历史视角下的心电测量:

自从路易吉·伽伐尼于1786年首次报道了他的青蛙实验以来，电物理测量已经在人类和动物身上进行了。20世纪初，荷兰医生威廉·艾因托芬首次进行了心电图(ECG)测量。心电图是一种常用的无创电物理测量方法，用于测量、记录并随后解释穿过心脏的电位。

电极被放置在皮肤上以获得感兴趣的信号。早期的研究人员选择手和脚作为电极的位置，简单地将这些四肢浸泡在盐水桶中，从水中将电线连接到电流计上。随后的研究表明，使用导电糊状物将金属电极附着在手腕和脚踝上，可以更方便地获得类似的信号。

但最初使用的设备极其粗糙，只能提供基本信息，几乎没有存储能力，也没有内部诊断能力。然而，后来投入使用的是示波器、真空管(以及随后的晶体管和集成电路)放大器和微处理器。

心电图市场:今天，心电图测量只是完整的病人监测系统的一部分。其他活体生物电测量包括体温、血压、血糖和血氧水平等，以及大量实验室样品的离线测量。

今天的设备更安全，更准确，具有更强的内部诊断能力，能够在低电压下使用电池工作。电源——因此安全且便携。

心电系统中的低功耗/低压信号处理ic:50多年前在美国推出的第一个动态监测系统重约50磅。今天的心电图系统的重量只是那个重量的一小部分，在更低的电压下工作，并且消耗更少的功率。

许多因素促使患者监测设备使用低电压和低功率，从而使用低功耗高精度IC组件。其中一个因素是电池的持续使用，电池已经在动态心电图、便携式或动态心电图系统中使用了几十年。使用低压电池作为唯一的电源，确保患者(以及设备)在故障情况下不会暴露在“热”线电压下。此外，动态心电监护规范要求具备24小时连续记录能力;因此，低功耗ic对于延长电池寿命至关重要。

影响医疗保健ic的另一个日益重要的驱动力是市场对额外功能的需求，而不增加空间、功率或成本。

手提电脑及通讯市场:其他市场的重大发展有助于提供医疗市场需要但自身无法支持的各种集成电路。首先，计算机和通信市场的爆炸性增长导致了用于信号处理(数字和混合信号)的半导体集成度的提高和功耗的降低。其次，便携式消费设备市场的类似增长激发了对ic在低至3.0 V的单电源电压下工作的巨大需求，以及对电源管理ic(即高效dc- dc转换器和微处理器监控产品)的需求。第三，长寿命的可充电电池现在重新可用。这些变化推动了ic的制造量的增加，降低了成本和功耗要求，现在所有低功耗、低电压市场的设计师都能享受到这些好处，包括患者监护/ECG。

心电图设备架构:在多通道测量应用中，如动态、动态心电图或心电图，使用两种基本的前端架构:将信号多路复用到单个转换器(图1)和每个通道的转换器(图2)。多路复用架构基于转换器是迄今为止最昂贵的前端组件的旧假设，在当今的电生理测量系统中很普遍。然而，随着sigma-delta转换器架构的扩散，每个通道转换器现在是一种具有功耗和成本竞争力的替代方案，用于快速获取高容量或智能选择的数据量。设计人员现在必须考虑影响整个系统的所有因素，包括功率/成本权衡。

让我们回顾一些重要的系统性能要求及其对测量电子器件的影响。插图显示了典型的信号链和可能适合各种体系结构要求的可用器件ic。请注意，图1中的前端放大器和滤波器对于每个通道都是重复的。

宽动态范围

电极上的传感器检测到的小交流信号电压(5 ~ 10mv)将伴随着一个大的交流共模分量(最高1.5 V)和一个大的可变直流分量(300 mV)。AAMI(医疗仪器发展协会)规定的标准心电图共模抑制最小值为89 dB，动态记录仪最小值为60 dB。在具有宽动态范围要求的低压系统中，选择输出电压范围接近轨对轨的低净空放大器是很重要的。适合连接电极的低功耗、双/单电源运放和仪表放大器包括:

除了单电源和低功耗操作外，用于电生理系统的A/D转换器的主要功能包括串行接口(理想地与标准微处理器和微型计算机兼容)，片上参考电压，睡眠(断电)模式和片上多路复用器。可用的类型包括:

图2显示了使用AD7716(四路，22位，sigma deltaADC)的每通道转换器架构。ad7716消除了对IAs和有源低通滤波的需求。它还消除了多路复用系统所需的额外外部数字控制电路。未来可能会有更多具有更宽动态范围的Sigma-Delta器件，如ad1550 /51，以支持每通道转换器的ecg。

信号带宽

信号带宽将取决于是否检测到起搏器脉冲，以及系统是否用于诊断(波形细节很重要)还是用于监测。一般来说，对于标准心电图，感兴趣的信号分量将驻留在0.67至40 Hz的带宽内，对于起搏器检测，则驻留在300 Hz至1 kHz的带宽内。

右腿驱力

根据系统架构的不同，位于右腿上的电极要么反向驱动，以尽量减少交流共模电压波动(上图)，要么用作参考节点，测量共模电压，以便在转换后以数字方式去除。合适的放大器是OP97，工作电压为>=2.5 V，静态电压为<=600µA。

低功耗数字信号处理器:今天的dsp现在可以提供一个有吸引力的价格/性能替代基于微控制器/ mp的嵌入式系统。ADSP-2173是一个+3.3 v定点器件的例子，具有片上存储器(8k 24位程序ROM, 2k 24位程序RAM和2k 16位数据RAM)，适用于低功耗心电系统。

我们在上面描述了大量的低功耗、低电压ic，以满足设计人员对大多数ECG应用的需求，包括患者和生命体征监测仪、诊断心电图、动态心电图(动态心电图)、除颤器和压力测试仪。随着未来系统不断要求增加功能和降低功耗，新的集成电路将满足不断发展的需求。