如果說測(cè)步數(shù)是新時(shí)代年輕人的“運(yùn)動(dòng)教練”，那么測(cè)心率就是固定的“體檢方式”了。過去，ECG、血壓和呼吸頻率的測(cè)量只有醫(yī)院監(jiān)護(hù)儀才能提供。不過隨著可穿戴設(shè)備的興起，人們能夠在不借助全套醫(yī)學(xué)設(shè)備的情況下獲得大量有關(guān)身體狀況的信息，手環(huán)、手表、心電衣等帶有監(jiān)測(cè)功能的可穿戴設(shè)備逐漸成為了收集關(guān)鍵身體信息的便捷方法。

近期小米商城新上架了一款運(yùn)動(dòng)心電衣，可在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下測(cè)量心率，觀察心率的趨勢(shì)，也可在相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)量心電圖。而其測(cè)量核心的心電豆使用了來自ADI公司的單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)護(hù)模擬前端AD8232，這樣一款“歷久彌新”的經(jīng)典芯片，用在了米家最新款的心電衣上，不得不說是一個(gè)奇妙的組合~

提防“頭號(hào)殺手”，可穿戴設(shè)備“義不容辭”

心血管疾病是危及人類生命健康的“頭號(hào)殺手”，有數(shù)據(jù)顯示，每年心血管疾病死亡人數(shù)占全球死亡總?cè)藬?shù)的29%；中國心血管病患者2.9億，每5例死亡者中有2例死于心血管病。而這類疾病都是有征兆的，在發(fā)病期的2-3天前心率波形就會(huì)發(fā)生變化，所以一款能夠有效進(jìn)行心率監(jiān)測(cè)的可穿戴設(shè)備是至關(guān)重要的，既能夠測(cè)試靜態(tài)情況下的心臟情況，也要監(jiān)控在運(yùn)動(dòng)過程中心臟在承壓工作中的問題，早發(fā)現(xiàn)早治療。

我們都知道心率和心臟活動(dòng)監(jiān)護(hù)通常是使用ECG測(cè)量生理電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。ECG測(cè)量的是人體心臟由于每次心跳使心肌去極化和復(fù)極化而產(chǎn)生的電信號(hào)。信號(hào)幅度通常為0.5mV至4mV，測(cè)量頻率范圍在0.05Hz至40Hz之間。而這需要通過將電極與皮膚相連來監(jiān)測(cè)心臟活動(dòng)，為了在診斷應(yīng)用中確保與人體的良好接觸，業(yè)界的很多可穿戴設(shè)備采用了雙電極胸帶。雖然可檢測(cè)到各種ECG波形，但大多數(shù)系統(tǒng)只測(cè)量心率，并且這些胸帶穿戴起來并不舒服，因此，體育和保健行業(yè)正在尋找替代方案，例如將電極集成到運(yùn)動(dòng)衫上。

米家運(yùn)動(dòng)心電衣

這款米家的運(yùn)動(dòng)心電衣就是典型的例子，將精心設(shè)計(jì)的導(dǎo)電織物電極植入到運(yùn)動(dòng)衣中實(shí)現(xiàn)無感檢測(cè)。貼身的設(shè)計(jì)不僅可以更準(zhǔn)確地測(cè)量心率還可以用作心臟功能測(cè)量或潛在心臟病事件（如心房顫動(dòng)或持續(xù)高血壓）的預(yù)警。其中測(cè)量的核心就是來自ADI的AD8232單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)護(hù)儀前端，同時(shí)AD8232的設(shè)計(jì)初衷也是專為此類低功耗可穿戴應(yīng)用而開發(fā)的。

AD8232單導(dǎo)聯(lián)ECG 前端

AD8232是一款低功耗集成式信號(hào)調(diào)理前端，專門針對(duì) ECG和其他生物電測(cè)量開發(fā)。可通過接觸或非接觸測(cè)量方式監(jiān)測(cè)心率，它使用兩個(gè)或三個(gè)電極從人體獲取心電信號(hào)。該芯片可將來自電極的微弱并帶有噪雜的信號(hào)轉(zhuǎn)換為經(jīng)過濾波的大信號(hào)，以便微控制器內(nèi)置的獨(dú)立模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)能輕松將其數(shù)字化。

搞定阻抗干擾，AD8232實(shí)力“濾波”

人體的電極電壓是毫伏級(jí)別的，在測(cè)量過程中獲取的信號(hào)很弱且很噪雜，從而對(duì)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的干擾噪聲很敏感，并且電極的金屬與皮膚接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生極大且不平衡的接觸阻抗，這會(huì)嚴(yán)重干擾采集信號(hào)的質(zhì)量。由于這個(gè)原因，濾波對(duì)于獲取有用的信號(hào)很重要。AD8232包含了一個(gè)可同時(shí)提供增益和高通濾波的輸入放大器，它能為微弱的ECG信號(hào)帶來100V/V增益，同時(shí)抑制電極失調(diào)電壓，電極失調(diào)最高可達(dá)±300mV。

AD8232內(nèi)置增益為100V/V的儀表放大器和一個(gè)高通濾波器，能阻止皮膚上電極的半電池電位產(chǎn)生的失調(diào)電壓。輸出緩沖器和低通濾波器則可抑制肌肉活動(dòng)產(chǎn)生的高頻分量（EMG信號(hào)）。此低功耗前端功耗為170μA，還可與ADI另一款16位片上計(jì)量儀ADuCM350配合使用，進(jìn)行高性能、單導(dǎo)聯(lián)ECG測(cè)量。

AD8232的濾波電路

第一個(gè)濾波器的–3dB截止頻率為FHP1?3dB=100/(2πR1C1)。由于放大器的增益和反饋架構(gòu)，濾波器截止頻率比一般預(yù)計(jì)值高100倍。上圖顯示了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)信號(hào)傳輸?shù)姆糯笃骱透鞣N濾波器級(jí)電路圖。

第一級(jí)后跟一個(gè)交流耦合網(wǎng)絡(luò)，表示第二極點(diǎn)。截止頻率由常規(guī)的一階高通濾波器設(shè)置，即FHP2?3dB=1/(2πR2C2)。兩個(gè)高通濾波器組合總共產(chǎn)生–40dB/十倍頻程滾降。下一個(gè)濾波器級(jí)支持二階低通濾波器，采用Sallen-Key配置。AD8232濾波部分不僅可以消除運(yùn)動(dòng)干擾噪聲，校正基線，還可以根據(jù)人體在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的電信號(hào)變化，進(jìn)行自動(dòng)適應(yīng)和調(diào)整帶寬來獲取相對(duì)準(zhǔn)確的心電數(shù)據(jù)。

結(jié)語

隨著技術(shù)的進(jìn)步，可穿戴設(shè)備不再局限于醫(yī)療保健和家庭護(hù)理上，并逐漸在運(yùn)動(dòng)市場(chǎng)開始發(fā)力。這對(duì)設(shè)備的功耗，尺寸和準(zhǔn)確度都提出了新的挑戰(zhàn)，而ADI 的技術(shù)可以將這些頗具挑戰(zhàn)性的難題轉(zhuǎn)變?yōu)橥晟频漠a(chǎn)品和完整的解決方案。就如同AD8232雖然是一塊八年前的產(chǎn)品，但是作為一款僅有4mm × 4mm小型封裝的全功能構(gòu)件塊，不僅功耗極低并且價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力十足，在通過對(duì)芯片以及外圍電路的調(diào)整和優(yōu)化后應(yīng)用在最新款的心電衣上依舊是最合適的。

值得一提的是，ADI在ECG應(yīng)用上積累了非常多的芯片設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及系統(tǒng)工程經(jīng)驗(yàn)，不斷推出了更多的創(chuàng)新型產(chǎn)品。AD8233便是AD8232的升級(jí)版，與AD8232比具備更低功耗（減少67%），更小體積（減少70%）以及更低的噪聲（減少25%）。AD8233同時(shí)也是非常成熟的產(chǎn)品，在穿戴式和醫(yī)療應(yīng)用上也有非常多的成功案例。