基于領慧立芯LH001-91的醫(yī)療級12導聯(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)的心電圖設備通常采用國際品牌的芯片，不僅成本高，還存在自主可控性較差的問題。近年來，國內芯片設計企業(yè)如領慧立芯等開始推出適用于醫(yī)療級心電圖采集的芯片，如LH001-91。本文將詳細介紹基于領慧立芯LH001-91的醫(yī)療級12導聯(lián)心電圖方案，涵蓋主控芯片型號、設計方案、電路連接及軟件實現等方面。

一、主控芯片介紹

1. LH001-91概述

LH001-91是領慧立芯針對心電、腦電等醫(yī)療設備開發(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，并已通過醫(yī)療認證，成為國內唯一可應用于醫(yī)療領域的國產ADC產品。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，積分非線性（INL）為2 PPM/FS。

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

• 低噪聲：輸入參考噪聲為2.9 μVpp（250 SPS，增益6）。

• 高共模抑制比（CMRR）：117dB，能有效抑制共模干擾。

• 內置右腿驅動放大器：提高系統(tǒng)的共模抑制能力。

• 連續(xù)斷線檢測：實時監(jiān)測心電導聯(lián)的連接狀態(tài)。

• 數字接口：4線SPI接口，方便與MCU進行通信。

• 封裝：提供40腳QFN和30腳WLCSP兩種封裝形式，滿足不同的應用需求。

LH001-91以其優(yōu)越的性能指標，已經得到國內醫(yī)療客戶的專業(yè)評測，其性能與國際品牌同類型產品相當，甚至在某些方面更為出色。

2. 主控芯片型號及其作用

在實際心電圖采集方案中，除了LH001-91作為模擬前端外，還需要一個主控制器（MCU）來進行數據處理和通信。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芯片設計的低功耗物聯(lián)網主控板，由DFRobot設計研發(fā)，型號是FireBeetle 2 ESP32-C6。該開發(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)網項目。在心電圖采集方案中，ESP32-C6主要用于接收LH001-91采集的心電數據，進行協(xié)議轉換和發(fā)送。

二、設計方案

1. 方案概述

基于LH001-91的12導聯(lián)心電圖方案，通過使用10個電極連接在8個LH001-91轉換通道上，生成12個心電圖信號。該方案具體包括以下部分：

• 硬件電路：主要由LH001-91評估板、ESP32-C6開發(fā)板、心電電極及連接線組成。

• 軟件實現：包括數據采集、濾波處理、心率計算、導聯(lián)狀態(tài)監(jiān)測等功能的實現。

2. 硬件電路連接

2.1 評估板及開發(fā)板

LH001-91評估板是基于LH001-91設計的專用評估板，具有完整的心電采集功能。評估板主要由AFE（LH001-91）、通用MCU和三個電極組成。

ESP32-C6開發(fā)板則用于數據處理和通信，其主要功能是接收LH001-91評估板的心電數據，并將其通過串口發(fā)送至上位機軟件。

2.2 電極及連接線

在12導聯(lián)心電圖方案中，需要10個電極分別連接到LA（左臂）、LL（左腿）、RA（右臂）、RL（右腿）及V1-V6（胸）位置。為了與ESP32-C6開發(fā)板連接，需要將評估板的電源和串口飛線出來，并將心電電極連接到評估板的電極焊盤上。

2.3 硬件連接細節(jié)

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

• 心電電極飛線：評估板上留有三個電極的焊盤測試點，通過焊接一個耳機插座，并連接導聯(lián)線，即可實現心電信號的采集。

3. 軟件實現

3.1 數據采集與解析

LH001-91評估板輸出的每個采樣點數據是一個字符串，包含心電原始數據、濾波后數據、心率、導聯(lián)狀態(tài)等信息。ESP32-C6開發(fā)板通過串口接收這些數據，并將其轉換成上位機軟件能識別的協(xié)議。

數據解析的過程中，需要先將字符串中的子字符串轉換為浮點數，并存儲在數組中。然后根據協(xié)議要求，將浮點數數組轉換回字符串，并通過另一個串口發(fā)送至上位機軟件。

3.2 心率計算與導聯(lián)狀態(tài)監(jiān)測

在接收到心電數據后，上位機軟件可以進一步進行心率計算和導聯(lián)狀態(tài)監(jiān)測。心率計算通常是通過檢測RR間期（相鄰兩個R波之間的時間間隔）來實現的，而導聯(lián)狀態(tài)監(jiān)測則是通過檢查LH001-91評估板輸出的導聯(lián)狀態(tài)信息來實現的。

三、實際演示與結果

1. 演示板與上位機軟件

領慧立芯提供了全套的演示單板和上位機軟件，用于實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，并繪制心電圖。該心電圖信號沒有經過任何外部濾波處理，但仍能滿足醫(yī)療需求。

2. 實際結果

通過實際演示，可以看出基于LH001-91的12導聯(lián)心電圖方案具有以下優(yōu)點：

• 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，確保了心電信號的采集精度。

• 高可靠性：內置右腿驅動放大器和連續(xù)斷線檢測功能，提高了系統(tǒng)的共模抑制能力和導聯(lián)連接狀態(tài)的可靠性。

• 低成本：相比國際品牌同類型產品，LH001-91的性價比更高，降低了心電圖設備的成本。

• 自主可控：作為國產芯片，LH001-91的自主可控性更高，有利于保障醫(yī)療數據的安全和隱私。

四、結論

基于領慧立芯LH001-91的醫(yī)療級12導聯(lián)心電圖方案，不僅滿足了醫(yī)療級需求，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，通過精心設計的硬件電路和軟件實現，實現了心電圖信號的高精度采集和可靠處理。

在實際應用中，該方案已經得到了醫(yī)療客戶的廣泛認可和好評。未來，隨著國內芯片技術的不斷進步和醫(yī)療市場的不斷發(fā)展，基于LH001-91的心電圖方案有望在更多領域得到應用和推廣。