【应用案例】以低功耗MCU为核心的便携式心脏监测仪

原创 SiliconLabs 2022-05-11 16:27

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Silicon Labs（亦称“芯科科技”）微处理器可作为新型动态心脏监测仪的核心，该监测仪参考案例可连续运行长达 14 天，需要高性能和相对较低的功耗。本文详细介绍了此款基于低功耗EFM32系列32位MCU设计的便携式心脏监测仪的开发考量、功能特色，以及研发团队的心得。欢迎往下阅读或通过文末的阅读原文按钮及链接获取完整内容：https://cn.silabs.com/applications/home-and-life/connected-health/a-portable-cardiac-monitor-with-an-mcu-at-its-heart

前言

心脏电生理学家 Gust H. Bardy 博士推出了Bardy Diagnostics，并聘请了一支小型工程师团队，将心律诊断精度的目标转化为监测心脏的设备的电路板。大部分工作都围绕在记录的心电图中显示更多的细微差别，向团队介绍心律失常的多样性和复杂性，并显著改变和改进了经常与动态心电图监测仪一起使用的软件。

使用动态心脏监测仪 CAM 打造更智能的利基市场

准确的诊断始于准确的心电图描记。众所周知，心电图或ECG/EKG 是一种用于记录心脏电活动的设备。本器械是无创性的，通常包括放置在胸部和四肢皮肤上的电极，以测量心脏的电活动。输出信号可用于确定或检测可能导致心脏骤停、中风或意识丧失的异常心律（即心律失常）。这些监测仪称为长期心电图 (LT-ECG) 监测仪，可佩戴 24/7 长达 14 天，无需更换监测电极，使患者能够淋浴、舒适睡眠和进行锻炼。这与历史悠久的 Holter 监测仪形成鲜明对比，Holter 监测仪只能仅佩戴 1-2 天，配有多根悬垂导线，并采用简单的工程和心律分析。Bardy 博士发明的 CAM™ 贴片是一种提供卓越舒适性和合规性LT-ECG的设备。

Bardy Diagnostics高级研究员Gabriel Felix表示：“虽然传统的监测仪在检测 R 波（来自心脏的最大电信号）方面非常出色，而且确实是心脏波形的重要组成部分，但仅 R 波不足以诊断许多异常心律。其他波的低振幅偏移中隐藏着许多其他信息。波形形状的微小变化似乎对于帮助人们获得改善健康和管理严重疾病所需的特定治疗至关重要。”

需要优化设计各个级别的 CAM 系统，以捕捉这些微小而微妙的信号。然而，人为因素至关重要，因为该设备对患者的日常活动干扰要最小。

“老实说，和典型的心脏监测仪一样，当您的身体被一圈电缆和传感器包围时，您唯一能去的地方就是躲在卧室里。”

从 Bardy 博士的角度来看，如果您想实践良好的医学，彻底革新一个领域，那么设计的各个方面都至关重要。从包装到对心电图进行全面解读的人员的培训，每件作品都必须充满爱。然而，一切都围绕着Bardy监测仪的关键功能：能够感知来自心脏的非常精细、细微的电信号。这既是一项电气设计挑战，又是机械、生物和化学方面的挑战。尺寸、重量和舒适度对于成功至关重要。但是，如果没有心电图的细微细节，其他一切都没有价值。

Silicon Labs低功耗MCU是便携式心脏监测仪的核心

Silicon Labs 花了二十多年时间磨练其无线通信技术，以便帮助像 Bardy Diagnostics 等公司能够推动其领域的创新。开发无线医疗设备面临着三项基本工程挑战。您必须保证精确、快速地提供准确的测量结果，您需要通过强大的技术来增强医疗设备的无线安全性，并且您必须通过可靠的设计和低功耗技术来最大限度地延长电池寿命。

Bardy Diagnostics 小巧轻便的CAM贴片基于 Silicon Labs EFM32架构。患者接口传感器连接到系统的核心MCU－EFM32TG210。此设备提供集成外设（ADC、SPI、ASYNC 串行接口和定时器功能），运行功率极低，使 CAM 贴片能有效“捕捉”那些微小的心脏细节，这将 CAM 贴片与其他可用的监测仪区分开来。

“首先，ADC 提供了分辨率和滤波选项，确保他们能够获得所需的原始数据采集，同时保持在功率预算范围内。其次，与其他架构相比，EFM32TG微控制器的电源管理提供了卓越的节能效果。得益于极快的睡眠和唤醒转换、外围设备的自动操作和低功耗时钟生成，EFM32TG超出了系统要求，并且可使用标准14电池进行长达 CR1225 天的连续心电图记录，”Silicon Labs 的 Brian Blum 解释道。

Gabriel 还指出，EFM32TG210 的性能和功耗模式使他们能够按照规范设计和构建 CAM 贴片，并最终实现预期结果。他认为，在设计设备时，拥有符合性能期望的 MCU 是保持项目进度和预算的关键。“EFM32架构非常好，只需一块 48 mAh 的 CR1225 电池，即可进行长达 14 天的全面数据记录。正在捕获的信号可以低至 150uVpp，即使在该范围内，模拟波形的精细细节仍然保持清晰。该 EFM32 架构包含高性能 ADC，可捕获这些细节，同时保持电磁安静的辐射特性，使小细节不会受到干扰。集成的过采样和超强且可配置的 ADC 功能是救生的关键。该 EFM32 架构在当时绝对具有革命性，大多数芯片供应商仍在追赶。”

当被问及从设计到上市的历程时，Gabriel 解释说需要克服许多技术挑战。“我们没有发现任何生产出如此低功耗的动态系统的厂商。通常，在医疗行业，几十年来，心电图的处理方式都是相同的，这点也不例外。当时的 CAM 贴片采用全新的前端设计，低噪音、低功耗。很难找到能够自如地处理此类工作的人，因此我们的工程团队直接在大学毕业（或在大学期间）就接受了培训。到目前为止，我们相信拓扑无可匹敌，并且正在被越来越多的设备所采用，取代了传统的前端拓扑。”