基于AFE4900的多功能護(hù)理監(jiān)護(hù)儀電路設(shè)計(jì)方案

引言

隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷進(jìn)步，多功能護(hù)理監(jiān)護(hù)儀在臨床監(jiān)護(hù)中扮演著越來(lái)越重要的角色。本文提出了一種基于AFE4900的多功能護(hù)理監(jiān)護(hù)儀電路設(shè)計(jì)方案，該方案結(jié)合了心電圖（ECG）和光電容積描記（PPG）技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)患者的心率、血液中的氧氣濃度（SpO2）、脈搏傳播時(shí)間（PTT）等生理參數(shù)。本文詳細(xì)介紹了該監(jiān)護(hù)儀的電路設(shè)計(jì)、主控芯片型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用。

一、系統(tǒng)概述

基于AFE4900的多功能護(hù)理監(jiān)護(hù)儀是一種簡(jiǎn)單、可穿戴、多參數(shù)的患者監(jiān)護(hù)設(shè)備。該設(shè)備使用單芯片生物傳感前端AFE4900進(jìn)行同步ECG和PPG測(cè)量，并通過(guò)CC2640R2F設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程位置。該監(jiān)護(hù)儀使用單個(gè)CR3032電池運(yùn)行，提供長(zhǎng)達(dá)30天的電池壽命。

二、主控芯片型號(hào)及其作用

1. AFE4900

型號(hào)介紹：
AFE4900是德州儀器（TI）推出的一款超低功耗集成模擬前端（AFE），專為可穿戴光學(xué)和電生物傳感應(yīng)用設(shè)計(jì)。該芯片支持同步ECG和PPG信號(hào)采集，適用于心率監(jiān)測(cè)（HRM）和外周血氧飽和度（SpO2）測(cè)量等光生物檢測(cè)應(yīng)用。

主要特性：

• 同步信號(hào)采集：能夠以高達(dá)1kHz的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行同步PPG和ECG信號(hào)采集。

• ECG信號(hào)鏈：支持高達(dá)4kHz的獨(dú)立ECG采集，具有可編程增益的儀表放大器（INA），輸入噪聲低，支持交流和直流導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)。

• PPG接收器：支持三個(gè)時(shí)分多路復(fù)用光電二極管（PD）輸入，具有高達(dá)100dB的動(dòng)態(tài)范圍，通過(guò)數(shù)字環(huán)境減法改善信噪比（SNR）。

• PPG發(fā)送器：包含四個(gè)采用共陽(yáng)極配置的LED，支持并行點(diǎn)亮兩個(gè)LED的模式，適用于SpO2或多波長(zhǎng)HRM。

• FIFO和接口：具有128樣本深度的FIFO，支持I2C和SPI接口。

在設(shè)計(jì)中的作用：
AFE4900作為系統(tǒng)的核心生物傳感前端，負(fù)責(zé)同步采集ECG和PPG信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以供后續(xù)處理。其低功耗特性和高動(dòng)態(tài)范圍的PPG接收器使得該芯片非常適合可穿戴設(shè)備應(yīng)用。

2. CC2640R2F

型號(hào)介紹：
CC2640R2F是TI推出的一款低功耗藍(lán)牙（BLE）系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC），支持BLE 4.2和5標(biāo)準(zhǔn)。該芯片集成了Arm? Cortex?-M3處理器和2.4GHz射頻收發(fā)器，適用于各種低功耗無(wú)線應(yīng)用。

主要特性：

• 低功耗：具有極低的睡眠模式和活動(dòng)模式功耗。

• 高性能：集成高效的CPU和射頻收發(fā)器，支持高速數(shù)據(jù)傳輸。

• BLE支持：完全符合BLE 4.2和5標(biāo)準(zhǔn)，支持多種BLE服務(wù)和特性。

• 外設(shè)接口：具有豐富的外設(shè)接口，如I2C、SPI、UART等，方便與其他芯片和傳感器連接。

在設(shè)計(jì)中的作用：
CC2640R2F負(fù)責(zé)將AFE4900采集的ECG和PPG數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程位置。通過(guò)BLE無(wú)線通信技術(shù)，該芯片能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到智能手機(jī)、平板電腦或醫(yī)療監(jiān)護(hù)中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)和數(shù)據(jù)分析。

三、電路設(shè)計(jì)

1. 電源管理

該監(jiān)護(hù)儀使用單個(gè)CR3032紐扣電池供電，電池電壓為3V，容量為500mAh。為了延長(zhǎng)電池壽命，系統(tǒng)采用了高效的DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電源管理。此外，系統(tǒng)還包含低功耗模式和電源關(guān)斷模式，以進(jìn)一步降低功耗。

2. 生物傳感前端電路

生物傳感前端電路主要由AFE4900及其外圍電路組成。該電路負(fù)責(zé)同步采集ECG和PPG信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

• ECG信號(hào)采集：通過(guò)單引線ECG輸入，使用具有RLD偏置的儀表放大器（INA）進(jìn)行信號(hào)放大。INA的增益可編程，以適應(yīng)不同患者的ECG信號(hào)強(qiáng)度。

• PPG信號(hào)采集：使用四個(gè)LED和三個(gè)光電二極管（PD）進(jìn)行光學(xué)心率監(jiān)測(cè)和SpO2測(cè)量。LED通過(guò)完全集成的LED驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，PD的電流通過(guò)互阻抗放大器（TIA）轉(zhuǎn)換為電壓，并使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行數(shù)字化。

3. 數(shù)據(jù)傳輸電路

數(shù)據(jù)傳輸電路主要由CC2640R2F及其外圍電路組成。該電路負(fù)責(zé)將AFE4900采集的ECG和PPG數(shù)據(jù)通過(guò)BLE無(wú)線通信技術(shù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程位置。

• BLE通信：CC2640R2F通過(guò)I2C或SPI接口與AFE4900連接，讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，并通過(guò)BLE無(wú)線通信技術(shù)發(fā)送到遠(yuǎn)程設(shè)備。

• 數(shù)據(jù)格式：傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括原始ECG和PPG信號(hào)，以及計(jì)算得到的心率、SpO2和PTT等生理參數(shù)。

4. 指示電路

系統(tǒng)包含兩個(gè)板載發(fā)光二極管（LED），用于指示電池電量低檢測(cè)和ECG引出檢測(cè)。當(dāng)電池電量低于設(shè)定閾值時(shí)，電池電量低指示燈亮起；當(dāng)ECG信號(hào)正常引出時(shí)，ECG引出檢測(cè)指示燈亮起。

四、軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括AFE4900和CC2640R2F的固件開(kāi)發(fā)。

1. AFE4900固件設(shè)計(jì)

AFE4900的固件主要負(fù)責(zé)配置芯片的工作模式、采集ECG和PPG信號(hào)、處理數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在FIFO中。固件設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)部分：

• 初始化：配置芯片的工作模式、采樣率、增益等參數(shù)。

• 信號(hào)采集：同步采集ECG和PPG信號(hào)，并進(jìn)行初步處理，如濾波和放大。

• 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FIFO中，等待CC2640R2F讀取。

2. CC2640R2F固件設(shè)計(jì)

CC2640R2F的固件主要負(fù)責(zé)讀取AFE4900的FIFO數(shù)據(jù)、通過(guò)BLE無(wú)線通信技術(shù)發(fā)送到遠(yuǎn)程設(shè)備，并處理接收到的指令。固件設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)部分：

• 初始化：配置BLE通信參數(shù)、I2C或SPI接口參數(shù)等。

• 數(shù)據(jù)讀取：通過(guò)I2C或SPI接口讀取AFE4900的FIFO數(shù)據(jù)。

• BLE通信：建立BLE連接，將讀取到的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程設(shè)備，并接收遠(yuǎn)程設(shè)備的指令。

• 指令處理：根據(jù)接收到的指令，調(diào)整AFE4900的工作模式或進(jìn)行其他操作。

五、系統(tǒng)測(cè)試與優(yōu)化

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)完成后，需要進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試與優(yōu)化，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。

1. 性能測(cè)試

性能測(cè)試主要包括以下幾個(gè)方面：

• 功耗測(cè)試：測(cè)試系統(tǒng)在不同工作模式下的功耗，確保電池壽命達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

• 信號(hào)質(zhì)量測(cè)試：測(cè)試ECG和PPG信號(hào)的采集質(zhì)量，包括信號(hào)的清晰度、信噪比等。

• 數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試：測(cè)試BLE通信的可靠性和穩(wěn)定性，確保數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地傳輸?shù)竭h(yuǎn)程設(shè)備。

2. 優(yōu)化措施

根據(jù)性能測(cè)試結(jié)果，可以采取以下優(yōu)化措施：

• 功耗優(yōu)化：調(diào)整系統(tǒng)的工作模式，降低非必要模塊的功耗，延長(zhǎng)電池壽命。

• 信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)化：優(yōu)化AFE4900的信號(hào)采集電路和濾波算法，提高信號(hào)的清晰度和信噪比。

• 數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化：優(yōu)化BLE通信的參數(shù)和協(xié)議，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

六、結(jié)論

本文提出了一種基于AFE4900的多功能護(hù)理監(jiān)護(hù)儀電路設(shè)計(jì)方案。該方案結(jié)合了ECG和PPG技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)患者的心率、SpO2、PTT等生理參數(shù)。通過(guò)采用AFE4900和CC2640R2F等低功耗芯片，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗和遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)功能。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)試與優(yōu)化，該監(jiān)護(hù)儀具有較高的性能和可靠性，適用于各種臨床監(jiān)護(hù)場(chǎng)景。