局使心电图正面肢体导联线数据检索变患上十分轻易。事实上，导联线 I 是LA与RA的电势差；导联线 II是LL与RA的电势差；导联线III 是LL与LA的电势差。导联线的毗连是由电阻R一、R二、R3以及R15节制（见表1）。

传统临床心电图机大都使用单通道放年夜器，其数据记载体系准予经由过程一个多点开关选择所需的导联线毗连体式格局。STEVAL-IME002V1评估板上的HM301D芯片可记载所有导联（I， II， III， V1， V2， V3， V4， V5， V6）数据 ，并经由过程图形用户界面的参数设置功效，将收罗到的数据送入生物电位放年夜器放年夜。用户还可以于PC机上记载心电导联数据。

电极V一、V二、V3如果存于，经由过程单极体式格局连至U2，电极 V四、V五、V6单极连至U3。U2以及U3芯片的毗连体式格局都是单极模式，以主装备（U1）的 WCT为参考旌旗灯号。

出格留意的是，STEVAL-IME002V2电路板上只安装U1，并被配置成仅收罗导联I，即LA与RA的电势差。

一旦根据表1完成须要的配置后，评估板便可投入使用。事实上，电路板另有配套的STM32固件，使STM32微节制器可以或许从HM301D检索所有的心电旌旗灯号， 经由过程USB数据线传送到PC机。

该评估板还为客户提供一个图形用户界面（GUI）的PC软件，该软件可设置心电监护仪体系的参数（见图11），并于显示屏上绘制所收罗旌旗灯号的波形（见图12）。

图11： EDEN界面主窗口

用户可以轻松打印心电数据或者生存到当地磁盘，以备深切阐发或者医治后诊断。

此外，软件图形界面还能检索HM301D阻抗通道的信息，丈量人体阻抗和因呼吸而惹起的各类变迁。

STEVAL-IME002Vx评估板上的HM301D还能丈量掩护器件以及电路板自己孕育发生的串联电阻。用户必需思量这个参数。于对于话框的右边（见图12），用户可以看到导联线断开检测以及相干阻抗。导联线断开检测是持续查抄置在人体上的电极的毗连状态，当相干标记变红色时，用户必需查看电极于病患身体上的物理毗连状态。

图 12： 心电数据画图窗口

结论

本文先容意法半导体的心电监护仪模仿前端解决方案，该设计对于医疗保健站颇有价值，代表了心电监护运用模仿前真个最新结果。其模块化及其固件以及软件帮忙用户轻松设计属在本身的前端芯片。

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