【应用】基于集成ECG前端的国产24位ADC LH001-91的医疗级12导联心电图方案，成本大大降低
心血管疾病严重威胁人类生命健康安全，随着人口老龄化进程的加快和社会压力等因素的增加，患病率正呈现逐年上升趋势，并且越来越年轻化。然而，心血管疾病大多由器官器质性病变引起，一旦患病很难完全康复，需要进行长期监测和预防。心电图是诊断心血管疾病的重要方式之一，本文介绍了基于一款国产集成ECG前端的24位ADC LH001-91的12导心电高精度测量方案，该方案满足医疗级需求的同时，成本大大降低，并且自主可控性显著提高。
LH001-91简介
结构框图
图1. LH001-91 结构框图
功能特性
低噪声可编程增益放大器（PGA）和高分辨率24位模数转换器（ADC）
— 可编程增益：1/2/4/6/8/12/24/48
— 4路差分输入
— 积分非线性：2 PPM/FS
心电图测量（ECG）
— 输入参考噪声：2.9 μVpp（250 SPS，增益6）
— ECG通道输入偏置电流：200pA
— 数据速率：125SPS 至 8kSPS
— 共模抑制比（CMRR）：117dB
— 内置右腿驱动放大器、连续断线检测、测试信号
内置振荡器和参考电压
待机模式— 电流0.1 μA
电源— 模拟：2.4V至3.6V
— 数字：1.7V至3.6V
内置集成激励电流源
4线SPI接口
工作温度范围：-40°C ~ +85°C
40 脚，5mm x5mm QFN封装
30 脚，2.95mm x2.95mm WLCSP封装
测量原理
血液之所以能在人体不断循环，是因为人体的心脏持续地进行规律的兴奋与收缩。窦房结的兴奋引起了心脏的跳动，这里的兴奋指的是由除极化与复极化两种心肌细胞电活动共同作用的结果，如图为心肌细胞除极与复极过程示意图。心肌细胞由于刺激而引起细胞膜外的正电荷流入细胞内，使细胞膜内呈正性电位，细胞膜外呈负性电位，这种过程称之为除极过程。由于细胞代谢作用，使细胞内外电荷的状态又慢慢复原到极化状态，这种复原过程称之为复极过程。兴奋由窦房结依次传导到心房与心室，从而使整个心脏区域的电位差表露为持续变化的状态，进而产生规律变化的电流。
图2. 心肌除极与复极示意图
这种最初的心电信号，在体内体液的传导下遍及整个人体，于是人体体表就会产生周期性变化的电势。安放两个电极于人体皮肤表面恰当的位置，从而获取对应的电位，所测两位置的电位差为一个规律变化的周期信号。在人体皮肤表面，通过心电采集装置获取这些规律变化的心电信号并绘制成的图，便是我们常见的心电图。
方案介绍
图3. 方案框图
方案框图介绍了基于LH001-91实现12 LEAD ECG信号检测，用10个电极连接在8个LH001-91转换通道上产生12 ECG信号。其中10个电极位置分别为LA左臂，LL左腿，RA右臂，RL右腿，V1-6 胸。 利用LH001-91集成RLD运放生成共用的右腿驱动信号，提高系统的共模抑制能力。3个低噪声分离运放实现威尔逊终端（WCT）功能。
图4. 电极位置图
12导联信号，其中8个导联由LH001-91转换生成，具体配置方式如下表。
另外4个导联信号按照下表通过计算间接获取。
下图是实际的客户演示板连接心电模拟器实物图，领慧立芯可以提供全套的演示单板和上位机软件。
图5. 演示板实物图
演示板在电脑USB供电条件下采集心电模拟器信号，绘制心电图如下所示，信号没有经过任何外部滤波处理，完全满足医疗需求。
图6. 12导联心电图波形
总结
以上测量方案中所用到的芯片属于内部自带参考电压，输入噪声 2.9 μVpp （250 SPS， 增益6），共模抑制比（CMRR）117dB，积分非线性2 PPM/FS，24位高精度ADC，支持导联持续断线检测，低温漂可编程增益放大器的医疗级国产心电AFE产品，供货充足，价格合理，这也正是国产芯片的优势所在。
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