ecg 幅度_心电图 (ECG) 与光电容积图 (PPG) 基本工作原理，如何测量？

ECG/PPG量测解决方案

摘要

本应用文件阐述了心电图 (ECG) 与光电容积图 (PPG) 的基本工作原理，并深入探讨了其生理信号测量问题及其难点所在。在高精准度领域中，在处理心电图与光电容积图架构时面临的主要挑战在于提高可靠性并实现高精度的电气特性。传统的高精准度ECG与PPG架构通常采用模拟前端与ADC相结合的方式进行解决方案设计。

概述

心脏运作有助于揭示人体大量极具价值的信息,包括其健康状况、生活方式以及情绪状态,甚至可能在早期发现心脏疾病等。传统的医疗设备中,监测心跳速率和心脏活动通常是通过测量电生理信号与心电图进行的。

(ECG)

为了检测心脏组织产生的电生化信号,通常需要将电极粘贴在身体表面,以便采集相关数据.当心跳发生时,在血管中会产生一个压力波传播现象.这一压力波会引起血管直径的变化,作为ECG之外的一种替代方法的是光体积变化描记图法.

(Photoplethysmography, PPG)

这种方法主要基于这种现象的应用。它是一种无需测量生物电信号就能直接提供心脏功能数据而不必采集生物电信号的光学技术。这种光学技术能够直接提供心脏功能数据而不必采集生物电信号。PPG可用于测定血液氧含量百分比。

(SpO_2)同样可以无需生物电信号而释放心脏功能信息。通过PPG技术的应用与集成到手腕式智能手表或手腕带式可穿戴设备上，则得以实现持续监测的目的。

生理讯号：ECG vs. PPG与PTT

心电描记术 (Electrocardiography, ECG或者EKG)

是一种经胸腔以时间为单位捕捉心脏的电生理活动，在人体皮肤表面贴着电极可以捕捉到心脏的电位变化情况；心电图所记录的并非单一心室或心房细胞的变化而是反映心脏整体的变化情况；其结果通常以波形形式呈现主要包括P波QRS波组及T波等基本组成部分；其中P波代表心房收缩QRS波组代表心室收缩而T波则代表心室舒张；在测量心跳频率或评估时通常以R波与R波之间的间隔时间作为主要指标RR间隔越大则心跳频率越低反之亦然；测量ECG信号时需在身体多个部位布置传感器电极在胸部最多可连接10个电极连接四肢部位

数据源：HEALTHY-AGEING

光体积变化描记图法 (Photoplethysmography，简称PPG)

利用光电手段，在生物组织中进行血液容积变化的非侵入式检测是一种先进的技术。特定波长激光照射至皮肤表面时，在每次心跳期间（即心率周期内），血管的收缩与舒张会对光线穿透度产生影响。

(例如在透射PPG中，通过指尖的光线) 或是光的反射

如在反射PPG中，位于手腕表层的光线）。当光线经过皮肤组织后再被光敏传感器捕获时，光照强度会有所衰减。例如肌肉、骨骼、静脉及其他连接组织对光的吸收呈现稳定特征

在测量部位未发生大幅运动的情况下

下图是PPG信号和ECG信号的对比

从PPG与ECG各自的生理特征来看，在心电图（ECG）中出现峰值的位置主要对应于心室完成收缩的动作；而在光谱脉搏波图（PPG）中出现峰值的位置则是由于血管在此阶段发生收缩所导致的结果。因此我们能够观察到血液从心脏排出至测量点所需要的时间间隔即为脉搏波传递时间Pulse

Transit Time

(PTT)，脉搏波传播速度与其所关联的血压密切有关；高血压患者通常表现为较快的脉搏波传播速度；相对而言较慢的传播速度则常见于非高血压患者；因此通过心电信号ECG与脉搏波信号PPG可以获取患者的脉搏传播时间

(PTT)，再加上常规的一些身体参数 (如身高、体重)

即可推算出脉搏波传播速度, 基于所建立的特征方程可以估算人体脉搏的收缩压与舒张压, 从而能够实现无需穿刺的人体动态血压监测

生理讯号处理的挑战

ECG量测的挑战

通常将ECG电极放置于心脏两侧，并紧贴皮肤表面。

具体指标包括：共模抑制比（CMRR）、输入偏移电压（IOV）、输入偏移电压漂移（IOVS）、输出幅值范围（SAR）及放大器噪声性能（NF）等参数指标

共模抑制

如同前所述，在患者皮肤上放置电极可能会产生约几百毫伏特的直流电压；然而，在这种情况下有效信号通常不超过1 mV。具有适应性配置的仪表放大器特别适合这种场景；它能够有效地抵消所有来自差分输入端的共模干扰

信号主要来源于心电图机的心电传感器，并受到来自电极或任何共模干扰源的影响（如60Hz电源干扰）。与此同时，在分析放大器电路时需要特别关注其共模抑制性能。不仅针对直流信号还需要考虑不同频率成分的影响，并且还要考虑到当电路中存在50Hz或60Hz的电源干扰时的情况。采用高共模抑制比（CMRR）的运算放大器能够有效减少外部干扰的影响，并显著提高测量精度

输入偏移电压和偏移电压漂移

由于输入端电信号幅度较小，在没有外部反馈调节的情况下（V_{in}），为了提升检测电路（如心电图机）的灵敏度（S），该系统中的电子放大器必须能够提供足够的增益（A）。对于此类应用（如心电图机），该系统的高增益特性（A \gg 1）至关重要，并且任何微小的偏置电压（V_{off}）都可能带来显著的影响。所有引入的偏置电压（V_{off}）都会被后续电路系统所乘放，并通过反馈机制加以控制；例如，在心房颤动时，在贴着导联 II 的皮肤电极上会产生约 1 毫伏特的电信号；当放大器电路设置为放大量程时（A = 10^3），理想输出应达到 1 升；然而若此时存在 V_{off} = 100~\mu V 的偏差，则会导致输出信号出现 A \cdot V_{off} = 100~mV 的误差

占用了信号量的10%

如同其他电子组件一样, 其工作特性会受到时间与温度的影响; 同样地, 放大器的电压偏折同样作为误差的主要源头. 随着漂折出现, 此误差可能导致误差进一步扩大. 然而, 通过选择具有低漂折特性的放大器

对于运算放大器的失调与漂移现象而言，在硬件层面可以通过应用自动归零校准架构来实现精确调零。此外，在软件层面可以通过定期进行系统校准来有效弥补这些误差源带来的影响。

放大器输出摆幅

在前面的例子中，在电极表面上出现了一个微伏（μV）级的电压变化会在放大器电路输出端引起一个完整的1V电压变化。对于5V单电源系统而言，在这种情况下意味着放大器电路能够精确地检测到微小的电极信号

~

在工作状态中使用5mV电压时，在正常工作条件下需要确保放大器能够输出可在最低与最高电源轨之间摆动的状态。相反地，在放大器无法实现轨对轨的输出摆幅时，则会导致其工作在较低的动态范围内。当输入信号变化时（如上升沿或下降沿），这种状态变化可能导致放大器无法完整捕获输入信号的变化范围。因此，在这种情况下（即动态范围受限），将会影响整个检测电路的工作效率和准确性。

放大器噪声

在评估此类应用中的放大器性能时，在电子工程领域中需要特别关注的关键参数是放大器噪声特性。值得注意的是，在低频范围内时（尤其是当1/f型噪声可能成为主导因素时），放大器的输出信号可能会出现波动；对于ECG设备而言，在直流电压至100Hz的有效信号频带内（其中1/f型噪声仍然是一个潜在的问题因素），因此提高该范围内的灵敏度对于整体系统性能至关重要。

PPG量测的挑战

在测量PPG时所遇到的主要挑战源于环境光以及由运动所导致的干扰因素。相比之下，在实际应用中去除由阳光引起的直流误差相对较为容易；然而这些光源所发出的光线包含了会引起交流误差的特定频率成分。此外，在某些情况下运动也会对光学系统造成影响；例如，在睡眠研究中这通常不会成为问题；而如果是在活动期间佩戴设备，则会面临去除这种伪像较为困难的问题；最后需要特别注意的是该设备中的光学传感器

(LED和光电检测器) 和皮肤之间的相对移动也会降低光信号的灵敏度。

此外，在测试过程中可能会遇到一个问题：当测试者处于静止状态时可能出现异常数据读取问题；因此必须对该测试环境进行精确测量并采取相应的补偿措施以确保数据准确性。由于设备与人体贴合得越紧密其产生的干扰就越小但通过机械方式完全消除这种干扰几乎是不可能实现的。为了提高测试数据的质量通常会采用多种不同的监测手段其中最为常用的方式之一就是利用光学技术原理来进行监测；具体而言就是将多个LED光源布置在受试者周围通过分析这些光源发射出的不同波长光强变化来判断受试者的活动情况。这种方法的优势在于能够较为直观地反映受试者的身体活动状态但由于其依赖于光学元件可能存在一定的局限性因此建议尽可能采用更加精确可靠的监测手段如真无线路传感器系统；这类系统不仅可以实时监测受试者的各项生理指标还能提供更多实用功能例如实时追踪身体活动情况计算步频或者在检测到特定重力加速度（g值）时自动触发相关应用程序以辅助日常健康监测工作

ECG量测电路

常见的ECG设备通常通过AFE来进行信号的放大与过滤，并接着使用一个ADC来采集数据。在数据采集阶段采用较低分辨率可能会导致信息丢失或质量下降

在16位ADC系统中（即采用16位采样深度），为了达到必要的分辨率要求（通常意味着至少达到某个最低阈值），信号必须经历显著的放大过程。放大幅度一般在100至200倍之间。该系统将采用更高精度的分辨率配置（通常为24位），以进一步提升性能。

当采用Σ-ΔADC技术时，在去除直流偏移的影响下所需增益水平较为温和；由此可去除为消除直流偏移而需配置的多余增益电路部分；从而在面积与成本方面实现了总体优化

ΔADC方法不仅能够保持全部频段的信息，并且在数据后期处理过程中提供了高度的灵活性。

仪表放大器 (IA)

仪表放大器 (IA) 的主要任务是抑制共模信号

(通常是50Hz/60Hz干扰)，ECG应用需要90dB甚至更高的共模抑制比 (CMRR)

放大电路经由电源耦合会受到50Hz/60Hz信号的影响。即使采用具有高共模抑制比 (CMRR) 的设备

该放大器电路（IA）在使用不同ECG电极或因皮肤接触电阻不一致的情况下会产生偏移电压漂移现象，并使CMRR未能达到预期目标。这种电参数不匹配的主要原因在于电极与皮肤接触时的情况以及受排汗及肌肉活动的影响。随后需要考虑的因素之一是该放大器电路（IA）的工作增益，在设置工作增益时需要注意不要让增益过高导致削波或发生饱和现象。建议选用具有较高输入阻抗特性的放大器电路（IA），因为较低输入阻抗会导致微弱信号衰减得更加严重。

第二级放大 (PGA)

通过IA与滤波器的结合使用，在去除噪声与干扰方面取得了显著成效。随后实施了二次放大步骤，并通过相应的电路设计实现了对ADC输入量程的有效提升。某些设计则在此基础上增加了陷波滤波装置，并以此为手段进一步抑制50Hz/60Hz的干扰信号。

低通/抗混迭滤波器 (Filter)

低通滤波器用于抑制高频干扰，并具有抗混叠滤波器的功能。它通过阻止任何高于奈奎斯特率或高于采样频率一半的信号来防止ADC过程中的混叠现象发生。

为了进一步降低输入共模信号，ECG设计通常还引入一级「右腿驱动器」

(VRLD)，引出反相共模信号回传人体。常使用运算放大器配合限流电阻以实现对人体施加极其微弱的信号源。该型装置可有效抑制ECG电极所载取的噪声耦合

PPG量测电路

PPG检测电路由两部分组成：其中用于光发射驱动的LED组件及其相关的辅助电路；同时包含了用于检测光电二极管反馈信号的电路模块。其目标是实现特定数量 LED 节能耗能下的能量输出量最大化。

受限于一定的电流传输比的情况下，在转导放大器（TIA）的帮助下进行操作时，能够实现最大可能的光电流输出。

而放大、滤波，然后通过一个ADC进行数据采集。

环境光干扰问题较为突出，在实际应用中尤其在调制光存在的场合下尤为明显。例如，在采用LED或节能灯固态照明系统时会面临这一挑战。为了确保良好的信号响应效果，则需要通过数字信号处理技术来消除这种影响。这一功能不仅具有重要意义，在提升整体系统性能方面发挥着关键作用