ECG设备可穿戴化趋势日渐明显，克服噪声和功率是关键

近日，国产手机品牌OPPO正式推出了OPPO Watch ECG版，这款智能手表最大的亮点在于——其加入了ECG心电图检测功能，是首款获得国家药监局的二类医疗器械注册认证的智能手表。事实上，随着近年来用于个人和远程医疗监测的可穿戴ECG设备需求正在增加，包括苹果、三星、OPPO、华为等品牌都已经陆续发布相关消费类ECG产品。

可穿戴ECG设备的逐渐兴起，与人们对身体健康愈发重视。现代医学研究显示，人类心律失常与冠心病、高血压、心脏衰竭等疾病密切相关。然而，具备偶发特性患者常会错过最佳诊疗阶段，因此日常监测就显得尤为重要。就在前不久，小米商城新上架了一款运动心电衣，可在运动状态下准确测量心率、观察心率的趋势，也可在相对静止状态下测量心电图，这一产品的推出引起了不少电子数码爱好者的关注。值得一提的是，其测量核心的心电豆使用了来自ADI公司的单导联心率监护模拟前端AD8232。本文以将ADI AD8232单导联ECG前端为例，详细解读其如何解决可穿戴ECG设备痛点及相关优势。 

心电图遇上可穿戴，这些问题不容忽视

众所周知，传统的医用ECG设备一般需要病人前往医院，由院内专人完成仪器安装佩戴，最终医生完成分析并作为诊断判断依据。尽管其拥有严格操作规范、价值密度高，以及医生专业分析的优势，但也存在使用过程麻烦、监测绝对数量少等遗憾。

与传统的医用ECG设备相比，可穿戴ECG设备得益于其“即插即用”小巧便利的天然优势，与用户全天候接触能够频繁的采集到ECG信号，经年累月的可累计海量的数据。结合可穿戴设备内置的地理位置、运动、温度等其他传感器，可协同ECG数据构成用户高维信息向量。因此很大程度上来看，可穿戴ECG设备与院内设备正好形成互补。

不过可穿戴ECG设备当前仍存在一些挑战：比如在精度方面，可穿戴ECG设备为满足较为舒适的穿戴体验，通常会在有限的条件下做少量导联，同时ECG读数对运动和其他干扰源非常敏感，但日常中用户佩戴和使用方式等因素不可避免产生噪音干扰，使得采集信号质量会受到一定影响。

值得注意的是，可穿戴ECG设备受限于体积电池容量往往偏小，而ECG信号的处理会消耗大部分可用的电池电量，因此此类设备对低功耗小尺寸有着要求极高。综上所述，这些对可穿戴ECG设备设计方案提出了挑战。

AD8232单导联ECG前端

为解决上述噪声和功耗等问题，ADI提供了专为可穿戴设备中的心率监测而设计的集成电路（IC）——AD8232。它是ADI专为可穿戴设备中的心率监测而设计的解决方案。作为一款低功耗单导联心率监护仪模拟前端芯片，与竞争解决方案相比，其尺寸缩小50%、功耗降低多达20%，并集成了诸如导联脱落检测、快速恢复等多种关键特性。凭借AD8232在功耗尺寸和集成度方面的优势，设计工程师能够轻松开发用于重症监护之外的心率监护设备。 

可穿戴ECG动态心电监护仪参考设计

下图为AD8232的简化电路图，其在原理上可视为四个独立的子功能。它包含一个仪表放大器、一个支持低通滤波的放大器级、一个右腿驱动(RLD)放大器和一个片内基准电压缓冲器。

AD8232简化框图

前文提到，可穿戴ECG设备从人体获得的信号很弱且很噪杂，因此对运动相关的伪像很敏感。为了消除运动伪影，例如由物理活动产生的运动伪像，AD8232实现了一个双极点可调高通滤波器。值得一提的是，该滤波器还消除了电极半电池电位，这种半电池电位可能会对ECG信号采集提出相当大的挑战。

不止如此。为了进一步降低噪音，AD8232还集成了一个非专用运算放大器，可用于实现三极低电平 - 通过滤波器。 RLD放大器还通过改善共模抑制比（CMRR）来帮助管理噪声。它通过检测信号输入端存在的共模电压，然后将相反的信号驱动到患者体内来实现。这种驱动电极功能可在患者和AD8232之间保持恒定电压，从而提供高CMRR。

与此同时，AD8232的模拟输出可让系统集成商自主选择ADC和微控制器。比如低功耗12位AD7170或16位AD7171，它们的功耗分别为125 μA和135 μA。这些器件可以采用和前端相同的电源电压供电，以便最大程度降低总功耗，延长电池使用时间。

AD8232还集成了创新的快速恢复模式——当用户在运动或其他活动中暂时断开电机连接，当电极重新连接后AD8232可以快速自动恢复心电信号，输出稳定结果的时间，比不具备此功能的方案相比大大缩短时间，从而显著改善最终用户体验。此外，该器件内置增益为100 V/V 的仪表放大器和一个高通滤波器，能阻止皮肤上电极的半电池电位产生的失调电压。输出缓冲器和低通滤波器则可抑制肌肉活动产生的高频分量（EMG 信号）。

结 语

为了提高可靠性和用户体验，可穿戴设备的设计者需要一种可以提取、放大和过滤小生物电位信号，同时消耗最少功率的解决方案。ADI公司的AD8232可改变传统心率监护功能的设计实现方法，灵活的与集成ADC的微控制器或外置ADC和处理器组合使用，帮助工程师能够快速开发解决问题，并在可穿戴电子设备中提供准确低功耗、可靠的心率监测。

值得一提的是，ADI利用其在ECG应用上积累的芯片诸多设计经验以及系统工程经验，后续在AD8232的基础上推出了全新升级版AD8233，目前两款产品均面向市场出货。后者实现了明显的差异化的定位与设计，与AD8232比具备更低功耗（减少67%），更小体积（减少70%）以及更低的噪声（减少25%）。AD8233同时也是非常成熟的产品，在穿戴式和医疗应用上也有非常多的成功案例。