可穿戴设备测心率就是固定的“体检方式”

如果说测步数是新时代年轻人的“运动教练”，那么测心率就是固定的“体检方式”了。过去，ECG、血压和呼吸频率的测量只有医院监护仪才能提供。不过随着可穿戴设备的兴起，人们能够在不借助全套医学设备的情况下获得大量有关身体状况的信息，手环、手表、心电衣等带有监测功能的可穿戴设备逐渐成为了收集关键身体信息的便捷方法。

近期小米商城新上架了一款运动心电衣，可在运动状态下测量心率，观察心率的趋势，也可在相对静止状态下测量心电图。而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，这样一款“历久弥新”的经典芯片，用在了米家最新款的心电衣上，不得不说是一个奇妙的组合~

心血管疾病是危及人类生命健康的“头号杀手”，有数据显示，每年心血管疾病死亡人数占全球死亡总人数的29%;中国心血管病患者2.9亿，每5例死亡者中有2例死于心血管病。而这类疾病都是有征兆的，在发病期的2-3天前心率波形就会发生变化，所以一款能够有效进行心率监测的可穿戴设备是至关重要的，既能够测试静态情况下的心脏情况，也要监控在运动过程中心脏在承压工作中的问题，早发现早治疗。

我们都知道心率和心脏活动监护通常是使用ECG测量生理电信号来实现。ECG测量的是人体心脏由于每次心跳使心肌去极化和复极化而产生的电信号。信号幅度通常为0.5mV至4mV，测量频率范围在0.05Hz至40Hz之间。而这需要通过将电极与皮肤相连来监测心脏活动，为了在诊断应用中确保与人体的良好接触，业界的很多可穿戴设备采用了双电极胸带。虽然可检测到各种ECG波形，但大多数系统只测量心率，并且这些胸带穿戴起来并不舒服，因此，体育和保健行业正在寻找替代方案，例如将电极集成到运动衫上。

这款米家的运动心电衣就是典型的例子，将精心设计的导电织物电极植入到运动衣中实现无感检测。贴身的设计不仅可以更准确地测量心率还可以用作心脏功能测量或潜在心脏病事件(如心房颤动或持续高血压)的预警。其中测量的核心就是来自ADI的AD8232单导联心率监护仪前端，同时AD8232的设计初衷也是专为此类低功耗可穿戴应用而开发的。

AD8232是一款低功耗集成式信号调理前端，专门针对 ECG和其他生物电测量开发。可通过接触或非接触测量方式监测心率，它使用两个或三个电极从人体获取心电信号。该芯片可将来自电极的微弱并带有噪杂的信号转换为经过滤波的大信号，以便微控制器内置的独立模数转换器 (ADC)能轻松将其数字化。

人体的电极电压是毫伏级别的，在测量过程中获取的信号很弱且很噪杂，从而对运动相关的干扰噪声很敏感，并且电极的金属与皮肤接触时会产生极大且不平衡的接触阻抗，这会严重干扰采集信号的质量。由于这个原因，滤波对于获取有用的信号很重要。AD8232包含了一个可同时提供增益和高通滤波的输入放大器，它能为微弱的ECG信号带来100V/V增益，同时抑制电极失调电压，电极失调最高可达±300mV。

AD8232内置增益为100V/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)。此低功耗前端功耗为170μA，还可与ADI另一款16位片上计量仪ADuCM350配合使用，进行高性能、单导联ECG测量。

第一个滤波器的–3dB截止频率为FHP1−3dB=100/(2πR1C1)。由于放大器的增益和反馈架构，滤波器截止频率比一般预计值高100倍。上图显示了实现最优信号传输的放大器和各种滤波器级电路图。

第一级后跟一个交流耦合网络，表示第二极点。截止频率由常规的一阶高通滤波器设置，即FHP2−3dB=1/(2πR2C2)。两个高通滤波器组合总共产生–40dB/十倍频程滚降。下一个滤波器级支持二阶低通滤波器，采用Sallen-Key配置。AD8232滤波部分不仅可以消除运动干扰噪声，校正基线，还可以根据人体在不同运动状态下的电信号变化，进行自动适应和调整带宽来获取相对准确的心电数据。

结语

随着技术的进步，可穿戴设备不再局限于医疗保健和家庭护理上，并逐渐在运动市场开始发力。这对设备的功耗，尺寸和准确度都提出了新的挑战，而ADI 的技术可以将这些颇具挑战性的难题转变为完善的产品和完整的解决方案。就如同AD8232虽然是一块八年前的产品，但是作为一款仅有4mm × 4mm小型封装的全功能构件块，不仅功耗极低并且价格竞争力十足，在通过对芯片以及外围电路的调整和优化后应用在最新款的心电衣上依旧是最合适的。

值得一提的是，ADI在ECG应用上积累了非常多的芯片设计经验以及系统工程经验，不断推出了更多的创新型产品。AD8233便是AD8232的升级版，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。

未来，ADI将不断推出更多创新型的产品，满足不同客户的复杂需求，并继续以开放的心态，和诊断、治疗、预防、疾病管理等全生态链合作伙伴一起通力合作，共同推动中国医疗行业技术发展。

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