便携式心电监护仪的低功耗设计与仿真

    心电监护作为心脏病临床检查的常规方法,在各种心律失常和传导障碍的诊断上起关键作用,对于适时治疗、预防心脏病突发死亡,具有十分重要的意义。传统的心电监护系统虽能有效地监测心电特征,降低心脏病患者的死亡率,但不能对患者进行长时间的实时监护,存在体积大、功耗高、不可携带和数据传输方式落后等缺点。因此,需要一种便于患者长时间佩戴、能24 h以较低功耗状态工作并可实时发送数据的心电监护仪。

    笔者针对便携式设备和医疗电子设备的共同特点,以降低功耗为目标进行系统设计,通过策略控制进一步减小系统能耗[1-3],并在Pspice下对电路功耗进行仿真。

     1　便携式心电监护仪的构成

     便携式心电监护仪主要由医用导联及缓冲电路、心电信号调理电路、ARM系统及外围接口、片外数据存储模块、无线数据传输模块和电源管理模块等组成^[4],如图1所示。

    医用导联及缓冲电路提取患者体表有效心电信号,经过调理电路滤波放大处理后变为0~5 V的信号送入A/D进行转换,为了抑制高频干扰同时满足采样抗混叠的要求,调理电路的通频带设计为0. 03~100 Hz。经A/D采样后的心电波形数据传输至ARM系统进行实时监测,若检测出危险征兆则触发报警电路,同时ARM系统将数据存于片外存储器并通过无线模块实现与远程监护中心的数据传输^[5-6]。

    心电监护仪的功耗主要集中在模拟部分的心电信号调理电路和ARM系统的消耗上。调理电路采用分立元件构建,实现滤波放大功能,静态电流和元件参数的选择决定电路功耗;ARM系统的核心处理器采用Samsung公司的S3C2410,除了本身的电源管理模式,降低功耗还同时体现在软件策略对外围设备及接口的控制上。

    2　心电信号调理电路参数设计

    模拟电路的低功耗设计主要在于控制静态电流和选取分立元件参数。

    本系统的调理电路包括高通滤波、低通滤波、陷波器和末级放大等部分。静态电流由运算放大器产生,降低其静态功耗包括两方面:①采用单电源方案代替双电源方案;②减小并平衡输入端的偏置电流。运算放大器的设计采用TI公司的OPA335, +3. 3 V供电,引入齐纳二极管平衡偏置工作点可有效降低电流,在Pspice下建立模型^[7],单个运放的静态工作电流仅为285μA。

    决定电路性能的关键参数包括截止频率fp、截止特性系数Q,相同的fp和Q可通过多组电阻电容取值获得,不同的取值对功耗有不同的影响,在Pspice下对各部分电路的多组阻容取值进行了仿真,结果如表1所示,其中高低通滤波电路均采用无限增益多路负反馈结构,R1~R3、C1~C3为反馈电阻和电容;陷波器采用双T结构,R、C为网络参数。