走進高精度微弱生物信號檢測的世界

本文系統介紹了心電圖作為一種歷史悠久的心臟表征信號的相關核心概念，心電圖采集的模擬前端電路的常見技術路線及曦成獨有方案的特點，以及心電圖應用的相關主要設備形態及其普遍性的要求。通過這篇文章，你可以了解心電圖作為一種源自醫學的信號的關鍵信息，知道不同應用設備對心電圖測量的要求，從而有助于挑選合適的模擬前端采集芯片，做好相關的心電應用的設計考量與取舍。

心電圖概述

心電圖（ECG或EKG）是反映組織化、集合化的心肌細胞有序生理電除極所形成的生物電波形，本質上是一種特殊的肌肉電信號；不同處在于肢體肌肉電信號是一種分散化、無序化的生物電波形，因而體現了不同的波形形態。類似也可以拓展至胃電、腸電、眼電等。腦電是另一種不同形態的神經細胞組織成的生物電反映，研究偏少不在本文關注的范圍內。

心房、心室周期性地除極、復極，形成規律性的體現為PQRST波的心電圖波形；進一步通過不同電極組合形成心臟不同角度、部位的特定導聯心電圖，從而形成了我們常說常做的醫院中的十二導聯心電圖。

心臟的結構決定了功能，并決定了PQRST波是心電圖的基本必要特征。無論從哪一個角度觀測形成有效的心電圖波形，都應該具有PQRST波的特征，但是在具體形態上會有差異和側重。為了全面地了解心臟不同角度、部位的健康狀態，特別是覆蓋一些較難觀測的心臟疾病，醫院的檢查，采用并且仍在延續標準十二導聯心電圖的方式：這部分是由于檢查標準及方法受限于歷史經驗和數據的原因，在過去也由于檢測手段及方式技術上的原因，沒法做到便攜化的生活化的監測及采集。

心電圖采集模擬前端技術

模擬前端（AFE）電路是心電圖采集中的關鍵，他的主要作用是將微弱心電信號進行高精度放大、濾波、適應人體參數的阻抗匹配、以及抵抗外部環境干擾。過往由于歷史沿革所限，醫院的生物電采集模擬前端技術主要在于高精度放大、濾波、以及合適的共模抑制比參數，并沒有很好的適應人體參數和抵抗外部環境干擾的特性（很大原因在于醫院的測量環境通過濕電極測量及室內人體靜息狀態測量的方式進行，弱化了適應人體參數及抵抗環境干擾的要求）。從而從醫院場景衍生出了兩種模擬前端（AFE）電路結構，他們都具有高精度放大和濾波的特性，但是針對醫院外便攜式生活化的采集及監測需求欠佳。

直采型算法濾波AFE。一般又稱作直流耦合式（DC-Coupled）結構，以TI的129X、4900等芯片為代表。ECG的測量主要通過一個高分辨率的ADC承載（一般需要20bit以上分辨率），前端放大部分倍數較小（常見6倍左右）；由于在AFE內部未做濾波，因而后級處理需要一個算力較高的數字信號處理單元或算法去進行濾波或波形提取等處理。他的特點是在信號處理算法的加持下可以對心電信號進行較靈活的處理，原始信號頻率成分更豐富保真度較高，適合醫院設備使用；缺點是依賴較高算力的后級主控，波形具有延時性，AFE由于對ADC分辨率和采樣率的要求功耗較高，以及高精度放大依賴的校準導致芯片成本較高。

放大型電容濾波AFE。一般又稱作交流耦合式（AC-Coupled）結構，以ADI的8232、8233等芯片為代表。AFE對ECG信號提供了一個較高的低噪的放大倍數（常見100倍以上），由于高倍放大后依然保持了較低的噪聲，因而極大降低了后級ADC分辨率的要求，一般12bit即可滿足系統噪聲要求（曦成產品可以做到后級10bit的ADC依然保持醫標級系統噪聲）。另外，這種AFE過去一般通過外接片外大電容的方式構造系統零極點去嵌入硬件濾波功能；優點是濾波實時性好波形無延時，缺點是靈活性較差，如果需要修改濾波參數（常見的需求是為了波形穩定性要求改變高通頻點），必須修改硬件。此外這種AFE由于內部非對稱反饋環路的原因，在提供較高增益的同時無法通過校準匹配提高較多共模抑制能力，從而降低了芯片的共模抑制比及共模抗干擾能力。這種AFE一般具有較低的功耗。

放大型共模鉗位AFE。曦成半導體創新的提出了放大型共模鉗位AFE的結構并通過諸多細節創新將其實現為產品。這種AFE本質上也算作交流耦合式類別，但不同于片外電容濾波的方式，采用了電阻濾波的方式高集成于芯片中，省去了片外電容無法靈活變更的苦惱，簡潔易用，同時具有較低的功耗。公司方案的另一大創新在于，針對以往產品如ADI中內部非對稱反饋環路，改制成了對稱的一種共模鉗位反饋環路，從而使得可以在提供較高增益的同時具有很好的共模抑制能力，穩定共模輸出，提高外部抗干擾能力。這種對稱結構也使得芯片輸入阻抗可以得到極大提高，很好地適應人體參數變化。

這三種技術路線AFE的特點及應用要求可以總結如下表。