搭配精準類比前端　心電監控器資料擷取效能大增

多數醫療專家認為，運動量過少是大部分人患上心血管疾病和糖尿疾病的根源，這被稱之為代謝綜合症，目前美國是這種問題最嚴重的國家，一些研究報告估計，25%的人口患有肥胖症、血壓高、空腹血糖高、血清甘油三酯高和高密度膽固醇(HDL)低等病症。

提升生活品質，遠離病因當然是從改變日常生活方式開始；使用者透過監控健康參數和具體的營養方案將有助於降低高血壓、血脂異常和肥胖症的發病率。美國運動醫學會(ACSM)已發布一些國際健康生活方式指引，並在美國高中執行，如果不改變日常生活方式，當步入中年時，周運動量將會少得可憐。事實上，周運動量少於1小時的中年女士死於心血管疾病的概率是運動量較多的同齡女士的兩倍。

既然監控生活方式和健康參數已成為正確診斷病症的重要因素，本文將介紹新型可監控心臟及其間接參數的儀器設計方案。

實現健康監控　ECG躍居保健站標準配備

全世界各國的醫療保健支出都在增加，慢性病和傳染病預防治療方案是各國政府亟須解決的問題，這使得醫療健康朝所謂的「病患保健與自理」方向發展。病患幾乎不再被動接受醫生的護理建議，而是在醫生的指導下，能夠更好地自理，這就產生一種有健康意識且很多政府機關和獨立組織大力提倡的生活方式。

此一新的設想適用於愈來愈多的保健站(PoC)。保健站分布在城市的鄉鎮和村莊中，被視為進入公共醫療健康組織的第一個入口，醫療人員將利用快速診斷工具，與人們進行諮詢，而心電監控器(ECG)就是最基本的診斷儀器之一。保健站的心電監控器通常是電腦輔助型心電監測機，這種機型沿用傳統床式心電監控系統的類比子系統，使用個人電腦處理並顯示資料。在這種硬體設定中，個人電腦扮演兩個重要角色：保存和檢索心電資料，以及管理系統採集資料。

最近的研究證明，連續診斷回饋資料可改善人們持續改進生活方式的意志。健康遠端監控顯然是個人醫生與病患保持直接聯繫的解決方案。

電極是採集心電資料的感測器，用以將生物組織內的離子電流轉換成電子醫療儀器的類比前端(Analog Front-end)可偵測電子電流。為理解心電圖等生物電訊號產生的原因，設計人員應該考慮下面幾個要素：

‧	心肌細胞的電活動，也就是被置於與體液成分相同的同質水浴培養基中的單個心肌細胞電活動，所導致的細胞外電勢。
‧	置於一個大型含體液離子成分的導電介質中，大量心肌組織電活動導致的細胞外電勢。
‧	這些細胞外電勢與身體表面記錄的總電活動，即心電圖訊號之間的關係。

要求高精準訊號　心電採集注重類比/可配置設計

圖1　床式心電監控系統電極導聯線配置示意圖

對診斷有重要意義的心電訊號頻率範圍在0.05∼250Hz之間，為確保完美捕獲訊號，類比前端必須能夠放大心電圖訊號，濾除非生物訊號例如電源線雜訊，以及無關的生物干擾例如EMG，並整合一個具有80∼120dB範圍共模抑制比(CMMR)的高增益差分放大器。

在心電監控系統內，電腦記憶體、顯示器和印表機都是用於保存和顯示心電資料。心電監控器的電極通常情況下被固定在患者身體上，如圖1所示，這些電極連線被稱之為導聯線；一般而言，導聯線最多可達十二組，其代號包括I、II、III、aVR、aVL、aVF、V1、V2、V3、V4、V5、V6，詳細說明如下：

‧	導聯線I=RA–LA(右臂–左臂)
‧	導聯線II=RA–LF(右臂–左腳)
‧	導聯線III=LA–LF(左臂–左腳)
‧	aVR是在右臂取得：
‧	aVR=3/2(RA-VWCT)
‧	aVL是在左臂取得：
‧	aVL=3/2(LA-VWCT)
‧	aVF是在左腿取得：
‧	aVF=3/2(LL-VWCT)
‧	V1是置於胸骨右緣第四肋間的電極與VWCT的差值
‧	V2是置於胸骨左緣第四肋間的電極與VWCT的差值
‧	V3是置於V2和V4間隔處的電極與VWCT的差值
‧	V4是置於鎖骨中線與第五肋間相交處的電極與VWCT的差值
‧	V5是置於左腋中線水與第五肋間相交處的電極與VWCT的差值
‧	V6是置於腋中線水與第五肋間相交處的電極與VWCT的差值

其中，VWCT是虛擬參考點，又稱威爾遜導聯中心點(WCT)： VWCT=1/3(RA+LA+LL)

針對ECG設計需求，半導體業者已推出不少相關解決方案，其中，意法半導體(ST)推出的新型心電訊號採集方案HM301D(圖2)，除前文提及的必備功能外，還具有一系列高整合、可配置的數位帶通濾波器，讓醫療人員能夠選擇性分析心電波形。

圖2　新型心電訊號採集類比前端晶片電路圖

圖3　多導聯心電監控器架構圖

經過濾波和處理後，心電資料透過串列周邊介面(SPI)埠傳至外部微控制器(MCU)。每個心電訊號採集晶片都包含三個完整的心電差分通道，最多可將四個心電訊號採集晶片連接在一起，構成一個多導聯心電監控器(圖3)。

全球有大約三百萬人使用起搏器，像心電監控器這樣的診斷類儀器須支援起搏器脈衝分析。新型心電訊號採集晶片有兩個起搏器專用通道，每條通道提供10kHz頻寬和起搏脈衝偵測可調功能。

圖4　心電監控器評估板

除心電分析功能外，新型心電訊號採集晶片具有全整合的阻抗測量通道，提供體重和呼吸速率計算所需的功能，透過心電監控器的兩個電極向人體發射高頻方波弱電流，然後測量最終的電壓。基於數位帶通濾波器的IQ調製/解調技術，提供與呼吸相關的時變頻率成分中的現實頻率和理想頻率，以及與體重有關的非時變頻率成分。

其他功能特性包括右腿驅動器(RLD)、WCT驅動器、遮罩驅動器和一個輸入連接矩陣。低壓電源和低功耗還使該晶片特別適用於電池供電裝置。

圖5　自動體外心臟電擊去顫器評估板

基於新一代針對生物電和生物阻抗測量的診斷級心電採集類比前端晶片所打造的評估板，分別可用於心電監控器(或病患監控系統)和自動體外心臟電擊去顫器(AED)開發。這兩款電路板還搭載一個32位元微控制器，用於管理心電採集類比前端的SPI協議和電路板與個人電腦之間的通用序列匯流排(USB)通訊。

兩款電路板都能配合專用個人電腦軟體圖形使用者介面，展示不同應用配置的工作情況。為最佳化硬體開發，兩款電路板幾乎相同；唯一不同之處是板載元件，透過圖4和圖5的比較，可很容易看出不同之處。

確保資料擷取/傳輸　心電採集電路板配置大有學問

上述評估板透過SPI菊鏈拓撲最多可連接三個心電採集類比前端晶片，因此，可能有一顆、兩顆或三顆類比前端晶片，分別用U1、U2和U3表示；而低壓高頻寬四通道SPDT開關可用於管理三種配置之間的開關。三個晶片連接只能使用菊鏈拓撲。換句話說，在沒有U1時，無法使U1和U2工作，准許開關順序是U1；U1和 U2；U1、U2和U3。

圖6硬體框圖描述板上所有元件之間的邏輯連接線路，圖7則是評估板周邊與類比前端晶片之間的邏輯連接圖，其中STM32F103CBT6是SPI匯流排的主控制器，負責管理SPI開關通道，開關微控制器與SDO訊號的連接線路。

圖6　板上連接邏輯圖

為評測心電採集類比前端晶片的不同工作模式，評估板准許第一顆類比前端晶片(U1)採用雙極或單極連接模式，而另外兩顆(U2和U3)的連接始終採用單極模式。

圖7　SPI菊鏈架構圖

特別是在評估板電路板上，U1被配置成採集艾因特霍芬(Einthoven)正三角形訊號，其極點是LA、RA和LL，三個極點直接連接U1。此外，RL是電勢的參考電極，與U1的九號接腳相連。這種連接方式使心電圖正面肢體導聯線資料檢索變得十分容易。事實上，導聯線I是LA與RA的電勢差，導聯線II是LL與RA的電勢差，導聯線III是LL與LA的電勢差；導聯線的連接則是由電阻R1、R2、R3和R15控制。

傳統臨床心電圖機多數使用單通道放大器，其資料記錄系統准許透過一個多點開關選擇所需的導聯線連接方式。以新型心電訊號採集類比前端打造的評估板，其類比前端晶片可記錄所有導聯(I、II、III、V1、V2、V3、V4、V5、V6)資料，並透過圖形使用者介面的參數設置功能，將採集到的資料送入生物電位元放大器放大。使用者還可以在個人電腦上記錄心電導聯資料。

電極V1、V2、V3假如存在，透過單極方式連至U2，電極V4、V5、V6單極連至U3。U2和U3晶片的連接方式都是單極模式，以主設備(U1)的WCT為參考訊號。特別要注意的是，評估板電路板上只安裝U1，並被配置成僅採集導聯I，即LA與RA的電勢差。

一旦完成必要配置後，心電採集評估板即可投入使用。事實上，電路板還有配套韌體，使微控制器能夠從類比前端晶片檢索所有的心電訊號，透過USB資料線傳送到個人電腦。

該評估板還為客戶提供一個支援圖形使用者介面(GUI)的軟體，可設置心電監控器系統參數，並在顯示幕上繪製採集訊號的波形。使用者可輕鬆列印心電資料或保存到磁片，以備深入分析或治療後診斷。此外，軟體繪圖介面還能檢索類比前端晶片阻抗通道的資訊，測量人體阻抗以及因呼吸而引起的各種變化。

新型心電監控器類比前端方案，對醫療保健站很有價值，展現心電監控應用類比前端的最新成果，其模組化及韌體和軟體有助使用者輕鬆設計屬於自己的前端晶片。

(本文作者皆任職於意法半導體)