阅读前须知 — 本页为 2026-09-23 第一阶段研究
以下内容整理了开发初期(2026-09-23)分为 8 个领域进行的基础设计研究。此后确定的规格(规格页面)取代了本研究的部分默认值。规格文档中可确认的替代事项如下。
- ECG 芯片:第一阶段研究的 TI ADS1298 → TI AFE159RP8(以通过 TI 详细数据手册确认量产状态为条件)
- 电极:4 个(测量 RA·LA·LL + 参考 RL)→ 基本 5 电极(增加胸部电极 1 个,用开关选择 V1/V5 并在界面上显示)。全部接入 C1~C6 共 6 个的 12 导联为 +选配
- lead III:第一阶段设计书默认值「由 II − I 计算」→ 直接测量
- SpO2 测量部:TI AFE4490 自主电路 + 夹式透射手指探头(数字仍为「参考值·未校准」)
- 处理部 · 屏幕:第一阶段研究的 STM32H743 + 7" 800×480 → NXP i.MX 95 + 10.1" 级
- 电源 · 散热:仅靠电池连续工作 24 小时,默认无风扇,电池 2 块,更换时设备也不停机
- 用途:家用 · 银发产业 · 个人监测(具备 Holter/趋势记录功能)。不用于重症 · 轻症患者 · 手术
- 充电中测量:第一阶段研究的「充电中禁止连接人体」→ 两阶段解除(保持联锁 → 充电中漏电 · 噪声实测通过 → 解除)
- 外部传输:第一阶段设计书默认值「无外部传输」→ USB 离线 + 互联网 OTA
正文中的数值照原样转录自第一阶段研究文档。标为「未确认」的值,是尚未用原始数据手册或标准确认的值。
1. 模拟前端(ECG 输入部)
设计了用 TI ADS1298(8 通道 24 位 ΔΣ AFE)接收三个测量电极(RA · LA · LL)与参考电极(RL)的输入级。每个电极都配置保护与滤波,并通过 RL 施加右腿驱动(RLD)反馈以降低共模噪声。
核心决定与数值
- 通道分配:CH1 = LA − RA (lead I),CH2 = LL − RA (lead II),CH3 = LL − LA (lead III 直接测量),CH7 = RL 电极电压监视,CH8 = 内部测试信号(calib 行)
- 参考电压 2.4 V · PGA 增益 6 · 500 SPS → 满量程 ±400 mV,1 LSB 47.68 nV,1 mV ≈ 20,973 码
- 需要承受电极 DC 偏移 ±300 mV(IEC 60601-2-27 要求水平),因此增益 6 为上限。增益 12 时满量程缩小到 ±200 mV,无法满足要求
- 数字滤波器(sinc³)−3 dB 带宽 = 0.262 × 500 = 131 Hz
- 噪声:含输入路径(每电极串联电阻)的计算值约 5.9 µVpp
- 系统 CMRR(60 Hz,含电极不平衡 51 kΩ∥47 nF,最坏合计):仅输入级 69.6 dB,含 RLD 约 89 dB
- 决定 CMRR 的不是放大器本身,而是输入共模电容的绝对值与走线寄生电容之差。因此各电极走线对称比元器件等级更重要
- RLD 直流环路增益目标 10 → 60 Hz 抑制 19.6 dB,相位裕度约 78°。此构成的抑制上限约 30~33 dB
- 电极脱落检测:DC 电流源 6 nA,响应约 0.4 s。每个电极只在一个引脚开启电流源,以避免相互抵消
- 单一故障(输入引脚短路到电源)时患者电流计算值 25.1 µA — 在 CF 型单一故障限值 50 µA 以内
- 未加入除颤保护。决定在使用说明中写明「除颤前断开患者电缆」
取自数据手册的事实
- ADS1298 允许电源:AVDD 2.7~5.25 V,DVDD 1.65~3.6 V
- 输入折算噪声 4 µVpp(150 Hz 带宽,增益 6,首页标注值),芯片 CMRR typ 115 dB,输入偏置 typ 200 pA
- 内部测试信号周期 = 2.048 MHz / 2²¹ = 0.977 Hz 方波,幅度标注 (VREFP − VREFN)/2.4 → 2.4 V 参考下为 1 mV
留作未确认的:内部测试信号是 ±1 mV 还是 1 mVpp、CMRR 最小值、RLD 内部电阻值、未用输入引脚处理建议 — 通过首次实测与数据手册原文对照来确定。
此后决定:ECG 芯片改为 TI AFE159RP8(有条件),电极改为基本 5 电极。上述数值是基于 ADS1298 的第一阶段研究值。2. 双重自适应陷波滤波器
将去除电源噪声(60 Hz)及其二次谐波(120 Hz)的两级陷波滤波器,设计为自动跟踪电源频率的自适应型。出发点是「60 Hz 噪声是大问题」这一规格要求。
为什么固定陷波不行
- 固定在标称 60.000 Hz 的陷波(Q = 60),电源只要偏离 ±0.1 Hz,衰减就降到 −14.1 dB。所需衰减为 −26 ~ −46 dB
- 韩国电网频率维持范围据知为 60 ± 0.2 Hz(依据条款未确认)
- 在电池设备中,更大的偏差来源是 ADC 时钟 → 以外部 2.048 MHz 振荡器(±50 ppm)为前提
结构与数值
- 不加入 180 Hz 级:诊断模式下 180 Hz 残留计算值 0.27 ~ 1.1 µVpp — 小于 AFE 噪声 4 µVpp
- 方式:自适应 IIR 陷波(频率跟踪)。电池浮地的设备没有电源参考信号,因此比参考信号型抵消方式更简单
- 一组频率估计用滤波器(带宽 4 Hz)生成系数,每个通道的两级输出陷波接收并使用该系数。三个导联共用一组系数,因此滤波后 II = I + III 关系仍然成立
- 120 Hz 级系数由 60 Hz 系数直接计算(a₂ = 2 − a²)。跟踪范围限定在 58 ~ 62 Hz
- 带宽:诊断模式 60 Hz 1 Hz · 120 Hz 2 Hz(Q 60),监护模式 2 Hz · 4 Hz(Q 30)
- QRS 后振铃计算:诊断模式典型 QRS 峰值 ≤ 10.6 µV,窄 QRS 最坏 ≤ 28.6 µV,监护模式 40 Hz 低通后 8.3 µV。自定目标 ≤ 25 µV
- 相位:在 ECG 主要频段 0.67 ~ 40 Hz 内相位 ≤ 2.2°,群延迟 ≤ 0.22 ms。实时路径用因果陷波,零相位处理为离线分析用可选项
- 稳定性:将系数限定在范围内,极点始终位于单位圆内(Jury 判据)。设计上收敛预算 ≤ 2.6 s
- 界面状态:稳定中 → 自适应中 → 锁定(显示如「AC 60.02 Hz」)→ 保持 → 超出范围
3. 外部 EKG 模拟器
这是为了以对比波形分析 calib 与陷波滤波器而制作的外部独立型 · 电池供电模拟器。输出 1 V p-p,在主机输入级以 1000:1 分压为 1 mV p-p 送入,并用输入级的 sim ↔ signal 开关切换。
核心决定与数值
- RA · LA · LL 3 端子独立输出 + 公共端子(COM)。以条件 V_RA + V_LA + V_LL = 0 唯一确定端子电位
- 导联比例 I : II : III = 0.6 : 1.0 : 0.4(电轴约 +50°)。三个导联各不相同,因此可以在界面上识别电极接反
- 让三个导联同时为 1 mV 在数学上不可能(III = II − I)→ 校准交替使用「I · II 同时 1 mV」与「II · III 同时 1 mV」两种模式
- 60 Hz 噪声注入:电池设备不会自然引入 60 Hz,因此用 DDS 有意生成。分辨率 1.16 µHz,调节单位 0.01 Hz。120 Hz 由同一相位累加器生成,与基波相位锁定
- 测试模式:频率扫描 59.5 ↔ 60.5 Hz,阶跃 60.0 → 60.1 Hz,幅度调制 0.1 ~ 1 Hz
- 波形:高斯和 P · QRS · T 模型(20 ~ 300 bpm),1 mV 校准方波(周期 0.5 / 1 / 2 s),3 mV × 100 ms 脉冲,基线漂移,肌电噪声(20 ~ 150 Hz,0 ~ 100 µVrms)
- DAC 1 LSB 折算到主机输入为 38 nV — 与 ADS1298 增益 6 的 LSB(约 47.7 nV)处于同一水平
- 电极接触模拟 51 kΩ∥47 nF(与 IEC 60601-2-25/-27 测试网络相同的值)置于分压器之后,可按电极关闭,构成不平衡 CMRR 测试配置
- 切换开关包括 RL 共 4 极,采用先断后合(break-before-make)方式 — 不会出现患者与模拟器同时连接的瞬间
- 幅度准确度:校准前 RSS ±0.25 %,校准后 ±0.05 %。频率:晶体 ±20 ppm → 60 Hz 时 ±0.0012 Hz
- 工作时间估计:显示开启约 133 h,显示关闭约 400 h(假设 AA 有效容量约 2000 mAh)
- 使用一次电池而非充电电池,不设 USB 端口 — 因为模拟器一旦接地,主机浮地的应用部分就会变为以大地为参考
此模拟器无法验证的内容
- SpO2 · PPG 全部(不产生光学信号)— 无法用此设备宣称血氧饱和度数字的准确度
- 实际共模抑制比(数 V 级共模)、电极 DC 偏移 ±300 mV、起搏器脉冲、除颤、漏电流 · 隔离耐压
4. SpO2 · 脉搏测量部
用夹式透射手指探头和 TI AFE4490 接收红光 · 红外脉搏波(PPG),生成界面第 5 行(SpO2)与第 6 行(Pulse)的测量部。第一阶段的资料包中该领域文档未完成,因此于 2026-10-11 以 TI 数据手册(SBAS602H)和开发指南(SLAU480C)为依据补全。
核心决定与数值
- 探头连接器以 Nellcor 兼容 DB9 模拟探头为设计默认值。实际探头型号待定
- LED 电流最大 75 mA(1 码 0.293 mA)。在确认探头额定值之前,固件上限 50 mA
- 采样时序:PRF 500 Hz,每个 LED 占空比 25 %(TI 公开示例值),ADC 复位按数据手册建议延长为 6 个时钟
- 国内照明闪烁(120 Hz 及其倍数)在 500 Hz 采样下折叠到 0 Hz 的只有第 25 次(3000 Hz)一个 — 其余都在脉搏波频段(0.5 ~ 5 Hz)之外
- 信号处理:500 → 100 SPS,AC 频段 0.5 ~ 5 Hz,R = (AC/DC)红光 ÷ (AC/DC)红外,取最近 8 个心搏的中位数。同一通道内的增益在 R 中约去,增益误差不会直接进入
- 未能确认已公开的运动补偿算法,因此不尝试修正,而是判定质量并隐藏数字(显示「---」,波形变灰)
- 与 ECG 位于同一患者隔离岛内,同一 F 型应用部分组 → 按 CF 型限值设计
- SpO2 部 24 小时负载侧能耗:默认 10 mA 时 0.68 Wh,固件上限 50 mA 时最坏 3.08 Wh
取自数据手册的事实
- 以 H 桥驱动 2 针反向并联 LED,LED1 = 红外 · LED2 = 红光(数据手册图注)
- TIA 反馈电阻 10 kΩ ~ 1 MΩ(满量程输入电流 50 µA ~ 0.5 µA),ADC 22 位 · 满量程 ±1.2 V · 1 LSB 0.572 µV
- 芯片内置探头诊断 9 种(LED · 光电接收器件开路/短路等),耗时 8 ms
- 取消片选时输出引脚不会变为高阻态 → 不与 ECG 共用 SPI 总线,而是使用专用隔离器
- 已确认的 LED 波长(公开手册):红光 ~660 nm,红外 ~900 nm 或 920 nm。所用探头本身的波长未确认
关于准确度的认识 — 数字为「参考值·未校准」
- 将 R 换算为 SpO2 % 的校准曲线制造商不公开,且只能通过 ISO 80601-2-61 的受控低氧临床试验制作 → 自主制作无法实现
- 例:教科书近似式(110 − 25·R)与另一个公开的二次式在 R = 1.0 时相差 4.9 %p。无法确定哪一个适用于此探头
- 只有 95 ~ 100 % 区间可以与市售认证血氧仪对照校准偏移,90 % 以下没有验证方法
- 双波长方式会把碳氧血红蛋白误认为氧合而高估(商用设备也有同样局限)
- 因此界面上显示波形 · 趋势,数字旁始终附上「参考值·未校准」
5. 肢体导联与 calib 波形
整理了三个肢体导联如何测量 · 计算,以及如何用界面的 calib(校准)行实时监视增益。
导联公式与验算
- I = LA − RA,II = LL − RA,III = LL − LA,爱因托芬关系 II = I + III
- 若用 II − I 计算 III,关系式变为恒等式,无法验算。三个导联全部直接测量时,可用残差 r = II − I − III 实时发现通道增益不一致与接线错误(内部判定值:2 s 窗口 RMS 比 ≤ 1 % 正常,> 3 % 异常)
- 陷波滤波器必须对三个导联使用相同系数,滤波后关系式才成立
- 电极接反表:LA↔RA 则 lead I 整体反相,LA↔LL 则 lead III 反相,RA↔LL 则 lead II 反相 — 固件只弹出「请检查电极」警告(因为无法与右位心区分)
calib 标准值(依据标准)
| 项目 | 标准值 | 依据 |
|---|---|---|
| 校准幅度 | 1 mV | IEC 60601-2-25 · 2-27,AHA/ACCF/HRS 2007 建议 |
| 灵敏度 | 10 mm/mV(可选 5 · 20) | IEC 60601-2-25 |
| 时间轴 | 25 mm/s(可选 50) | IEC 60601-2-25 · 2-27 |
| 监护频带 | 0.67 ~ 40 Hz | IEC 60601-2-27 |
| 诊断频带 | 0.05 ~ 150 Hz | IEC 60601-2-25,AHA 2007 |
校准方式
- 内部测试信号只经过 PGA · ADC,外部 1 mV(模拟器 ÷ 1000)则从连接器起经过全部路径。外部 1 mV 误差预算最坏约 ±0.25 %
- 两级校准:出厂 · 检查时用外部 1 mV 求出各通道增益修正系数,并在同一场合登记内部测试信号的实际幅度 → 运行中在 calib 行显示内部测试信号进行常时比较
- 高通会使方波下垂(0.67 Hz 时半周期末下垂 88 %)。因此幅度以边沿的阶跃高度测量
- 判定(内部基准):幅度偏差 ≤ 2 % 正常,2 ~ 5 % 需确认,> 5 % 错误
- 屏幕像素可能不是正方形。按典型 7" 800×480 面板计算,垂直增益误差 −6.1 % → 用尺子实测像素间距并保存
6. 电极与皮肤接触
比较电极材料 · 凝胶 · 皮肤阻抗 · 标准要求后,决定使用一次性 Ag/AgCl 电极。
材料比较与决定
- Ag/AgCl 为非极化型(标准电位 +0.222 V,由 Cl⁻ 固定电位)— 电极对 DC 偏移典型为数 mV 以下,标准限值 ≤ 100 mV(AAMI EC12)
- 不锈钢 · 镍等极化型电极会产生数十 ~ 数百 mV 的偏移漂移,侵占 AFE 输入范围(增益 6 时 ±400 mV)
- 决定:一次性预涂凝胶 Ag/AgCl 按扣式,固体水凝胶,标注符合 AAMI EC12 的产品。禁止用不含 Cl⁻ 的凝胶(超声凝胶等)代替
皮肤阻抗与噪声(10 Hz 附近)
| 条件 | 阻抗 |
|---|---|
| 凝胶对凝胶电极对(无皮肤) | 平均 ≤ 2 kΩ,单个 ≤ 3 kΩ(AAMI EC12) |
| 经打磨 · 清洁的皮肤 | 约 1 ~ 10 kΩ |
| 未经处理的干燥皮肤 | 约 10 kΩ ~ 数百 kΩ |
| 非常干燥或角质很厚的皮肤 | 可能 ~1 MΩ 以上 |
- 系统 CMRR 不是由放大器,而是由电极不平衡与输入电容决定(计算例 50 Hz,假设 51 kΩ∥47 nF 不平衡 · 输入电容 100 pF → −57.9 dB)
- 电极电阻热噪声(150 Hz 带宽):5 kΩ 0.75 µVpp,50 kΩ 2.4 µVpp,500 kΩ 7.5 µVpp — 实测噪声比这更大
- 运动噪声主要由皮肤电位变化数 mV 引起,无法用滤波器消除,轻度打磨最有效
- 脱落检测电流设为最小 6 nA(1 MΩ 时偏移 6 mV)
AAMI EC12 一次性电极要求(摘要)
- AC 阻抗平均 ≤ 2 kΩ · DC 偏移 ≤ 100 mV · 偏移不稳定 + 内部噪声 ≤ 150 µVpp · 除颤过载后极化电位 ≤ 100 mV · 200 nA 偏置电流下偏移变化 ≤ 100 mV
运用
- 皮肤准备:剪除体毛 → 肥皂清洁 · 干燥 → 轻度打磨 → 从边缘开始粘贴 → 导联线应力释放 → 稳定 1 ~ 5 分钟后测量
- 两种放置方式:标准肢体放置(手腕 · 脚踝)与 Mason-Likar 躯干放置(监护型)。两种放置的 QRS 电轴 · 幅度不同,因此在界面上显示放置方式,且不相互直接比较
- 颜色体系 IEC(RA 红 · LA 黄 · LL 绿 · RL 黑)与 AHA(RA 白 · LA 黑 · LL 红 · RL 绿)中同一颜色指向不同电极,因此统一为一种 — 推荐 IEC 体系
- 生物相容性(ISO 10993 -1 · -5 · -10 · -23):电极以已获许可产品的制造商资料代替,自制品中接触皮肤的部分不使用不锈钢 · 镀镍零件
7. 6 波形界面与对比分析界面
设计了连续滚动规格所定 6 条波形(calib · lead I · lead II · lead III · SpO2 · pulse)的主界面,以及同时查看陷波滤波前 · 后的对比分析界面。第一阶段研究以 7" 800×480 面板为基准。
主界面
- 每行在右侧面板以文字显示标题和数值(波形不遮挡文字)。脉搏数字 · 随脉搏闪烁的心形 · 血氧饱和度 xx %(「参考值·未校准」)
- 滚动:65 Hz × 2 px = 130 px/s = 25.04 mm/s(相对 25 mm/s +0.15 %)。65 Hz 还有一个附带效果:即使混入面板驱动噪声,也落在 60 Hz 陷波跟踪范围之外
- 将 500 SPS 降为每列约 3.85 个样本时,不采用简单抽取,而是绘制最小 · 最大包络,以免漏掉 R 波峰
- 心形同步:ECG R 峰优先 → ECG 无效 3 s 以上时改用 PPG 上升沿 → ECG 连续有效 5 s 后恢复。图标颜色为来源波形色,红色与报警色重叠故不使用。ECG 心率与 PPG 脉率相差 10 bpm 以上超过 10 s 时显示「HR≠PR」
- 所有行以相同的固定延迟(初始 300 ms)绘制,使 ECG 与脉搏波到达时间差如实显示在界面上。整体界面延迟约 340 ms
对比分析界面(陷波前 − 后)
- A 滤波前 · B 滤波后(必须同一增益)· C 差值波形 e = 前 − 后 · D 心搏同步平均与频谱(0 ~ 250 Hz)
- 差值中只有纯 60 Hz 即为正常,若混入 QRS 形状,就是陷波在削减心电图的直接证据
- 用心搏同步平均(64 搏)量化泄漏比:< 2 % 正常,2 ~ 5 % 注意,≥ 5 % 泄漏(自定基准,非标准依据)
- 模拟器心搏数建议使用与 60 Hz 不成整数比的值(例:73 bpm)— 若成整数比,平均后 60 Hz 不会抵消
- 显示数值:60 Hz 输入 · 输出幅度,衰减 dB,陷波中心频率(0.01 Hz 单位),QRS 期间频率波动
颜色与文字(浅色背景)
| 元素 | 颜色 | 白色背景对比度 |
|---|---|---|
| 文字 · 数值 | #000000 黑 | 21 : 1 |
| ECG 波形 · ECG 心形 | #006400 深绿 | 7.4 : 1 |
| SpO2 · 脉搏波 · PPG 心形 | #0000C0 藏青 | 11.9 : 1 |
| 滤波前波形 | #505050 深灰 | 8.1 : 1 |
- 文字对比度目标 7 : 1 以上(WCAG 增强标准),不使用灰色文字
- 文字大小最小 em 28 px(视距 700 mm 时 17.6′),心率 · SpO2 大数字 64 px — 依据 ISO 9241-303 建议
- 第一阶段研究中没有报警功能,以「非无人值守监护用」为前提
8. 患者安全 · 隔离 · 电源
由于是接触人体的设备,以患者接触部的隔离与漏电流作为设计出发点。即使是电池供电,也采用在电路板内单独隔离患者区域的结构。
漏电流限值(IEC 60601-1 表 3 · 表 4,CF 型)
| 项目 | 正常状态 | 单一故障 | 第一阶段设计目标 |
|---|---|---|---|
| 患者漏电流 AC | 10 µA | 50 µA | ≤ 5 µA(正常) |
| 患者辅助电流 DC | 10 µA | 50 µA | ≤ 0.1 µA / ≤ 25 µA |
| 总患者漏电流 AC(ECG + SpO2 组合) | 50 µA | 100 µA | — |
| 应用部分施加网电源电压时 | — | 50 µA | ≤ 25 µA |
虽为电池供电仍需要内部隔离屏障的原因(计算)
- 在对应用部分施加 110 % 网电源电压的测试中,要守住 CF 限值 50 µA,整个电路与外壳箔之间的电容须在 548 pF(242 V)/ 502 pF(264 V)以下。仅屏幕金属板 · 电池 · 接地层就很容易达到数百 pF
- 背光升压电压(约 10 ~ 30 V)若因绝缘短路加到电极线上,30 V / 200 kΩ = 150 µA > 50 µA → 不合格。因此将患者区域最高电压限制在 5 V 以下
- 屏障电容合计目标 ≤ 50 pF。网电源 ↔ 患者之间按 2 MOPP 基准耐压 4000 Vrms 1 分钟,爬电距离 8 mm · 电气间隙 5 mm
- 每个电极串联 2 个电阻,即使其中一个短路,剩余电阻也在 100 kΩ 以上(5 V / 50 µA)
应用部分分类与使用限制
- 将 ECG 电极与 SpO2 探头归为一个 F 型应用部分组,设计为 CF 型(非防除颤)。未加入 IEC 60601-2-27 要求的除颤保护,并公开说明这一点
- 作为使用限制明示:使用除颤器 · AED 前断开所有电极和探头,禁止在医院 · 急救 · 手术 · 重症环境使用,禁止与电外科设备同时使用,禁止带入 MRI 室,起搏器使用者的心率显示不可信
- 界面输入 sim 信号时,由硬件读取开关位置,全屏强制显示「SIMULATION」
风险管理与测试
- ISO 14971 风险清单 16 条 — 漏电流超标、充电中电源耦合、除颤、电池热失控、心率 · SpO2 误显示、界面冻结、误认 sim 信号等。其中除颤 · SpO2 误显示 · 无报警无法通过设计消除,只能通过使用限制告知来降低
- IEC 62304 软件安全等级:第一阶段研究以无报警 · 禁止诊断为前提,为 B 级
- 自主测试 8 项:患者辅助电流 · 患者漏电 · 总患者漏电 · 应用部分施加网电源电压 · 接触电流 · 耐压 1500 Vrms 1 分钟 · 爬电/电气间隙 · 探头温度。涉及致命电压的测试建议委托认可测试机构
- 使用期间的定期测试按 IEC 62353 方式每季度一次,跌落 · 进水后也要实施
第一阶段研究的电源估算
- Li-ion 1S2P 认证电池包 24.1 Wh,负载估计约 2.7 W(电池侧)→ 工作时间约 7.6 h。背光很可能是最大的耗电项目
- 充电:以一个盖板同时遮挡充电插孔和患者电缆连接器,使二者无法同时插入,以这种机械互斥为基本方案
引用的标准
IEC 60601-1 · IEC 60601-1-2 · IEC 60601-1-8 · IEC 60601-1-11 · IEC 60601-2-25 · IEC 60601-2-27 · ISO 80601-2-61 · IEC 62304 · ISO 14971 · IEC 62353 · ISO 10993 · ANSI/AAMI EC12 · ANSI/AAMI EC13
标准条款编号中未能与原文对照的,在第一阶段研究文档中保留为「需确认原文」。本页为设计研究记录,不宣称医疗功效或诊断性能。