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ECG的工作原理是什么？

本文首先简要说明ECG的工作原理，然后详细讨论与该应用中驱动放大器和高分辨率 ADC配套使用相关的问题。

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陈军

2021-6-16 15:29:45
本文首先简要说明 ECG 的工作原理，然后详细讨论与该应用中驱动放大器和高分辨率 ADC 配套使用相关的问题。本文还会介绍一个示例组合，其包括 Analog Devices 的 ADA4945-1ACPZ-R7 高速全差分 ADC 驱动器和 Analog Devices 的八通道 24 位 AD7768BSTZ ADC，并说明如何配置外部电阻和电容以实现最佳性能。
ECG 系统

ECG 是一种无创性检测，通过收集心脏产生的毫伏 (mV) 级电信号来反映潜在的心脏状况。ECG 信号可以在身体上的很多部位检测到，但数十年的医学传统已将公认的部位标准化为三个肢体导联形成的虚构形状，称为 Einthoven 三角（图 1）。

图 1：ECG 信号可以在身体上的很多部位检测到，但 Einthoven 三角定义了公认的部位。（图片来源：Digi-Key Electronics）
该三角描述了电极 RA（右臂）、LA（左臂）和 LL（左腿）的位置。它们还形成 VI、VII 和 VIII 值。
此系统产生的数据使医生能够了解心脏的跳动速率和心律机制。不过，若对数据做进一步研究的话，可以找到心脏厚度是否增加（肥大）以及心肌各个部位是否有损伤的证据。另外，简单的二维 ECG 图可以反映流入心肌的血流是否受到严重阻碍，或是否存在导致患者易患心律失常的异常电活动模式。
图 2 所示为正常心脏的 ECG 信号，突出显示了典型心电图上的三个图形偏转的正常组合，称为 QRS 波群。

图 2：Q、R、S 点产生 QRS 波群，通常是 ECG 迹线的中央且视觉上最明显的部分。（图片来源：Digi-Key Electronics）
QRS 波群是信号的中央和明显的部分。此信号对应于人类心脏左右心室的去极化。在成年人中，QRS 波群通常持续 0.08 至 0.10 秒。QRS 波群持续时间大于 0.12 秒被认为不正常。ECG 系统的测量挑战是要可靠且完整地捕获 QRS 信号。
这个挑战不是非常困难。理论上，ECG 设备的采样率至少为 50 Hz。实际 ECG 的采样频率超过 500 Hz，ECG 检测器内部转换器的典型转换速度 ≥1 kHz。对于这种采样率，典型 ECG 检测系统内部转换器所需的分辨率为 12 位。
这些分辨率和速度规格与通用 ECG 检测器一致。但是，某些心脏异常情况只能通过更高分辨率的 ECG 检测器来检测。例如，表现为持续室性心动过速 (VT) 的患者，其晚期 QRS 波群中可能有持续数十毫秒的低幅度高频率波形。ECG 结果中的这种“晚电位”被认为是由右心室中的细胞早后去极化引起的（图 3）。

图 3：ECG 结果中的晚电位发生在 QRS 波群期间，但通常太小而无法在典型 ECG 检测器上显示出来。（图片来源：Digi-Key Electronics）
晚电位幅度通常太小而无法在正常 ECG 上显示出来。但是，若采用 20 位以上的高分辨率系统，ADC 可在内部对 QRS 波群记录进行平均以滤除随机噪声，这样便能在 ECG 图像中看到晚电位。
当无创性高分辨率 ECG 能够检测心脏晚电位时，其临床意义非常重大。例如，对于患有急性心肌梗塞 (MI) 的患者，晚电位检测具有重要的预后意义。此类患者的心室晚电位存在是继发心梗或心源性猝死的危险征兆。较早前，这种分类和后续诊断只能通过侵入性或微创技术来进行。
然而，为了使原来无法检测的信号可以利用 ECG 看到，必须采用高分辨率三角积分 (ƩΔ) ADC 和先进的信号采集与处理技术。
高分辨率转换系统

典型 ECG 系统有十二个电极固定在患者皮肤上，可检测毫伏（除以 1,000，即微伏 (μV)）级的心脏信号。每个电极信号到达信号调节前端后，仪表放大器对微伏级信号进行放大，为驱动放大器和最终的高分辨率 ƩΔ ADC 做好准备（图 4）。

图 4：用于高分辨率医疗检测系统的 ECG 前端信号调节框图，从三个运放仪表放大器开始。（图片来源：Digi-Key Electronics）
信号链中的第一器件是有三个精密运算放大器构成的仪表放大器，可能还有第二个增益级。这些器件为微伏级小信号建立系统接地和差分增益。驱动放大器和低通滤波器 (LPF) 获取差分放大的 ECG 信号，为高分辨率 ƩΔ ADC 提供充分的驱动和滤波。
驱动放大器和 ƩΔ-ADC

前端信号调节框图中的一个关键点是驱动放大器和 ƩΔ ADC 的关系。ADA4945-1 全差分 ADC 驱动器驱动高分辨率 AD7768-4 ƩΔ ADC 的输入（图 5）。

图 5：高分辨率 ƩΔ ADC AD7768-4 的典型连接图，ADA4945-1 用作驱动放大器。（图片来源：Digi-Key Electronics，基于 Analog Devices 提供的原始资料）
ADA4945-1 驱动放大器和 R/C、LPF 网络将信号发送至 ƩΔ ADC (AD7768-4) 的输入端。
AD7768-4 是一款四通道 24 位同步采样 ƩΔ ADC。AD7768-4 支持重新配置，提供功率模式和数字滤波器选择，以适应广泛的应用，包括 ECG、工业输入/输出模块、仪器仪表、音频测试、控制环路和状态监测。
测量性能

ADA4945-1 具有两种全表征功率模式——全功率和低功率模式，用于优化系统功耗与性能的平衡。ADA4945-1 的全功率带宽为 145 兆赫兹 (MHz)，而低功率模式下的带宽为 80 MHz。使用 5 V 电源时，全功率模式下 100 kHz 时的输入电压噪声为 1.8 nV/√Hz，而低功率模式下为 3 nV/√Hz。最后，ADA4945-1 在全功率模式下的工作静态电流为 4 毫安 (mA，典型值）和 4.2 mA（最大值）。在低功率模式下，静态电流为 1.4 mA（典型值）和 1.6 mA（最大值）。
使用宽带数字滤波器时，AD7768-4 低功率模式提供 32 千样本/秒 (kSPS) 的输出数据速率 (ODR) 和 12.8 kHz 的带宽。输入的 1 kHz 正弦波信号与满量程的差值为 -0.5 分贝 (dB)。使用宽带滤波器时，中等功率模式提供 128 kSPS ODR 和 51.2 kHz 的带宽。输入的 1 kHz 正弦波信号与满量程的差值为 -0.5 dB。使用宽带滤波器时，快速功率模式提供 256 kSPS ODR 和 102.4 kHz 的带宽。下表 2 显示了 ADA4945-1 和 AD7768-4 功率组合的性能与功耗。
AD7768-4 配置的滤波器响应具有 0.433 × ODR 的截止频率。±0.005 dB 的通带纹波支持通过频域测量确定驱动放大器与输入频率性能的关系。
在图 5 中，放大器输出与 ADC 输入之间存在一个电阻-电容 (R/C) 网络。R/C 网络用于执行各种任务。例如，C1 和 C2 是 ADC 的电荷储存器，为 ADC 的采样电容提供快速充电电流。
此外，这些电容与 RIN 电阻一起形成了一个低通滤波器，以消除与输入开关相关的毛刺。当驱动较大容性负载时，输入电阻也有助于放大器稳定，防止放大器振荡（表 1）。

[tr]放大器模式ADC 模式RIN (Ω)C1、C2 (pF)FC (MHz)供电电压 (V)[/tr]




低功率低功率828223.70 和 5
低功率中功率8212016.20 和 5
快速功率全功率824704.10 和 5
表 1：RIN、C1 和 C2 的适当值。（数据来源：Analog Devices）
使用图 5 中的系统，此评估装置产生的信噪比 (SNR) 为 106.7 dB，总谐波失真 (THD) 为 -114.8 dB，子系统功耗低至 18.4 5 毫瓦 (mW)（表 2）。

[tr]放大器模式ADC 模式功率 (mW)SNR (dB)THD (dB)SINAD (dB)[/tr]




低功率低功率18.45106.7-114.8106.2
低功率中功率18.80106.7-117.7106.3
快速功率全功率30.5105.9-116.6105.6
表 2：ADA4945-1 放大器两种模式和 AD7768-4 ADC 三种模式混合使用时的性能比较。（数据来源：Analog Devices）
运算放大器/ADC 组合的 SNR 表明系统分辨率为：
            分辨率 = (SNR – 1.76)/6.02
                                 = 17.43 位
这种高分辨率 ADC 驱动放大器和 Σ-Δ ADC 的组合可产生精确的输出，并且完全无需后处理。
为了评估硬件，设计人员可使用带 AD7768-4 的 EVAL-AD7768-4FMCZ 评估板和带 ADA4945-1 的放大器夹层卡 (AMC)（图 6）。
图 6：增加一个装有 ADA4945-1 的 AMC，便可利用用于 AD7768-4 的 EVAL-AD7768-4FMCZ 评估板来测试设计。（图片来源：Analog Devices，Digi-Key Electronics 为清晰起见添加了 ADA4945-1 标注）
该评估平台可配置成使用一个用作 ADC 驱动器的 AMC-ADA4500-2ARMZ 夹层卡，作为驱动放大器输入，它只有一个通道。EVAL-SDP-CH1Z 高速设计评估板连接到 EVAL-AD7768-4FMCZ 评估平台，以使用随附的评估软件。精密音频源用于交流分析。
总结

高分辨率 ECG 可以无创地检测原本不被注意或需要侵入性或微创检测程序才能发现的心脏异常。但是，这种 ECG 所需的分辨率可能会受到 ECG 检测器和检测器系统的噪声与其他抑制性能的因素影响，甚至受到采集技术的影响。
如本文所述，设计人员可以有效地将 Analog Devices 的 ADA4945-1ACPZ-R7 高速全差分 ADC 驱动器与八通道 24 位 AD7768BSTZ ADC 结合，从而避免许多问题并开发出高精度、高分辨率 ECG。这种组合还提供了缓冲/数字滤波电路，无需后处理设备。
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