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摘要: 據世界衛生組織的數據，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(zhù)中國人口老齡化、居民財富的增長(cháng)以及醫療條件的改善，中國高端醫療電子市場(chǎng)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(jīng)成為造成全球人口死亡的主要因素。再加上隨著(zhù)中國人口老齡化、居民財富的增長(cháng)以及醫療條件的改善，中國高端醫療電子市場(chǎng)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(jiǎn)便、對病人無(wú)損害等特點(diǎn)，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(chǎng)上便攜式心電圖機大多采用低檔單片機實(shí)現，無(wú)操作系統，處理能力弱，功能簡(jiǎn)單，只能進(jìn)行心電信號的采集、顯示與簡(jiǎn)單的數據處理，人機界面不友好。隨著(zhù)大規模的專(zhuān)用集成電路和計算機芯片的發(fā)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(yōu)勢，應用日益廣泛�；谶@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(shù)基礎。不僅醫院自身業(yè)務(wù)的系統復雜性對管理信息系統升級提出了要求，隨著(zhù)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(shí)現醫院、醫療機構、行政管理部門(mén)之間的信息共享亦成為未來(lái)發(fā)展趨勢。 心電圖(ECG)介紹 心電圖(ECG)是用來(lái)捕捉心臟在一段時(shí)間內情況的反映，它通過(guò)外部電極連接到皮膚轉換成電信號來(lái)采集。心臟外面形成的每個(gè)細胞膜都有一個(gè)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在皮膚上，可以通過(guò)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(shí)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(dòng)時(shí)也可以帶著(zhù)。家用十二導聯(lián)心電圖可以裝在口袋里。 心電圖特點(diǎn)： 心電圖系統設計的第一步包括，了解需要獲取的信號種類(lèi)。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(diǎn)。系統里存在高偏移，由于電極產(chǎn)生的半個(gè)細胞電壓。Ag/AgCl (銀-銀氯化物)是心電圖系統里最常見(jiàn)的電極，它的最大偏移電壓為 / -300mV。實(shí)際期望的信號為 / -0.5mV疊加在了電極偏移上。此外，系統還會(huì )合上來(lái)自電源線(xiàn)的50/60Hz噪聲，形成共同模式的信號。電力線(xiàn)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(diǎn)。 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�。�。模擬前端處理電路包括一個(gè)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(lái)加大的輸入電壓范圍。這個(gè)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(lái)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(guò)運放實(shí)現）和ADC。 心電圖濾波 信號處理是一項巨大的挑戰，因為實(shí)際的信號為0.5mV，它處在一個(gè)300mV偏移量的環(huán)境里。其他因素如交流電源干擾，外科設備的射頻干擾，手術(shù)植入的設備如起搏器和生理監測系統也會(huì )影響精度。心電圖里噪聲的主要來(lái)源是 基線(xiàn)漂移(低頻噪聲) 電力線(xiàn)干擾(來(lái)自電力線(xiàn)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(shí)際信號。它通常是在軟件里糾正。) 其他干擾(例如，來(lái)自其他設備的射頻噪聲) 共模噪聲去除 干擾通常表現為經(jīng)過(guò)差分放大器兩端的共模噪聲。這種噪聲可以通過(guò)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(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(chǎng)的投入 數據轉換器在醫療設備領(lǐng)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(chǎn)業(yè)是一個(gè)不斷增長(cháng)的市場(chǎng)。在將溫度、圖像和聲音轉換成患者監控和診斷過(guò)程中處理和使用的數字信息時(shí)，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(lái)說(shuō)，醫療成像設備呈現出一個(gè)快速增長(cháng)的市場(chǎng)機遇。三個(gè)主要細分市場(chǎng)包括超聲波、磁共振成像 (MRI)，計算機斷層掃描術(shù) (CT)，以及正電子放射斷層掃描術(shù) (PET)。技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)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(chǎn)品，如2通道、8通道產(chǎn)品，基本涵蓋了ECG的所有產(chǎn)品。在醫療保健成為世界一大熱點(diǎn)的時(shí)候，TI幫助使醫用設備向便攜式方向又推進(jìn)了一步。目前，TI已開(kāi)始了下一代產(chǎn)品開(kāi)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(huì )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)出更多互補的產(chǎn)品，8通道產(chǎn)品非常穩定的針對醫療方面的產(chǎn)品。所以SVA的下一代產(chǎn)品會(huì )從通道、功耗和便攜式方面做出努力，能夠為市場(chǎng)上的任何客戶(hù)提供解決方案。結合了全部SVA與TI的產(chǎn)品組合后，將會(huì )涵蓋全部市場(chǎng)。另外，我們的下一代AFE 可能是3通道的，更低功耗的產(chǎn)品應用于便攜式ECG。 隨著(zhù)全球醫療電子市場(chǎng)的節節攀升以及中國十二五規劃對醫療行業(yè)的大力推動(dòng)，國內醫療電子廠(chǎng)商也正在逐漸加大研發(fā)投入并加快其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度。根據《中國醫療電子行業(yè)戰略研究》報告，未來(lái)三年，中國醫療電子的市場(chǎng)規模將從2010年的403.1億元增長(cháng)到2013年的692.5億元，年均復合增長(cháng)率達19.8%。TI憑借廣闊的醫療電子產(chǎn)品線(xiàn)以及在各種市場(chǎng)領(lǐng)域（例如無(wú)線(xiàn)通信、消費類(lèi)電子、汽車(chē)電子和工業(yè)控制等）的豐富的經(jīng)驗，將在滿(mǎn)足廣大醫療電子客戶(hù)不斷增長(cháng)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(shí)滿(mǎn)足醫療電子各細分市場(chǎng)對質(zhì)量和可靠性的高標準要求 在醫療領(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合，兩者都很重要。我們致力于推動(dòng)在這個(gè)領(lǐng)域的前 TI 始終致力于為未來(lái)醫療保健的變革發(fā)展技術(shù)，提高醫療設備的質(zhì)量與易用性。TI 推出了種類(lèi)齊全的模擬與嵌入式處理產(chǎn)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(shù)以及醫療行業(yè)的參與。TI 正致力于幫助創(chuàng )新型醫療電子產(chǎn)品實(shí)現更高的靈活性與易用性，并降低成本。TI 在無(wú)線(xiàn)通信、消費類(lèi)電子、汽車(chē)以及航空等眾多市場(chǎng)領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)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(chǎng)需要的高質(zhì)量與高可靠性標準。作為全球領(lǐng)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(lèi)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(kāi)發(fā)用于提高醫療設備的質(zhì)量和便攜性的技術(shù)，推動(dòng)創(chuàng )新型醫療電子向更加靈活、實(shí)惠和便攜的方向發(fā)展，近年來(lái)TI加大了對醫療電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)力度，之前推出的諸多產(chǎn)品已在市場(chǎng)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(chǎn)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A(yíng)DS1298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(hù)從容應對任何設計挑戰，從而開(kāi)發(fā)出創(chuàng )新的電子解決方案，讓未來(lái)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(mǎn)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(shí)還能使客戶(hù)實(shí)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(kāi)發(fā)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(cháng)期監控各種重要參數，在提高患者舒適度的同時(shí)，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(jiàn)特性（具體如下），可簡(jiǎn)化設計并節省板級空間，組件使用量銳降 95%： 8 個(gè)低噪聲可編程增益放大器（PGA）； 8 個(gè)高分辨率同步采樣 ADC； 右腿驅動(dòng)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(shí)現更小尺寸的低功耗應用。 • 每通道功耗 1 mW，與獨立式實(shí)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(dòng)性； • ADS1298 的 4-uVpp（典型值）輸入參考噪聲遠遠超過(guò)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(fā)展 ECG 機的基本功能包括 ECG 波形顯示（通過(guò) LCD 顯示屏或印刷紙媒質(zhì)顯示）、心跳律動(dòng)指示以及通過(guò)按鈕控制的簡(jiǎn)單用戶(hù)界面。越來(lái)越多的 ECG 產(chǎn)品要求具備更多的功能，例如通過(guò)便攜式媒體存儲電子病歷、無(wú)線(xiàn)/有線(xiàn)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(méi)有受過(guò)專(zhuān)門(mén) 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(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(diǎn)DSP,它是基于TMS320C55x DSP C介紹PU核的定點(diǎn)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(xiàn)架構,包括一條可編程總線(xiàn),一條321位數據總總線(xiàn)和兩條16位數據讀總線(xiàn),兩條數據寫(xiě)總線(xiàn)和專(zhuān)門(mén)用于外設和DMA的其它總線(xiàn). TMS320VC5505還包括4個(gè)DMA控制器,每個(gè)四路.時(shí)鐘為60MHz或100MHz,指令周期為16.67ns或10ns.主要用于無(wú)線(xiàn)音頻設備,回聲消除耳機,手提媒體設備,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(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(jìn)行配合，可為客戶(hù)提供完整的 ECG 與 EEG 應用信號鏈，加速產(chǎn)品的上市進(jìn)程。 信號采集挑戰： 大的直流偏移和多種干擾信號的出現會(huì )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(lái)自電源的 50/60Hz 干擾、病人活動(dòng)導致的運動(dòng)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(huì )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(xiàn)常見(jiàn)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(xiàn)供電噪聲，信號憑借放大器通過(guò)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(shí)現顯著(zhù)的 CMR 改進(jìn)并保持在 UL544 限制之內。此外還會(huì )使用 50/60Hz 數字陷波濾波器進(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(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,醫療儀器和手提儀表,熱電偶放大器和數據采集. 帶右腿驅動(dòng)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(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(wú)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(shí)，信號需要被顯著(zhù)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(shí)，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(shí)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(gè)頻率內容，并為數據后期處理提供充分的靈活性。 本文章來(lái)自：http://www.ameya#/resource/application/ |
