RT1025 ECG/PPG AFE解决方案 -- 知识铺

 抽象

本应用笔记介绍了ECG和PPG的基本原理。讨论了心电图和PPG的生命体征信号、测量可靠性和高精度电学特性的挑战。

描述了使用模拟前端电路和ADC组合的ECG和PPG解决方案。本文所述的RT1025采用ECG/PPG同步采样ADC，为同步采集ECG/PPG进行血压计算提供了显著的亮点，高度集成的解决方案节省了许多模拟前端元件，从而节省了空间和系统成本。RT1025符合IEC 60601-2-27和中国YY1079规范，适用于医疗级心电图/PPG、健身、可穿戴产品的应用。

 1. 概述

心脏的运作可以揭示许多关于人体的有价值的信息，包括其健康的生活方式、情绪状态和心脏病的早期发作。

在传统的医疗设备中，监测心率和心脏活动是通过将电极连接到身体，然后测量心脏组织触发的电信号。

心率有一个通过血管的压力波，它略微改变了血管的直径。光电容积脉搏波 （PPG） 是一种光学技术，用于测量这种轻微的血管变化。

因此，它可以在不测量生物电信号的情况下获得有关心脏功能的信息。PPG 主要用于测量血氧饱和度 （SpO2），但它也提供心脏功能信息，而无需测量生物电信号。

借助PPG技术，心率监测器可以集成到手表或腕带等可穿戴设备中，用于连续检测应用。

2. 生命体征信号监测：心电图与 PPG 和 PTT

心电图（ECG或EKG）是一种胸部及时记录心脏生命电信号活动的方法。它可以通过将电极粘贴在人体的皮肤表面来记录心脏的潜在传输。

心电图的结果通常以波形显示，包括P波、QRS波组和T波。P波代表心房收缩，QRS波组为心室收缩压，T波为心室舒张期。

R 波和 R 波之间的时间间隔表示为心率。RR 间期越短表示心率越低。

测量心电图信号通常涉及将传感器连接到身体的多个部位，胸部和四肢之间最多可以连接 10 个电极。

 来源 ： healthy-ageing

光电容积脉搏波（PPG）是一种通过光电检测活组织血容量变化的无创方法。

当一定波长的光到达手指的皮肤表面时，血管的收缩和扩张会影响每次心跳时光的透射（例如，在透射PPG中，光通过指尖）。

或光的反射（例如，在反射PPG中，来自手腕表面附近）。当光线穿过皮肤组织时，光线会衰减，然后反射回光传感器。

皮肤下的肌肉、骨骼、静脉等基本组织是吸收光的常数。但血液是不同的，因为动脉是流动的，所以对光的吸收也会发生变化。

当我们将光转换为电信号时，正是由于光的吸收发生了变化，动脉和其他组织吸收的光基本保持不变，信号可分为直流信号和交流信号。

可以提取交流信号来表示血流的特征。

以下是PPG信号和ECG信号的比较。

根据PPG和心电图的生命体征特征，我们可以发现心电图的峰值来自心室收缩，而PPG的峰值是由血管收缩引起的。

因此，我们可以得到血液从心脏到测量部位的传输时间，即脉搏波到脉冲传输时间（PTT）。脉搏波的传输速度与血压直接相关。

当血压高时，脉搏波传输速度快，反之亦然。这样，脉搏传输时间（PTT）是通过该ECG和PPG获得的，脉搏波传输速度可以从个人身体参数（如身高和体重）中得出。

人体每次搏击的收缩压和舒张压都可以通过推导的特征方程进行估算，从而实现无创连续血压测量。

3. 生命体征信号监测的挑战

心电图测量挑战

心电图电极通常放置在心脏的两侧并附着在皮肤上。它可用于记录电信号随时间的变化。

心电测量面临诸多挑战：心电主电源的50Hz至60Hz耦合干扰远强于心电信号;另一方面，人体皮肤与传感器电极之间的接触阻抗不匹配会导致更大的信号偏差，并降低共模抑制能力。

此外，我们还必须解决电磁源的相互作用和干扰问题。

此类应用中的一些重要设计考虑因素包括共模抑制、输入失调电压、失调电压漂移、输出摆幅和放大器噪声，如下所述：

•  共模抑制

如上所述，放置在患者皮肤上的电极可能具有约数百毫伏的直流电压，而所需信号的电压通常小于一毫伏。

仪表放大器配置非常适合这种情况，它将消除来自输入共模的任何信号（来自电极或任何共模噪声，例如60Hz干扰），同时放大所需的心电图信号。

在这种情况下，重要的是要考虑放大器电路的共模抑制能力，不仅适用于直流信号，还适用于交越频率，尤其是在电源线的50Hz或60Hz时。

• 输入失调电压和失调电压漂移

由于有用电压非常小，放大器需要提供足够的增益来提高后续检测电路的分辨率。这种应用需要高增益，因此放大器的失调电压非常重要。

放大器产生的任何失调电压都乘以电路增益。例如，如果心脏收缩在皮肤的指定电极上产生 1mV，并且如果放大器电路的增益设置为 1000，则放大器电路的理想输出将为 1V。

但是，如果放大器的输入失调电压为100μV，则输出端会产生100mV的误差（占用信号的10%）。误差将与放大器的增益成正比。

放大器的电压偏差是误差的来源，随着失调电压的漂移，误差范围会变得更大。

与所有电子元件一样，放大器的特性随时间和温度而变化，电压失调也是如此。

然而，通过选择低漂移放大器（例如使用自动归零校准拓扑的放大器）或定期执行系统校准，可以大大减少此类误差源，从而校正失调和漂移运算放大器。

•  输出摆幅

在前面的例子中，电极处的1mV电压变化会在放大器电路的输出端产生1V的电压变化。

对于 5 伏单电源系统，这意味着放大器电路可以准确检测 0 至 5mV 电压，并且放大器需要能够输出到最低和最高功率轨的摆幅。

相反，如果放大器不支持轨到轨输出摆幅，电压的动态范围就会变小。它将无法正确检测完整的输入信号。

因此，检测电路的动态范围有限，无法进行准确的检测。

•  放大器噪声

在评估此类应用的放大器时要考虑的另一个重要参数是放大器噪声。

需要注意的是，放大器的噪声在频率上可能不恒定，特别是在1/f噪声下可能成为低频下的主要噪声源;在心电图应用中，所需的信号带宽通常为直流至100Hz，因此1/f噪声仍然是误差源。

PPG测量挑战

测量PPG的主要挑战是环境光和运动的干扰。太阳光产生的直流误差相对容易消除，但荧光灯和节能灯发出的光都具有可能导致交流误差的频率分量。

运动也会干扰光学系统。当光学心率监测器用于睡眠研究时，这可能不是问题，但如果在运动时佩戴它，则很难消除运动图像。

光学传感器（LED和光电探测器）与皮肤之间的相对运动降低了光信号的灵敏度。

此外，运动的频率分量可以被认为是心率测量。因此，必须对运动进行测量和补偿。

设备与身体的连接越紧密，这种影响就越小，但几乎不可能机械地消除这种影响。运动可以使用多种方法进行测量，其中一种是光学方法，即使用多个 LED 波长。

共模信号代表运动，而差分信号用于检测心率。但是，最好使用真正的运动传感器。

传感器不仅可以精确测量应用于可穿戴设备的运动，还可以用于提供其他功能，例如跟踪活动、计算步数或在检测到特定 g 值时启动特定应用。

4. 心电测量电路

典型的心电图设备通常通过模拟前端电路实现，用于信号放大、滤波，然后通过ADC进行数据采集。

使用低分辨率（16位）ADC时，信号需要显著放大（通常为100至200倍）才能达到必要的分辨率。使用高分辨率（24 位）Σ - DADC，信号只需 4 到 5 倍即可获得适度增益。因此，可以省去用于直流失调消除的第二增益级放大器。它将减小芯片尺寸和芯片成本。Σ-DADC方法还将在整个频段上保留信号，并为数据后处理提供足够的灵活性。

仪表放大器 （IA）

仪表放大器（IA）的主要任务是抑制共模信号（通常为50Hz/60Hz干扰）。ECG 应用需要 90dB 甚至更高的共模抑制比 （CMRR） 来抑制来自电源的 50Hz/60Hz 信号。

即使 IA 具有高 CMRR，不同 ECG 电极之间的不匹配或皮肤接触阻抗不仅会产生失调漂移，还会导致 CMRR 低于所需水平。

阻抗不匹配主要是由电极与皮肤的物理接触、汗液和肌肉运动引起的。此外，还需要考虑IA的收益。有必要设置适当的IA增益，以避免信号削波或饱和。

这对 IA 的输入阻抗也很重要，因为 ECG 测量微弱信号。建议使用具有高输入阻抗的 IA，因为低输入阻抗会导致较大的信号衰减。

2 nd 级增益放大器（PGA）

在通过IA和滤波器消除噪声和干扰后，进行第二级放大，以提供额外的增益，以实现ADC的输入范围。一些设计增加了陷波滤波器，以进一步抑制电源线的 50Hz/60Hz。

低通和抗混叠滤波器（滤波器）

低通滤波器用于抑制高频干扰，还充当抗混叠滤波器，可防止任何大于奈奎斯特或采样频率的1/2的信号，以防止ADC混叠。

为了进一步降低输入共模信号，心电图设计通常引入“右腿驱动器”（VRLD），将反相共模信号驱动回人体。

为确保患者安全，使用运算放大器和限流电阻器来确保将非常微弱的信号源驱动到人体。屏蔽电路还用于减少ECG探头传输信号的噪声耦合。

5. PPG测量电路

PPG的测量电路包括：光传输驱动系统中的LED，并测量来自光电二极管的反射信号。目标是测量给定 LED 电流（电流传输比）的最大光电流。

光电二极管的输入和接收信号通过跨阻放大器（TIA）进行放大和滤波，然后由ADC获得。

环境光干扰是一个大问题，尤其是当光被调制时，例如带有 LED 或节能灯的固态照明系统。为了获得良好的信号响应，通过数字信号处理来减少环境光干扰的影响。

这是可以有效抑制外界光线干扰的关键功能。

6. RT1025产品信息

RT1025 是用于心率监测和测量的集成式 AFE 解决方案。RT1025集成了低噪声电压和电流感应通道，能够同时感应ECG（心电图）和PPG（光电容积脉搏波）。RT1025 具有 100dB >动态范围，可以通过检测心脏的电信号来准确感应脉冲。RT1025 的高精度电压和电流检测通道的采样率可在 64 至 4kHz 之间配置。RT1025 解决方案只需很少的分立元件，易于用于低功耗医疗 ECG/PPG、运动和健身应用。RT1025 解决方案具有高集成度和高精度电压和电流检测通道，适用于可扩展的医疗仪器系统。RT1025 采用 3.1mm x 3.4mm、41 引脚、0.4mm 间距 WL-CSP 封装。RT1025符合IEC 60601-2-27和中国YY1079规范，适用于医疗级心电图/PPG、健身、可穿戴产品的应用。

RT1025 支持在中断或轮询时读取样本和器件状态。它包含用于数据缓冲的4kB SRAM。该器件具有内部时钟，可提供带外部晶振的高精度时钟。

灵活的时序控制使用户能够针对不同的应用控制PPG器件时序，并关闭器件的电源以节省功耗。该器件可以作为从设备连接到SPI或I 2 C主机。

 RT1025 产品特点

•  心电图通道功能

支持双电极 （2E） 模式和右腿驱动 （RLD） 模式

低噪声PGA和高分辨率ADC

输入阻抗：双电极模式下为125M至500MΩ，右腿驱动模式下>1GΩ

低折合到输入端噪声：0.67μVrms （64Hz ODR，增益 = 12）

动态范围 ： 110dB （增益 = 6）

CMRR > 85dB （在 60Hz）

数据速率：64SPS至4k SPS

•  PPG渠道特点

灵活的时序控制，支持动态关断

TX 支持 H 桥和推/挽模式

TX LED 电流范围：10 / 25 / 35 / 50 / 65 / 75 / 90 / 105mA，每个具有 8 位电流分辨率

输入最大电流范围：0.5 至 50μA

输入最大电容：1nF

折合到输入端噪声：50pArms （在 5μA 输入电流）

CMRR > 80dB （在 60Hz）

PGA 增益：1 至 6V/V

环境 DAC1/DAC2 范围：1 至 6μA

•  别人

二合一生物传感 AFE（电压/电流）

内置心跳间隔估计

集成振荡器，提供带外部晶振的高精度时钟

支持 MCU 的 I 2 C 和 SPI I/F

用于数据缓冲的片上SRAM

超低功耗

工作温度范围 ： -20°C 至 65°C

小尺寸、3.1mmx3.4mm、41引脚、0.4mm间距、WL-CSP封装

符合 RoHS 标准且无卤素

ECG/PPG AFE 评估板

立锜科技开发了带有 Android 应用程序 （Cardio EVK） 的 ECG/PPG AFE 子板 （PCB107_V1） 和心形评估板 （PCB106_V1） 来评估 RT1025 的性能。欲了解更多信息，请从立锜网站 http://www.richtek.com 找到相关数据手册或应用说明。

 7. 总结

RT1025 是一款模拟前端芯片，可以同时满足 ECG/PPG 测量要求，并在不增加成本的情况下提供良好的性能。同时捕获 ECG/PPG 信号可以提高 PTT 血压计算的准确性。

它有助于减少您的开发预算，缩短设计阶段，节省电路板的面积并减少系统中的元件数量。RT1025 还提高了产品的性能和可靠性。