№6 / 2019 / статья 4

MAX30003 – персональный кардиолог от Maxim

MAX30003 – аналоговая одноканальная ИС производства Maxim Integrated для измерения биоэлектрических потенциалов, которая предназначена для применения в фитнес-устройствах и в клинических кардиографах. 

Пара слов об электрокардиографии

Электрокардиограмма (ЭКГ) используется для получения информации о состоянии сердца человека. Это, вероятно, один из самых простых и старых методов исследования сердца. В своей общепринятой форме он исследует электрическую активность в сердечной мышце. Усиливая и измеряя дифференциальные биоэлектрические сигналы, можно быстро получать большой объем информации, в том числе определять частоту сердечных сокращений. В профессиональной медицинской среде принято разделять кардиограмму на интервалы, например, «комплекс QRS», который является самой большой частью ЭКГ и представляет собой совокупность пиков Q, R и S. Рассмотрим методы надежного измерения параметров ЭКГ с помощью таких нагрудных мониторов как фитнес-датчики сердечного ритма, которые измеряют интервал между R-пиками и определяют частоту сердечных сокращений (рисунок 1).

Рис. 1. Основные пики ЭКГ

Рис. 1. Основные пики ЭКГ

Измерение ЭКГ с помощью нагрудного монитора

Для измерения биоэлектрических потенциалов, необходимых для построения ЭКГ, используются влажные или сухие электроды, находящиеся в непосредственном контакте с кожей человека. Как правило, при выполнении клинических исследований применяются влажные электроды со специальным гелем, который улучшает контакт электродов с кожей. Если речь идет об использовании нагрудных мониторов, то применяются сухие электроды. Электроды используются парами и представляют собой плоские пластины, изготовленные из эластичного и проводящего материала. Они подключаются к герметизированной электронной схеме с батарейным питанием. Электроника обеспечивает обработку сигнала ЭКГ, преобразование данных и их последующую передачу в хост-устройство по беспроводному интерфейсу, для чего, как правило, используется Bluetooth®. Очень часто для достижения малого веса и минимальных габаритов кардиомонитора его питание осуществляется от одной дисковой батарейки.

Особенности проектирования

При разработке датчика сердечного ритма, размещаемого в нагрудном мониторе, необходимо учитывать ряд важных конструктивных особенностей.

Электроды и входные цепи

Для получения надежного сигнала достаточной амплитуды необходим хороший контакт электрода с телом. На качество сигнала сильно влияют размеры и характеристики используемых материалов электродов. Сухие электроды намного удобнее влажных, так как их можно в любой момент прикрепить и снять. В то же время сухие электроды будут иметь очень высокий импеданс при первоначальном размещении на теле. Это означает, что сигналы ЭКГ будут ослаблены. Такой сценарий «сухого старта», как правило, длится недолго, пока не начнется потоотделение, которое приводит к снижению импеданса и повышению уровня сигнала. Для снятия ЭКГ в условиях сухого старта необходимо, чтобы затухание было минимальным, поэтому входной импеданс аналоговой электронной схемы должен быть очень высоким.

Фильтрация помех, возникающих при активном движении

Поскольку тело при выполнении упражнений движется, существует ряд факторов, которые могут повлиять на качество сигнала. Например, простые движения при беге или езде на велосипеде, колебания одежды, касающейся тела и/или нагрудного монитора, движение электродов – все это приводит к помехам, накладывающимся на сигналы ЭКГ. Устранение таких помех необходимо для достижения высокого качества электрокардиограммы. Как правило, артефакты, возникающие при активном движении, будут присутствовать на сигналах, поступающих от обоих электродов, поэтому коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС, CMRR) аналоговой части схемы должен быть как можно выше. Кроме того, следует помнить, что чем тяжелее датчик, тем больше вероятность его колебания в процессе работы, что создает дополнительные помехи.

Потребляемая мощность

Малый размер нагрудных мониторов приводит к тому, что свободного пространства для размещения электронной схемы и источника питания оказывается очень мало. Выходом из ситуации становится питание датчика от компактных батареек. Однако поскольку пользователи не любят устройства, требующие регулярной замены батарей, разработчики должны приложить все усилия для обеспечения максимального срока службы элемента питания. Малое энергопотребление позволит устройству работать от одной батарейки и продлить срок ее службы.

Полностью интегральное решение

Получение сбалансированного решения с учетом всех перечисленных особенностей может стать серьезной проблемой. Обеспечение высокого качества сигнала, необходимого для точного считывания ЭКГ при сохранении надежной работы, малого энергопотребления, малого веса и компактных габаритных размеров – задача не из простых. В данном случае идеальным ответом может стать полностью интегральное решение.

MAX30003 – это аналоговая одноканальная малопотребляющая ИС, разработанная специально для измерения биоэлектрических потенциалов в портативных приложениях. Микросхема MAX30003 может использоваться для снятия ЭКГ и определения частоты сердечных сокращений как в клиническом оборудовании, так и в фитнес-устройствах.

Канал измерения биоэлектрических потенциалов имеет защиту от электростатического разряда, встроенный фильтр электромагнитных помех, внутреннюю схему смещения, функцию обнаружения отключения электродов, функцию распознавания подключения электродов в режиме ожидания, последовательную гальваническую развязку, схему изменения полярности, а также возможность самокалибровки с помощью набора внутренних напряжений. Функция плавного запуска обеспечивает отсутствие значительных помех на электродах в момент включения. Канал измерения биоэлектрического потенциала также имеет высокий входной импеданс, низкий уровень шума, высокое значение КОСС, программируемый коэффициент усиления, низкочастотный и высокочастотный цифровые программируемые фильтры, аналого-цифровой преобразователь с высоким разрешением. Устройство способно выдерживать большие скачки напряжения на электродах и имеет режим быстрого восстановления после перегрузок, которые возникают, например, при выполнении дефибрилляции или электрохирургических воздействий. На рисунке 2 показана функциональная блок-схема MAX30003.

Рис. 2. Функциональная блок-схема MAX30003

Рис. 2. Функциональная блок-схема MAX30003

Помимо MAX30003 для завершения электронной части кардиомонитора, выполняющего измерение биоэлектрических потенциалов и частоты сердечного ритма, потребуется управляющий микроконтроллер и подходящий источник питания (рисунок 4).

Как упоминалось выше, для получения точных измерений при первоначальном «сухом» старте важно обеспечить высокое входное сопротивление измерительного тракта. Для этого в составе MAX30003 предусмотрены резисторы смещения, которые дополнительно повышают КОСС. Микросхемы MAX30003 имеют очень высокое значение КОСС, доходящее до 115 дБ. Проводники электродов на печатной плате должны быть максимально прямыми и иметь минимальную длину, так как это является важным фактором для достижения качественных измерений. На рисунке 3 показаны различные функциональные блоки, входящие в состав входного мультиплексора (вверху слева на рисунке 2).

Рис. 3. Схема входного мультиплексора

Рис. 3. Схема входного мультиплексора

Полосовые фильтры для устранения артефактов, возникающих при активном движении

Удаление или ослабление артефактов, появляющихся во входном сигнале вследствие различных факторов, связанных с активным движением, лучше всего выполнять на этапе работы с аналоговыми сигналами еще до этапа оцифровки. Самым простым решением проблемы станут высокочастотные и низкочастотные аналоговые фильтры. Частота среза ВЧ-фильтра будет определяться внешним конденсатором CHPF, подключенным к выводам CAPP и CAPN микросхемы MAX30003, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Пример схемы для снятия ЭКГ и измерения частоты сердечного ритма

Рис. 4. Пример схемы для снятия ЭКГ и измерения частоты сердечного ритма

Для приложений, работающих в режиме интенсивного движения, к которым можно отнести большинство изделий для спорта и фитнеса, рекомендуемое значение частоты среза составляет 5 Гц. Для клинических применений частота среза может быть намного ниже, обычно до 0,5 Гц или даже 0,05 Гц. Очевидно, что при отсутствии движений качество снятия ЭКГ значительно возрастает.

Для задания частоты среза ВЧ-фильтра 5 Гц следует использовать конденсатор CHPF емкостью 100 нФ (рисунок 4). Для приложений, требующих более высокой частоты среза, понадобится конденсатор меньшей емкости. Например, для получения частоты среза 7 Гц необходим конденсатор CHPF емкостью 68 нФ.

Параметры низкочастотного фильтра задаются с помощью внешних компонентов, расположенных на рисунке 4 слева от конденсатора CHPF, в том числе, с помощью резисторов RECGP и RECGN с сопротивлением 1 MОм и конденсаторов CCMEP и CCMEN емкостью 4,7 нФ. Указанные номиналы компонентов НЧ-фильтра определяют частоту среза 34 Гц. Такое значение лучше всего подходит для борьбы с шумами, создаваемыми колебаниями одежды во время сухого старта. Ограничение полосы пропускания также важно для ослабления шумов от статического электричества и высокочастотных сигналов. Сопротивление последовательных резисторов RECGP и RECGN необходимо выбирать с учетом генерируемого ими теплового шума. Общий шум резисторов и измерительного канала MAX30003 не должен существенно превышать шум входного сигнала. Конденсатор CDME образует дифференциальный фильтр, который обычно не используется, однако рекомендуется провести эксперимент, чтобы сравнить эффективность низкочастотных синфазного и дифференциального фильтров, поскольку источники помех различаются в каждом конкретном приложении. На рисунке 5 показана диаграмма Боде для аналогового полосового фильтра типового датчика, расположенного в нагрудном мониторе.

Рис. 5. Диаграмма Боде для аналогового полосового фильтра датчика, расположенного в нагрудном мониторе

Рис. 5. Диаграмма Боде для аналогового полосового фильтра датчика, расположенного в нагрудном мониторе

При трассировке печатной платы и выборе компонентов следуйте приведенным ниже рекомендациям:

  • если возможно, используйте в измерительном тракте керамические конденсаторы типа COG, чтобы уменьшить искажение полезного сигнала. Это относится к конденсаторам CHPF, CDME, CCMEP и CCMEN;
  • размещайте дискретные компоненты рядом с MAX30003 и используйте проводники минимальной длины;
  • для дифференциальных сигналов (ECGP/ECGN) печатные проводники должны располагаться симметрично и иметь одинаковую длину, чтобы обеспечить максимальное значение КОСС;
  • используйте общую плоскость заземления, не разделяйте AGND и DGND.

Измерительный тракт и входной мультиплексор содержат и другие функциональные блоки. Функция быстрого восстановления позволяет входному интерфейсу автоматически восстанавливаться (обычно в пределах 500 мс) после входных перенапряжений, которые могут приводить к насыщению усилителя. Сглаживающий (антиалиасинговый) фильтр представляет собой фильтр нижних частот, который предотвращает наложение сигналов при их дискретизации (следствие использования АЦП). Усилитель с программируемым усилением (PGA) формирует аналоговый сигнал, а 18-разрядный АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровую форму. Частота измерений может задаваться в диапазоне 125….512 выборок в секунду.

Обеспечение малого энергопотребления

У MAX30003 есть целый ряд особенностей, которые позволяют уменьшить уровень потребления всего устройства. Одной из таких особенностей является FIFO-буфер, который способен хранить до 32 отсчетов. Благодаря буферу управляющий микроконтроллер (МК) не обязан каждый раз высчитывать результат измерения и может дольше оставаться в спящем режиме с минимальным потреблением. Просыпаясь, контроллер быстро считывает блок накопленных данных, обрабатывает их и снова переходит в спящий режим. МК может быть запрограммирован на чтение блоков данных любой длины от 1 до 32 отсчетов. Помимо данных, MAX30003 предоставляет управляющему контроллеру информацию об их качестве. MAX30003 выделяет отсчеты, которые могут быть повреждены или находятся вне диапазона. Таким образом, микроконтроллеру не нужно тратить время на обработку заведомо бесполезных данных. Это дополнительно уменьшает потребление системы.

MAX30003 позволяет измерять временной интервал между R-пиками (R-to-R algorithm) на базе алгоритма Пэна Томпкинса. Этот алгоритм выполняется в MAX30003 на аппаратном уровне, а значит, не требует запуска на управляющем микроконтроллере, что обеспечивает значительную экономию энергии, поскольку если бы алгоритм выполнялся силами микроконтроллера, то самому контролеру пришлось бы постоянно находиться в активном режиме. Причем если MAX30003 потребляет около 1 мкА, то потребление микроконтроллера, выполняющего алгоритм R-R самостоятельно, будет в 50…100 раз больше. Следует отметить, что MAX30003 предоставляет не только информацию о частоте сердечных сокращений, но и высококачественные данные о форме сигнала ЭКГ, соответствующие требованиям, предъявляемым при выполнении клинических исследований.

Среди других способствующих энергосбережению функций MAX30003 можно отметить распознавание подключения электродов. За реализацию этой функции отвечает специальный блок, который потребляет всего 70 нА и устанавливает флаг состояния, когда обнаруживает, что оба электрода прикреплены к телу пользователя. Это гарантирует, что общее энергопотребление системы будет минимальным до тех пор, пока полное сопротивление электрода не упадет ниже 20 МОм и не будет установлен флаг состояния. Это выведет управляющий микроконтроллер из спящего режима для дальнейшего измерения частоты сердечных сокращений.

Варианты реализации системы питания

Существует несколько вариантов построения системы питания для нагрудного монитора. Выбор каждого конкретного варианта зависит от различных факторов, в частности – от типа батареи и степени сложности схемной реализации. Простейшим вариантом является использование линейного стабилизатора для получения напряжения питания 1,8 В от дисковой батарейки, выходное напряжение которой обычно изменятся в диапазоне 2,2…3,4 В (рисунок 6). Этот подход отличается простотой, но имеет невысокий КПД. Для получения высокого КПД потребуется импульсный понижающий DC/DC-преобразователь (рисунок 7). Третий и наиболее эффективный подход подразумевает использование PMIC-микросхемы MAX14750, формирующей сразу несколько выходных напряжений (рисунок 8). Такая комплексная микросхема предоставляет отдельные выходы питания для микроконтроллера, аналоговых и цифровых частей схемы.

Рис. 6. Простая схема питания на базе линейного стабилизатора

Рис. 6. Простая схема питания на базе линейного стабилизатора

Рис. 7. Схема питания на базе понижающего DC/DC-преобразователя

Рис. 7. Схема питания на базе понижающего DC/DC-преобразователя

Рис. 8. Организация питания от дисковой батарейки 3 В с помощью MAX14750 PMIC

Рис. 8. Организация питания от дисковой батарейки 3 В с помощью MAX14750 PMIC

Средства разработки

Рекомендованными инструментами для разработки и отладки устройств с MAX30003 являются наборы MAXREFDES100 и MAX-ECG-MONITOR.

MAXREFDES100 Health Sensor Platform представляет собой одноканальное решение для измерения биоэлектрических потенциалов на базе микросхемы MAX30003 с дополнительными датчиками температуры. Кроме того, для разработки наиболее продвинутых фитнес-приложений в состав платформы входят два инерционных МЭМС-сенсора и барометр.

Платформа MAX-ECG-MONITOR анализирует и точно отслеживает сигналы ЭКГ, измеряет частоту сердечных сокращений, а также контролирует такие показатели как температура и движения пользователя, которые могут предоставлять ценную информацию для клинических и фитнес-приложений.

MAX30001EVSYS также можно использовать для оценки функциональности MAX30003 при отключении измерительных каналов MAX30001.

MAX30003 является частью малопотребляющего семейства микросхем, созданных для измерения биоэлектрических потенциалов (ЭКГ, алгоритма R-to-R) и биоимпеданса (BioZ), и применяемых в портативной электронике и фитнес-приложениях.

Особенности микросхем представлены в таблице 1.

Таблица 1. Особенности микросхем, используемых для измерения биоэлектрических потенциалов и биоимпеданса

Наименование MAX30001 MAX30002 MAX30003 MAX30004
Функционал ECG, R-R, BioZ, PACE Только BioZ ECG, R-R Только обнаружение R-R
Приложения Мониторы пациентов, новейшие фитнес-приложения Пульсомеры, системы внешнего дыхания, ЭАК Нагрудные мониторы Нагрудные мониторы
Потребляемая мощность, мкВт 225 158 84 84
Встроенный
алгоритм R-R
+ + + +
Корпус 28-TQFN 5×5 мм, 30-WLP 2,7×2,9 мм
Совместимость Полная совместимость регистров и выводов
Образцы + Используйте MAX30001 + +
В производстве + + + +
Отладочные наборы MAX30001EVSYS Используйте MAX30001 MAX-ECG-MONITOR MAXREFDES100 Используйте MAX30003

 

Наши информационные каналы

Рубрики:
Применения: ,
Группы товаров: ,

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее