拆解ECG模拟前端，应对医疗设计挑战

生命体征监护系统的便携性仍非常有限，因为它们体积和功耗都很大。因此临床连续监护只能用于危重病人，60%至70%的病人只能定期监护。如果能够实现可负担的低功耗便携式监护系统，病人的安全性、监护效果和舒适性都将得到显著提高。这些属性还能将这种设备系列扩展使用到非医院环境中的慢性病病人监护。

来自TI公司的芯片在这类设备的演进中扮演着重要的角色。于2010年发布的ADS129x系列器件提供完整集成的模拟前端(AFE)功能，可用于病人监护、便携式和高端心电图(ECG)及脑电图(EEG)设备。开发这种集成电路的工程师队伍必须平衡一些极具挑战性的设计目标：每通道功耗小于750uW，噪声符合IEC的ECG标准(10uVp-p输入)，尺寸为8mmx8mm，以便支持便携式和一次性ECG贴片应用，以及低成本。

让我们仔细了解一下ADS129x系列器件的其中一员ADS1298，图1就是该器件的裸片照片。ADS1298是针对ECG/EEG应用开发的一款8通道、24位集成模拟前端。采用8mmx8mm的BGA封装，裸片尺寸为6mmx5.6mm。经过工程师的精心版图设计，ADS1298集成了43个分立的IC功能，组合面积可达1800mm2。 因为这些应用中的输入信号非常微弱，所以设计时需要特别留意输入阻抗。差分输入信号将经过EMI滤波模块和低噪声的斩波稳定PGA消除1/f噪声(也称为闪烁噪声)。TI工程师在delta sigma(差和)转换器基础上为ADS129x系列设计了一种新的模数转换器(ADC)内核。这种ADC特别敏感，功耗比竞争产品低3倍。另外还使用1.2V带隙电路提供高精度的参考电压(Vref)信号。

除了版图方面的亮点外，我们还发现电气隔离也是设计和处理的重点。设计中广泛使用了去耦电容，用于实现电路模块间的电气隔离，而且还有三重势阱结构实现完整的电气隔离。

再深入一点，图2显示了ADS1298 的SEM横截面。从图中可以看出，ADS1298使用了鲁棒性、高良率的0.35um 4层铝Bi-CMOS工艺。Bi-CMOS工艺和低噪声双极放大器成就了ADS1298的低功耗和低噪声性能。 ADS129x系列被应用于Sotera Wireless公司的ViSi移动病人监护仪，这种监护仪于2012年4月获得了FDA的认证。Sotera Wireless公司的第一代系统是在医院使用的连续生命体症监护系统。这种系统很小，可佩戴在手腕上，包括3个传感器：

光学拇指传感器，用于测量脉搏和SpO2
胸部传感器，用于测量ECG/HR、呼吸和皮肤温度
护腕模块，用于单次膨胀或自动NIBP监护

小尺寸提高了病人的舒适性和便携性。系统的低成本能将连续监护的好处带给更多的病人。正在开发、还未得到FDA批准的版本包括更多功能，比如无线连接。Sotera Wireless公司首席技术官Jim Moon强调了ADS129x系列器件在他们设备开发中的重要性：“用于病人监护的TI ADS1298R模拟前端使ViSi移动病人监护仪的实现成为可能。它所提供的体积减小和功耗降低是空前的。”

医疗电子设计领域与消费电子共享许多工程技术挑战，而且增加了很高可靠性的要求。像TI的ADS129x系列这样的器件完全能够应对这些挑战，并且这个领域的技术创新非常值得期待。