越來越多人開始使用智慧手錶、健身手環等裝置來監測個人健康狀況，這類穿戴式裝置在擷取心電圖 (ECG) 訊號上的準確度也成為一大焦點。ECG 透過擷取電子訊號紀錄心臟的活動，傳統的 ECG 系統 (如生理監視器) 需要在患者身體上連接多個電極。任意兩個電極間擷取到的訊號，代表在連接兩電極的向量上心臟的電流變化，因此能從特定的角度觀察心臟活動。圖 1 為多導程 ECG 的訊號擷取系統。
圖 1：多導程 ECG 的訊號擷取
在智慧手錶等穿戴式裝置上，ECG 訊號的擷取主要仰賴與左手腕和右手接觸的電極。當手錶戴在左手腕時，穿戴式裝置底部有一個電極，能持續與左手腕接觸。接著，為了記錄 ECG 訊號，使用者用右手的手指碰觸裝置上部或側邊的電極。左右手電極偵測 ECG 訊號時，第三個電極 (例如另一個與手腕接觸的電極) 會驅動身體的直流電位，讓電極產生最適合 ECG 訊號鏈的偏壓。雖然這個電極與手腕接觸，卻普遍被稱為「右腳電極」，主要是因為在臨床 ECG 系統上，這個電極主要放在右腳。
以電池供電穿戴式裝置而言，工程師在設計用於 ECG 訊號擷取的電子元件時，必須克服一些特定挑戰與條件。除了達到尺寸精巧、低功耗的要求，由於穿戴式裝置多使用小型乾式電極，用於ECG訊號擷取的類比前端 (AFE) 也必須處理訊號品質衰減問題。另外，這種電極也有電極與皮膚接觸阻抗高的缺點，可能導致訊號損失與雜訊衰減。
圖二為 AFE 設計示意圖，儀表放大器 (INA) 會感測左右手電極間的 ECG 訊號，右腳驅動放大器會將身體的電位送到右腳電極。標註「接觸阻抗」的部分代表在每個電極和 AFE 針腳之間串連接觸阻抗的電阻電容模型。
圖 2：AFE的概觀以及與 ECG 電極的連結
高接觸阻抗衍生的問題
高接觸阻抗可能造成的五大問題包含：
- 雜訊增加：高接觸阻抗可能會產生熱雜訊，因此必須在類比轉數位轉換器 (ADC) 前，在訊號鏈中針對熱雜訊做頻帶限制 (band-limit)，避免訊號混疊。
- 訊號衰減：為了避免 ECG 訊號衰減，AFE 的輸入阻抗必須高出電極接觸阻抗許多。使用 AFE4950 這類具有生物感測功能的 AFE 時，由於不需要包含並聯電容的外部濾波器，電極能直接與 AFE 輸入端連接，不必配置會降低輸入阻抗的分流元件。右腳驅動有助設定適合的共模電位，不需要分流偏壓電阻。即使使用的是小型電極，AFE 的高輸入阻抗也能將 ECG 訊號衰減的程度降至最低。
- 共模耦合：ECG 主電源 (50 或 60 Hz，以及諧波) 是人體共模雜訊的來源。在理想狀態下，ECG 訊號鏈的差分特性會抑制此雜訊。然而，如果左右手電極之間的接觸電阻極高，且不匹配，共模雜訊可能會轉變成一個微小的差分訊號，在 AFE 輸入端出現。這個訊號接著會在 AFE 輸出端的 ECG 訊號中以單音顯現。降低單音振幅的方式有兩種：讓右腳放大器在閉合迴路中運作，藉此抑制共模雜訊，或是透過在電源頻率 AFE 的高交流輸入阻抗，降低共模至差分的轉換。
- 直流電壓偏移：除了接觸阻抗，電極也可能出現直流偏移電壓 (每個電極的串連電壓來源)。如果左右手電極的直流電壓偏移不同，可能會在 ECG 輸入訊號中造成差分直流電壓偏移，幅度約為數百毫伏特，且可能限制可用的 INA 增益。高 INA 增益能提高 ADC 輸入端的訊號強度，改善 ECG 訊號擷取的訊噪比。AFE4950 的 INA 內建高通濾波器(HPF)，能抑制輸入端的差分直流電壓偏移，達到高 INA 增益。
AFE4950 生物感測 AFE 非常適合用於穿戴式裝置的 ECG 訊號擷取。在雜訊抑制上，INA 與 ADC 之間的 300 Hz 低通濾波器能作為抗混疊濾波器。在訊號衰減上，AFE4950 的直流輸入阻抗約為 10 GΩ，即使採用小型電極，也能將 ECG 訊號衰減程度降到最低。AFE4950 並可同步擷取 ECG 與 PPG 訊號，由於 ECG 與 PPG 波形之間的時間差可反映血壓高低，因此 AFE4950 是與穿戴式裝置整合的設計首選，能實現無臂帶式血壓監測功能。
AFE4950 的原理圖如圖 3 所示。
圖 3：AFE4950 原理圖
挑戰5：研發時間
研發時間是設計 ECG 穿戴式裝置的另一個常見挑戰。搭配經美國食藥署許可、由生技新創 B-Secur 開發的 HeartKey® ECG 演算法軟體，AFE4950 整合解決方案能幫助設計人員節省數月的研發時間，加速實現臨床等級的監測精準度。更多相關資訊，可瀏覽公司新聞稿：〈B-Secur 與德州儀器攜手為消費性穿戴式裝置提供強大醫療級 ECG/EKG 監測功能〉。
結論
在穿戴式裝置中進行 ECG 等健康監測並不容易，但 AFE 扮演極重要角色，不只有助克服多項設計難題，更能在智慧手錶等個人裝置中，擷取到臨床等級的高品質 ECG 訊號。在健康監測領域，這項技術將是深具潛力的明日之星。
未來的智慧手錶將越趨先進，能偵測心臟異常，警示使用者及早尋求醫療協助。透過這些技術，大眾能在自家輕鬆量測重要健康參數，即時與醫師分享相關數據。除了 ECG，TI 旗下多元的生物感測系列產品更橫跨光體積變化描記圖 (PPG)、生物阻抗量測等多項應用，讓穿戴式裝置的健康監測功能發揮最佳潛力。
