基于ADS1298的心电图仪

孟想成真

一、前言。
在医疗领域常常使用的心电图仪并不是很复杂的仪器。其原理跟示波器非常相似，只不过，心电图仪测量的是低频小信号。
心电信号（也叫ECG信号）的幅值一般在0.05mV~4mV之间，要求分辨力至少为0.1mV，其频率在0.05~100Hz之间，主要的频率成份集中在5~20Hz之间。
一般的示波器垂直刻度最小为10mV/div，分辨力约为0.4mV。其次，把探头接在左右手，在示波器上只会观察到50/60Hz的工频干扰。所以，示波器并不适合测量心电信号。
制作心电图仪，可以使用多级放大，再配合低精度的ADC来达到采样的要求。但是这种方案元器件太多，不利于产品的小型化。
二、方案。
本文是采用TI的ADS1298，一块芯片集成了EMI抑制器、PGA、高精度24位ADC、内部高精度基准源、SPI接口。其方案如下图所示。

该方案有以下特点：
1、模拟电源和数字电源独立供电，模拟地和数字地通过0R电阻隔离，可以大大减少ECG前端采集的干扰。
2、模拟电源用干电池或锂电池供电，信噪比非常高，ADS1298输入短路噪声均值约为250uV，输入引起噪声约为4uVpp。
3、选用STM32单片机，可以利用ST官方提供的驱动库，大大提高了开发效率。
4、LDO选用TPS73201MDBVREP，其差压非常低，在250mA满载的情况下只有40mV差压，其静态电流达到uA级，可以让干电源使用更长的时间。
5、使用CH340做USB转TTL串口，让STM32和PC机通信，成本低，又能达到通信速率的要求。
6、使用ADS1298的集成方案，大大缩小的产品的体积，让产品更便携。
7、使用光耦做电量检测，把数字电源的干扰隔离开。
8、使用ESP8266做WIFI通信，体积小，成本低。
9、使用防水型DS18B20做体温计，体积小，接口简单。
三、实物图。
12导联心电图仪实物如下图所示。

四、导联的连接方式。

五、导联与ADS1298的ADC通道连接，如下图所示。

肢体导联当中的I、II、III，只需要接其中两个即可，另外一个可以通过计算得到。
六、硬件调试。
硬件设计部分遇到LDO啸叫的问题。

C67设定为0.1uF，发现LDO啸叫，将其去掉即可。
七、ADS1298的读写操作。
ADS1298有连续采样和突发采样两种工作方式，本文使用连续采样方式。
STM32通过SPI接口从ADS1298获取3个状态寄存器和8个通道的数据，其时序图如下图所示。

ADS1298读写寄存器时，操作码1（OPCODE1）是0x20加上要读写的寄存器地址，操作码2（OPCODE2）是要读写的字节数-1。

假设只读ID一个寄存器，操作码1只需要发送(0x20 | 0x00)，0x00是ID号的寄存器地址，而操作码2只需要发送0x00，这里读一个字节，1-1=0。代码如下所图所示，cmd可以是任意寄存器地址，这里只能读一个字节。而写操作与读操作相似，这里不再赘述。
八、上位机。
利用上位机采集到的心电信号，如下图所示，存在基线漂移。aVF有明显的基线漂移现象，而其它导联则是超过了显示范围。

增加了中值滤波后，修正了基线，如下图所示（测试对象1）。

如下图所示（测试对象2，只接了肢体导联）。

如下图所示（测试对象3，只接了肢体导联）。

如下图所示（测试对象1，坐着测，腿发麻，增加了检测导联脱落功能）。

通过算法能识别出R波，从而推算出RR间隔和心率，如下图所示。

九、温度补偿。

可以利用上图的温度曲线，用曲线拟合来补偿ADC的参考源。
十、注意事项。
1、导联必须连接正确，否则波形有异常。
2、增加右腿驱动，可以抵消人体的共模干扰，否则难以观察到心电信号。
3、芯片虚焊，可能导致采集到的数据异常。
4、先采集ADS1298内部的测试信号，如果没问题，再去采集外部的心电信号。
5、ADS1298采集到的数据，是以二进制补码的形式存储，需要转成原码，再计算电压值。
6、去耦电容，建议使用NPO或C0G材质的电容，可以减少干扰，提高系统的稳定性。
7、ADS1298的SPI接口，CPOL=0，CPHA=1，编写单片机代码时，需要特别注意。
8、配置好ADS1298，在24号引脚才会出现2.4V的参考电压，否则不出现。
9、ADS1298的通道悬空时，采集到的电压为Vref，因为其差分输入的正端有上拉电阻，而负端有下拉电阻。
10、右腿驱动，可以使用内部的参考源。
11、ADS1298虚焊或外部晶振虚焊时，测到37号引脚CLK，电压为2.3V，正常工作时，电压为VDD的一半（即1.6V），这里的VDD为3.3V。
12、ADS1298的START、RESET操作，可以通过SPI读写寄存器来完成，也可以通过拉引脚电平来完成（其作用没有区别），这里START是拉引脚电平，而RESET是读写寄存器。
13、ADS1298复位时间为2^18次方*clk周期，这里为50us。
14、静坐也是可以测到心电图，但是可能会出现少量噪声，建议平躺着测。
15、建议先在皮肤上涂一些酒精再接导联，被测的人体要放松，手脚不能用力或者移动，否则有可能测不出心电图，或者测出来幅度特别小。
十一、其它问题。
A、8通道的ADS1298怎样做12导联？
标准I是可以通过计算得到的。

由上图所示（参考标准 YY 1139-2013）。II-III=(F-R)-(F-L)=L-R=I。
而aVR,aVL,aVF均可以由I、II、III计算得到。
aVR = -0.5 * ( I + II )
 aVL = I - 0.5 * II
aVF = II - 0.5 * I
也就是说只要用一片ADS1298采样v1~v6，（I、II、III的其中任意两路），这8路，可以满足12导联的要求。
而12导联只有10根信号线，分别是v1~v6，左手、右手、左腿、右腿。
B、导联的美标、欧标。
美标:RL,LL,RA,LA,V1,V2,V3,V4,V5,V6。
欧标:RF, F, R  ,L  ,C1,C2,C3,C4,C5,C6。
C、胸导联位置。

1、胸骨右缘第四肋间。
2、胸骨左缘第四肋间。
3、为2~4的中点。
4、左锁骨中线与第五肋间交点。
5、为4水平与左腋前线交点。
6、为4水平与左腋中线交点。
D、肢体导联与皮肤的连接。

E、为什么没有50Hz陷波滤波器？
使用线性电源给心电图供电时，是接220V市电，再经过变压器和LDO，最终得到ADS1298的供电电压，这个电压包含了市电50/60Hz的工频干扰。工频干扰对于ADS1298是致命的，所以要增加50/60Hz陷波滤波器。我这里是使用电池供电，没有工频干扰，但是人体可能会处于市电的环境中，也会有工频干扰。在硬件上增加陷波滤波器比较麻烦，所以需要在软件上增加50/60Hz陷波滤波器。
F、为什么没有前端放大电路？
ADS1298已经集成了滤波、放大、ADC，不需要再增加放大电路。
G、动态心电图。
动态心电图又叫Holter，其导联的接法如下图所示。可用于经常活动的应用场景，或是给残疾人测心电图。

H、肌电图仪。
请参考本博客的《基于ADS1298的肌电图仪》。
十二、演示视频。
ADS1298心电图视频_哔哩哔哩_bilibili
十三、参考资料。
ADS1298芯片手册
PhysioBank数据库
标准 YY 1139-2013
医疗器械指令与认证程序