基于领慧立芯LH001-91的医疗级12导联心电图方案

引言

心电图（ECG）是诊断心血管疾病的重要手段之一。传统的心电图设备通常采用国际品牌的芯片，不仅成本高，还存在自主可控性较差的问题。近年来，国内芯片设计企业如领慧立芯等开始推出适用于医疗级心电图采集的芯片，如LH001-91。本文将详细介绍基于领慧立芯LH001-91的医疗级12导联心电图方案，涵盖主控芯片型号、设计方案、电路连接及软件实现等方面。

一、主控芯片介绍

1. LH001-91概述

LH001-91是领慧立芯针对心电、脑电等医疗设备开发的模拟前端（AFE）ADC芯片。该芯片集成了低功耗、高精度、低成本等优点，并已通过医疗认证，成为国内唯一可应用于医疗领域的国产ADC产品。LH001-91的主要功能特性如下：

• 高精度24位Σ-Δ ADC：采样率从125SPS至8kSPS，积分非线性（INL）为2 PPM/FS。

• 可编程增益放大器（PGA）：增益倍数从1至48，适用于不同幅度的生物电信号采集。

• 低噪声：输入参考噪声为2.9 μVpp（250 SPS，增益6）。

• 高共模抑制比（CMRR）：117dB，能有效抑制共模干扰。

• 内置右腿驱动放大器：提高系统的共模抑制能力。

• 连续断线检测：实时监测心电导联的连接状态。

• 数字接口：4线SPI接口，方便与MCU进行通信。

• 封装：提供40脚QFN和30脚WLCSP两种封装形式，满足不同的应用需求。

LH001-91以其优越的性能指标，已经得到国内医疗客户的专业评测，其性能与国际品牌同类型产品相当，甚至在某些方面更为出色。

2. 主控芯片型号及其作用

在实际心电图采集方案中，除了LH001-91作为模拟前端外，还需要一个主控制器（MCU）来进行数据处理和通信。这里以ESP32-C6为例，介绍其在方案中的作用。

• ESP32-C6：这是一款基于ESP32-C6芯片设计的低功耗物联网主控板，由DFRobot设计研发，型号是FireBeetle 2 ESP32-C6。该开发板支持Wi-Fi 6、Bluetooth 5、Zigbee 3.0、Thread 1.3等多种通讯协议，适用于智能家居和物联网项目。在心电图采集方案中，ESP32-C6主要用于接收LH001-91采集的心电数据，进行协议转换和发送。

二、设计方案

1. 方案概述

基于LH001-91的12导联心电图方案，通过使用10个电极连接在8个LH001-91转换通道上，生成12个心电图信号。该方案具体包括以下部分：

• 硬件电路：主要由LH001-91评估板、ESP32-C6开发板、心电电极及连接线组成。

• 软件实现：包括数据采集、滤波处理、心率计算、导联状态监测等功能的实现。

2. 硬件电路连接

2.1 评估板及开发板

LH001-91评估板是基于LH001-91设计的专用评估板，具有完整的心电采集功能。评估板主要由AFE（LH001-91）、通用MCU和三个电极组成。

ESP32-C6开发板则用于数据处理和通信，其主要功能是接收LH001-91评估板的心电数据，并将其通过串口发送至上位机软件。

2.2 电极及连接线

在12导联心电图方案中，需要10个电极分别连接到LA（左臂）、LL（左腿）、RA（右臂）、RL（右腿）及V1-V6（胸）位置。为了与ESP32-C6开发板连接，需要将评估板的电源和串口飞线出来，并将心电电极连接到评估板的电极焊盘上。

2.3 硬件连接细节

• 电源和串口飞线：电源部分直接从USB的5V网络焊盘上引出电源和接地，串口则是从评估板上的CH340E芯片TX和RX直接飞线出来，并串联一个100欧姆的电阻以防止烧IO口。

• 心电电极飞线：评估板上留有三个电极的焊盘测试点，通过焊接一个耳机插座，并连接导联线，即可实现心电信号的采集。

3. 软件实现

3.1 数据采集与解析

LH001-91评估板输出的每个采样点数据是一个字符串，包含心电原始数据、滤波后数据、心率、导联状态等信息。ESP32-C6开发板通过串口接收这些数据，并将其转换成上位机软件能识别的协议。

数据解析的过程中，需要先将字符串中的子字符串转换为浮点数，并存储在数组中。然后根据协议要求，将浮点数数组转换回字符串，并通过另一个串口发送至上位机软件。

3.2 心率计算与导联状态监测

在接收到心电数据后，上位机软件可以进一步进行心率计算和导联状态监测。心率计算通常是通过检测RR间期（相邻两个R波之间的时间间隔）来实现的，而导联状态监测则是通过检查LH001-91评估板输出的导联状态信息来实现的。

三、实际演示与结果

1. 演示板与上位机软件

领慧立芯提供了全套的演示单板和上位机软件，用于实际演示心电图采集和处理功能。演示板在电脑USB供电条件下，采集心电模拟器信号，并绘制心电图。该心电图信号没有经过任何外部滤波处理，但仍能满足医疗需求。

2. 实际结果

通过实际演示，可以看出基于LH001-91的12导联心电图方案具有以下优点：

• 高精度：LH001-91的24位高精度ADC，以及低噪声可编程增益放大器，确保了心电信号的采集精度。

• 高可靠性：内置右腿驱动放大器和连续断线检测功能，提高了系统的共模抑制能力和导联连接状态的可靠性。

• 低成本：相比国际品牌同类型产品，LH001-91的性价比更高，降低了心电图设备的成本。

• 自主可控：作为国产芯片，LH001-91的自主可控性更高，有利于保障医疗数据的安全和隐私。

四、结论

基于领慧立芯LH001-91的医疗级12导联心电图方案，不仅满足了医疗级需求，还大大降低了成本，提高了自主可控性。该方案采用高性能的LH001-91模拟前端芯片和ESP32-C6主控芯片，通过精心设计的硬件电路和软件实现，实现了心电图信号的高精度采集和可靠处理。

在实际应用中，该方案已经得到了医疗客户的广泛认可和好评。未来，随着国内芯片技术的不断进步和医疗市场的不断发展，基于LH001-91的心电图方案有望在更多领域得到应用和推广。