本文系统介绍了心电图作为一种历史悠久的心脏表征信号的相关核心概念，心电图采集的模拟前端电路的常见技术路线及曦成独有方案的特点，以及心电图应用的相关主要设备形态及其普遍性的要求。通过这篇文章，你可以了解心电图作为一种源自医学的信号的关键信息，知道不同应用设备对心电图测量的要求，从而有助于挑选合适的模拟前端采集芯片，做好相关的心电应用的设计考量与取舍。
心电图概述
心电图（ECG或EKG）是反映组织化、集合化的心肌细胞有序生理电除极所形成的生物电波形，本质上是一种特殊的肌肉电信号；不同处在于肢体肌肉电信号是一种分散化、无序化的生物电波形，因而体现了不同的波形形态。类似也可以拓展至胃电、肠电、眼电等。脑电是另一种不同形态的神经细胞组织成的生物电反映，研究偏少不在本文关注的范围内。
心房、心室周期性地除极、复极，形成规律性的体现为PQRST波的心电图波形；进一步通过不同电极组合形成心脏不同角度、部位的特定导联心电图，从而形成了我们常说常做的医院中的十二导联心电图。
心脏的结构决定了功能，并决定了PQRST波是心电图的基本必要特征。无论从哪一个角度观测形成有效的心电图波形，都应该具有PQRST波的特征，但是在具体形态上会有差异和侧重。为了全面地了解心脏不同角度、部位的健康状态，特别是覆盖一些较难观测的心脏疾病，医院的检查，采用并且仍在延续标准十二导联心电图的方式：这部分是由于检查标准及方法受限于历史经验和数据的原因，在过去也由于检测手段及方式技术上的原因，没法做到便携化的生活化的监测及采集。
心电图采集模拟前端技术
模拟前端（AFE）电路是心电图采集中的关键，他的主要作用是将微弱心电信号进行高精度放大、滤波、适应人体参数的阻抗匹配、以及抵抗外部环境干扰。过往由于历史沿革所限，医院的生物电采集模拟前端技术主要在于高精度放大、滤波、以及合适的共模抑制比参数，并没有很好的适应人体参数和抵抗外部环境干扰的特性（很大原因在于医院的测量环境通过湿电极测量及室内人体静息状态测量的方式进行，弱化了适应人体参数及抵抗环境干扰的要求）。从而从医院场景衍生出了两种模拟前端（AFE）电路结构，他们都具有高精度放大和滤波的特性，但是针对医院外便携式生活化的采集及监测需求欠佳。
直采型算法滤波AFE。一般又称作直流耦合式（DC-Coupled）结构，以TI的129X、4900等芯片为代表。ECG的测量主要通过一个高分辨率的ADC承载（一般需要20bit以上分辨率），前端放大部分倍数较小（常见6倍左右）；由于在AFE内部未做滤波，因而后级处理需要一个算力较高的数字信号处理单元或算法去进行滤波或波形提取等处理。他的特点是在信号处理算法的加持下可以对心电信号进行较灵活的处理，原始信号频率成分更丰富保真度较高，适合医院设备使用；缺点是依赖较高算力的后级主控，波形具有延时性，AFE由于对ADC分辨率和采样率的要求功耗较高，以及高精度放大依赖的校准导致芯片成本较高。
放大型电容滤波AFE。一般又称作交流耦合式（AC-Coupled）结构，以ADI的8232、8233等芯片为代表。AFE对ECG信号提供了一个较高的低噪的放大倍数（常见100倍以上），由于高倍放大后依然保持了较低的噪声，因而极大降低了后级ADC分辨率的要求，一般12bit即可满足系统噪声要求（曦成产品可以做到后级10bit的ADC依然保持医标级系统噪声）。另外，这种AFE过去一般通过外接片外大电容的方式构造系统零极点去嵌入硬件滤波功能；优点是滤波实时性好波形无延时，缺点是灵活性较差，如果需要修改滤波参数（常见的需求是为了波形稳定性要求改变高通频点），必须修改硬件。此外这种AFE由于内部非对称反馈环路的原因，在提供较高增益的同时无法通过校准匹配提高较多共模抑制能力，从而降低了芯片的共模抑制比及共模抗干扰能力。这种AFE一般具有较低的功耗。
放大型共模钳位AFE。曦成半导体创新的提出了放大型共模钳位AFE的结构并通过诸多细节创新将其实现为产品。这种AFE本质上也算作交流耦合式类别，但不同于片外电容滤波的方式，采用了电阻滤波的方式高集成于芯片中，省去了片外电容无法灵活变更的苦恼，简洁易用，同时具有较低的功耗。公司方案的另一大创新在于，针对以往产品如ADI中内部非对称反馈环路，改制成了对称的一种共模钳位反馈环路，从而使得可以在提供较高增益的同时具有很好的共模抑制能力，稳定共模输出，提高外部抗干扰能力。这种对称结构也使得芯片输入阻抗可以得到极大提高，很好地适应人体参数变化。
这三种技术路线AFE的特点及应用要求可以总结如下表。
| AFE结构 | 直采型算法滤波 | 放大型电容滤波 | 放大型共模钳位 |
|---|---|---|---|
| 最低ADC分辨率要求 | 20bit | 12bit | 10bit |
| 波形实时性 | 具有延时 | 实时波形 | 实时波形 |
| 滤波灵活性 | 较好 | 差 | 较好 |
| 主控算力要求 | 较高 | 低 | 低 |
| AFE功耗水平 | 较高 | 低 | 低 |
| 对称结构 | 是 | 否 | 是 |
| 共模抑制比（抗干扰） | 高 | 较低 | 高 |
| 结构对共模抑制的促进 | 正常 | 劣势 | 优势 |
| 适应人体参数变化 | 较好 | 一般 | 好 |
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