基于領(lǐng)慧立芯LH001-91的醫(yī)療級(jí)12導(dǎo)聯(lián)心電圖方案

引言

心電圖（ECG）是診斷心血管疾病的重要手段之一。傳統(tǒng)的心電圖設(shè)備通常采用國(guó)際品牌的芯片，不僅成本高，還存在自主可控性較差的問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)如領(lǐng)慧立芯等開(kāi)始推出適用于醫(yī)療級(jí)心電圖采集的芯片，如LH001-91。本文將詳細(xì)介紹基于領(lǐng)慧立芯LH001-91的醫(yī)療級(jí)12導(dǎo)聯(lián)心電圖方案，涵蓋主控芯片型號(hào)、設(shè)計(jì)方案、電路連接及軟件實(shí)現(xiàn)等方面。

一、主控芯片介紹

1. LH001-91概述

LH001-91是領(lǐng)慧立芯針對(duì)心電、腦電等醫(yī)療設(shè)備開(kāi)發(fā)的模擬前端（AFE）ADC芯片。該芯片集成了低功耗、高精度、低成本等優(yōu)點(diǎn)，并已通過(guò)醫(yī)療認(rèn)證，成為國(guó)內(nèi)唯一可應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)ADC產(chǎn)品。LH001-91的主要功能特性如下：

• 高精度24位Σ-Δ ADC：采樣率從125SPS至8kSPS，積分非線(xiàn)性（INL）為2 PPM/FS。

• 可編程增益放大器（PGA）：增益倍數(shù)從1至48，適用于不同幅度的生物電信號(hào)采集。

• 低噪聲：輸入?yún)⒖荚肼暈?.9 μVpp（250 SPS，增益6）。

• 高共模抑制比（CMRR）：117dB，能有效抑制共模干擾。

• 內(nèi)置右腿驅(qū)動(dòng)放大器：提高系統(tǒng)的共模抑制能力。

• 連續(xù)斷線(xiàn)檢測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心電導(dǎo)聯(lián)的連接狀態(tài)。

• 數(shù)字接口：4線(xiàn)SPI接口，方便與MCU進(jìn)行通信。

• 封裝：提供40腳QFN和30腳WLCSP兩種封裝形式，滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求。

LH001-91以其優(yōu)越的性能指標(biāo)，已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)醫(yī)療客戶(hù)的專(zhuān)業(yè)評(píng)測(cè)，其性能與國(guó)際品牌同類(lèi)型產(chǎn)品相當(dāng)，甚至在某些方面更為出色。

2. 主控芯片型號(hào)及其作用

在實(shí)際心電圖采集方案中，除了LH001-91作為模擬前端外，還需要一個(gè)主控制器（MCU）來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和通信。這里以ESP32-C6為例，介紹其在方案中的作用。

• ESP32-C6：這是一款基于ESP32-C6芯片設(shè)計(jì)的低功耗物聯(lián)網(wǎng)主控板，由DFRobot設(shè)計(jì)研發(fā)，型號(hào)是FireBeetle 2 ESP32-C6。該開(kāi)發(fā)板支持Wi-Fi 6、Bluetooth 5、Zigbee 3.0、Thread 1.3等多種通訊協(xié)議，適用于智能家居和物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目。在心電圖采集方案中，ESP32-C6主要用于接收LH001-91采集的心電數(shù)據(jù)，進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和發(fā)送。

二、設(shè)計(jì)方案

1. 方案概述

基于LH001-91的12導(dǎo)聯(lián)心電圖方案，通過(guò)使用10個(gè)電極連接在8個(gè)LH001-91轉(zhuǎn)換通道上，生成12個(gè)心電圖信號(hào)。該方案具體包括以下部分：

• 硬件電路：主要由LH001-91評(píng)估板、ESP32-C6開(kāi)發(fā)板、心電電極及連接線(xiàn)組成。

• 軟件實(shí)現(xiàn)：包括數(shù)據(jù)采集、濾波處理、心率計(jì)算、導(dǎo)聯(lián)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能的實(shí)現(xiàn)。

2. 硬件電路連接

2.1 評(píng)估板及開(kāi)發(fā)板

LH001-91評(píng)估板是基于LH001-91設(shè)計(jì)的專(zhuān)用評(píng)估板，具有完整的心電采集功能。評(píng)估板主要由AFE（LH001-91）、通用MCU和三個(gè)電極組成。

ESP32-C6開(kāi)發(fā)板則用于數(shù)據(jù)處理和通信，其主要功能是接收LH001-91評(píng)估板的心電數(shù)據(jù)，并將其通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)軟件。

2.2 電極及連接線(xiàn)

在12導(dǎo)聯(lián)心電圖方案中，需要10個(gè)電極分別連接到LA（左臂）、LL（左腿）、RA（右臂）、RL（右腿）及V1-V6（胸）位置。為了與ESP32-C6開(kāi)發(fā)板連接，需要將評(píng)估板的電源和串口飛線(xiàn)出來(lái)，并將心電電極連接到評(píng)估板的電極焊盤(pán)上。

2.3 硬件連接細(xì)節(jié)

• 電源和串口飛線(xiàn)：電源部分直接從USB的5V網(wǎng)絡(luò)焊盤(pán)上引出電源和接地，串口則是從評(píng)估板上的CH340E芯片TX和RX直接飛線(xiàn)出來(lái)，并串聯(lián)一個(gè)100歐姆的電阻以防止燒IO口。

• 心電電極飛線(xiàn)：評(píng)估板上留有三個(gè)電極的焊盤(pán)測(cè)試點(diǎn)，通過(guò)焊接一個(gè)耳機(jī)插座，并連接導(dǎo)聯(lián)線(xiàn)，即可實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集。

3. 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集與解析

LH001-91評(píng)估板輸出的每個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)是一個(gè)字符串，包含心電原始數(shù)據(jù)、濾波后數(shù)據(jù)、心率、導(dǎo)聯(lián)狀態(tài)等信息。ESP32-C6開(kāi)發(fā)板通過(guò)串口接收這些數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成上位機(jī)軟件能識(shí)別的協(xié)議。

數(shù)據(jù)解析的過(guò)程中，需要先將字符串中的子字符串轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，并存儲(chǔ)在數(shù)組中。然后根據(jù)協(xié)議要求，將浮點(diǎn)數(shù)數(shù)組轉(zhuǎn)換回字符串，并通過(guò)另一個(gè)串口發(fā)送至上位機(jī)軟件。

3.2 心率計(jì)算與導(dǎo)聯(lián)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

在接收到心電數(shù)據(jù)后，上位機(jī)軟件可以進(jìn)一步進(jìn)行心率計(jì)算和導(dǎo)聯(lián)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。心率計(jì)算通常是通過(guò)檢測(cè)RR間期（相鄰兩個(gè)R波之間的時(shí)間間隔）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而導(dǎo)聯(lián)狀態(tài)監(jiān)測(cè)則是通過(guò)檢查L(zhǎng)H001-91評(píng)估板輸出的導(dǎo)聯(lián)狀態(tài)信息來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

三、實(shí)際演示與結(jié)果

1. 演示板與上位機(jī)軟件

領(lǐng)慧立芯提供了全套的演示單板和上位機(jī)軟件，用于實(shí)際演示心電圖采集和處理功能。演示板在電腦USB供電條件下，采集心電模擬器信號(hào)，并繪制心電圖。該心電圖信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何外部濾波處理，但仍能滿(mǎn)足醫(yī)療需求。

2. 實(shí)際結(jié)果

通過(guò)實(shí)際演示，可以看出基于LH001-91的12導(dǎo)聯(lián)心電圖方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

• 高精度：LH001-91的24位高精度ADC，以及低噪聲可編程增益放大器，確保了心電信號(hào)的采集精度。

• 高可靠性：內(nèi)置右腿驅(qū)動(dòng)放大器和連續(xù)斷線(xiàn)檢測(cè)功能，提高了系統(tǒng)的共模抑制能力和導(dǎo)聯(lián)連接狀態(tài)的可靠性。

• 低成本：相比國(guó)際品牌同類(lèi)型產(chǎn)品，LH001-91的性?xún)r(jià)比更高，降低了心電圖設(shè)備的成本。

• 自主可控：作為國(guó)產(chǎn)芯片，LH001-91的自主可控性更高，有利于保障醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全和隱私。

四、結(jié)論

基于領(lǐng)慧立芯LH001-91的醫(yī)療級(jí)12導(dǎo)聯(lián)心電圖方案，不僅滿(mǎn)足了醫(yī)療級(jí)需求，還大大降低了成本，提高了自主可控性。該方案采用高性能的LH001-91模擬前端芯片和ESP32-C6主控芯片，通過(guò)精心設(shè)計(jì)的硬件電路和軟件實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了心電圖信號(hào)的高精度采集和可靠處理。

在實(shí)際應(yīng)用中，該方案已經(jīng)得到了醫(yī)療客戶(hù)的廣泛認(rèn)可和好評(píng)。未來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)芯片技術(shù)的不斷進(jìn)步和醫(yī)療市場(chǎng)的不斷發(fā)展，基于LH001-91的心電圖方案有望在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣。