便携式ECG介绍及相关TI产品推荐

TI现场应用工程师苏智超
 
近年来，中国心血管病患病率及死亡率仍处于上升阶段，而实时的便携式心电监测能够及时地发现异常心电信号，提醒人们提前就医，避免危险病情的发生，因此近年来心电监测市场十分火热。TI在心电监测领域耕耘多年，从心电采集ADC，低功耗的电源到无线传输，均有相应的解决方案。所以，本文将为您介绍TI在ECG应用中的相关产品，帮助您快速完成硬件设计。

一.心电导联数量与ADC选型之间的联系

TI心电信号检测相关的ADC有很多，通道数也不尽相同，那究竟该选择哪一颗产品，往往会令人困惑，所以第一部分，我们总结了不同心电产品和TI ADC产品之间的关系，帮助大家理解并快速完成选型。

1.单导联心电ADS1291/ADS1292R

(1).  用途

单导联心电图是由一对心电电极所采集到的单路心电信号，应用在产品中常见的是胸前导联和双手导联，胸前导联适用于长时间的心电监测，最长一般有14天的连续记录，双手导联一般适用于短时实时的心电测量，体积小巧，方便随身携带，一般属于家用心电记录仪。单导联的心电图能初步筛查心脏早搏、房颤及各种心律不齐的心电表现。由于是单导联，所以一般不用做诊断，但是心脏病多有瞬发性，及时捕捉异常心电信号，对后续医生的判断也是意义的。单导联心电主要目的在于未病早发现和术后随访。

(2).  电极分布及导联示意

Lead I: I = LA – RA，LA是left-arm电极, RA是right-arm电极。

图 1 单导心电图连接

ADS1292R：单导联+呼吸检测，通道1被用来做呼吸检测。至少需要2个电极，右腿驱动的输出电极可以与LA或RA共用。

图 2 ADS1291, ADS1292R内部架构及外部连接方式

(3). TI相关参考设计

多参数患者生命体征监护仪前端参考设计

用于个人健康监视的多参数、生物信号监视器参考设计

2. 三导联、五导联心电ADS1292，ADS1293，ADS1295:

(1). 用途

三导联或五导联心电一般用来做24小时的心电信号记录。这个24小时的数据是诊断心脏问题的常用工具。

(2). 电极分布及导联示意

导联名称：

Lead I: I = LA - RA

Lead II: II = LL – RA

通过Lead I和Lead II可以求出以下导联：

Lead III: III = LL - LA

aVR = -(I + II)/2 = RA - (LA + LL)/2

aVL = I - II/2 = LA - (RA + LL)/2

aVF = II - I/2 = LL - (RA + LA)/2

WCT(Wilson Central Terminal) = (RA + LA + LL)/3，五导联中，一般会加一个胸部导联，Lead V1威尔逊中心节点会作为胸部导联的参考电压。胸部导联Lead V1 = V1 – WCT。

图 3 三导联心电图连接

ADS1292做三导联：

至少3个电极，右腿驱动的输出电极可以与LA，RA或LL共用。大部分的设计中，3导联就是三个电极。测量两个导联Lead I和Lead II，还可以算出另外4个导联。所以，ADS1292的五导联是需要用软件计算得出来的。

ADS1293做三导联：

同ADS1292。

图 4 ADS1293 三导联心电连接图

ADS1293做五导联：

实际上5个电极可以获得6个导联的信号，有一个电极还是右腿驱动。一般来讲5导联需要加一个胸导。

图 5 ADS1295 五导联心电连接图

(3).  TI相关的参考设计

具有蓝牙低能耗特性的无线心率监测器

3. 十二导联心电ADS1298

12导联心电图结合了Einthoven，Goldberger和Wilson的导联系统，从而提供有关垂直和水平方向心脏的信息。 12导联心电图是诊断心电图的黄金标准。使用12导联心电图，基本上可以测量所有心脏活动。目前在便携式心电中常见的形式是绑带形式。

图 6 十二导联心电图连接

参考设计：ADS1298ECG 模拟前端性能演示套件

4. 十二导联以上心电ADS1294, ADS1296, ADS1298

在一些应用中，需要获得更多的导联信息以获得更全面的心脏活动信息。例如，十八导联心电能够同步观察左心室各壁，右心室等全部心室的心电情况。一般可以使用2片ADS1298。

针对于其它导联数量的需求，有时还需要呼吸检测（需要使用尾缀带R的版本），ADS1294，ADS1296，ADS1294R， ADS1296R一般用在大于十二导联上，组合起来一起使用，一般来讲增加的导联数量都是胸导。

二. ADS129X系列的外围器件推荐

1.电源

对于这个系列的产品而言，ADC需要两个电源供电，一个是模拟部分的供电，一个是数字部分的供电。因为模拟部分和数字部分都是一个范围供电，对于不同的客户而言，会结合电极的输出信号范围，选择单极性电源或双极性电源以及电源的幅值。

单极性电源：

模拟供电：2.7V-5.25V，数字供电：1.65V-3.6V

5V转3.3V，推荐TPS7A20，静态电流极低仅有6.5uA，同时用法非常简单。

图 7 TPS7A20应用示例

在两节干电池的便携式ECG中，还会需要一个升压芯片TLV61220至3.3V给数字部分供电，然后再用TPS7A20降压至3.0V作为模拟供电。

TLV61220：静态电流只有5.5uA，在典型工作条件下效率高达 95%，能够满足便携式ECG长时间使用的需求。

图 8 TLV61220应用实例及效率曲线

双极性电源供电：

一般来讲，+-2.5V会从3.3V往下转，这里我们推荐一个电荷泵TPS60403，先把3.3V转成-3.3V，然后TPS72301从-3.3V转成-1.8V。

图 9 TPS60403和TPS723应用实例

2.蓝牙芯片

目前，在便携式ECG中，数据除了需要存储在SD卡中以外，也需要能够通过蓝牙把数据传输至手机端。下面是我们目前在便携式ECG中主推的3颗蓝牙，基本指标如下对比表所示。

(1).  CC2640R2L

图 10 CC2640R2L内部资源

(2).  CC2640R2F

图 11 CC2640R2F内部资源

(3).  CC2642R

图 12 CC2642R内部资源

3.充电管理芯片

目前从市场的应用上看，主要以干电池或纽扣电池为主，使用锂电池供电的方式并不多。主要的原因是，当前便携式ECG的主要应用场景还是在医院监测病人的心脏状况，所以对设备使用的及时性就显得更加重要，对锂电池的充电显然没有干电池或者纽扣电池换电更迅速。

这里我们推荐一颗新产品：适用于可穿戴设备和物联网的低 IQ 高度集成电池充电管理解决方案BQ25125，它的主要优势在于，集成了一颗降压芯片buck和一颗LDO，可以满足ADS119X和ADS129X系列的电源轨需求，同时，超低的静态电流也能保证产品的续航时间。

图 13 BQ25125典型应用框图

4.电压参考

当采用3V 电源时，VREF = (VREFP – VREFN) =2.5V，当采用5V 电源 VREF = (VREFP – VREFN)= 4.096V。

这里我们推荐REF5025和REF5040即可，目前根据市场上的使用情况来看，ADC内部的参考就可以满足使用的需求。