领慧立芯LHE7908/LHE7909芯片在生理电信号测量系统中的应用

生理电信号测试系统导联脱落检测介绍

在心电图(ECG)、脑电图(EEG)、肌电图(EMG)等各类生理电信号应用中，检测电极与患者的连接状态至关重要。生理电信号本身具有微弱、易受干扰的特性，无论是反映心脏电活动的ECG信号、反映骨骼肌电活动的EMG信号，还是反映大脑皮层电活动的EEG信号，其精准测量都高度依赖于从患者体表(或特定部位)到监测设备之间的低阻抗、稳定导电通路。

生理电信号通常由两个或多个监测电极组成，用于采集对应部位的电信号，监测特定导联(或通道)两端的电压变化。ECG系统监测心脏电活动，信号频率0.05~100Hz，幅值0.1~2mV，电极多贴附于胸壁、肢体部位；EMG系统监测骨骼肌收缩时的电信号，信号频率20~500Hz，幅值50uV~5mV，电极需贴附于目标肌肉表面；EEG系统监测大脑皮层电活动，信号频率0.5~100Hz，幅值10~100uV，电极需固定于头皮特定位置。除上述监测电极外，通常还需配置参考电极或驱动电极，其中右腿驱动(RLD)电极是ECG系统中最常见的配置，其作用是将患者体表偏置至设定的直流工作点，确保输入电位与监测系统保持一致，抑制共模干扰；在EEG系统中，常采用耳垂、前额等部位作为参考电极，稳定信号基线；EMG系统则可根据测量场景，选择单极或双极参考方式，减少环境干扰与肌电交叉干扰。若缺乏稳定的直流偏置点或合适的参考电极，无论是ECG、EMG还是EEG输入信号，其共模电平都将无法稳定，可能导致信号在系统工作区间内外浮动，进一步加剧信号失真。

目前，生理电信号监测中常用的电极主要分为湿电极与干电极，其中湿电极应用最为广泛，借助医用导电凝胶填充电极与皮肤之间的空隙，有效降低皮肤与电极间的接触阻抗。但随着使用时间推移，导电凝胶会逐渐干涸，湿电极的阻抗均会明显上升；干电极无需依赖导电凝胶，通过电极本身的结构设计(如微针、梳状)直接与皮肤接触，实现生理电信号采集。干电极初始接触阻抗较高，易受皮肤角质层、毛发的影响，导致信号幅值衰减、基线漂移，对微弱信号(如EEG信号)的采集精度影响较大；信号稳定性较差，电极与皮肤的接触易受轻微移动等因素影响，易出现信号中断或失真。因此，优化电极设计、完善导联脱落检测机制，成为提升生理电信号测量系统性能的重要方向。

LHE790X系列芯片(LHE7908、LHE7906、LHE7904)适用于心电图机、动态心电测量，LHE7909-X系列芯片(LHE7909-8、LHE7909-4)适用于脑电图EEG、睡眠监测、脑机接口BCI。LHE790X、LHE7909-X具备直流和交流导联脱落检测功能，其中交流导联脱落检测能在不干扰ECG/EEG/EMG采集的前提下，实现电极的导联脱落检测和电极阻抗特性量化。

LHE790X、LHE7909-X直流导联脱落检测

通过向每个电极注入微弱直流电流(或上/下拉大电阻)，监测输入直流电压是否被拉离正常共模范围。电极良好时电压接近共模电平；脱落/开路时被拉至电源轨，超过阈值即判定导联脱落。配置LOFF_FLIP寄存器可以控制INP,INN端电流方向。

图1. 直流导联脱落激励配置

图2. 直流导联脱落检测原理框图

COMP_TH[2:0]用于设置VTHH和VTHL，当VINP 大于VTHH或者小于VTHL时，LOFF_STATP会置1；当VINN 大于VTHH或者小于VTHL时，LOFF_STATN会置1。8个VINP 端的比较器输出结果和8个VINN 端的比较器输出结果分别存储在寄存器LOFF_STATP和LOFF_STATN中，这两个寄存器会作为输出数据流的一部分。

采用直流激励实现脱落检测功能，电路结构简单，直流激励完全落在 ECG、EEG、EMG 有效频带之外；能够区分通道正极(INP)脱落/通道负极(INN)脱落；全程连续实时监测。但直流激励会引入一定直流失调，随着电极阻抗的缓慢变化会引起基线漂移；干电极、干燥皮肤本身阻抗极高，使用直流激励监测易出现误触发脱落警告或无法判断脱落状态。

LHE790X/LHE7909-X交流导联脱落检测

AC Lead-off Detect(交流导联脱落检测)是通过向电极注入高频交流信号，并测量其响应幅值来判断电极与人体接触是否良好的硬件诊断机制。 它能在不干扰 ECG/EEG/EMG 信号的前提下，实时、灵敏地检测电极脱落、接触不良或高阻抗状态。

Vac=Iac×Ztotal

Iac：芯片内部产生的交流激励电流和频率

Ztotal：正极电极阻抗 + 人体阻抗 + 负极电极阻抗

Vac：在通道输入端产生的交流电压

阻抗越大 → Vac 越大 → 判定为导联脱落/接触不良。其中正负电极阻抗不是电极导线的电阻，而是电极和皮肤之间的接触阻抗，正常导电膏电极：5kΩ ~ 50kΩ ；皮肤干燥/没贴紧：100kΩ ~ 500kΩ ；半脱落、翘边：500kΩ ~ 2MΩ ；完全脱落悬空：10MΩ 以上。人体阻抗在交流激励下约几百欧姆~1KΩ，通常可忽略。

	领慧立芯 LHE7909-8	友商ADS1299
AC激励源频率：Hz	7.8、31.2、500、1K、2K、4K、8K、16K	7.8、31.2、fDR / 4
AC激励源电流挡位：nA	2.5、5、7.5、10、12.5、15、20、30、40、50、60、70	6、24、6000、24000
是否集成AC激励硬件后处理模块	集成ACLO模块  (执行脱落判决，阻抗解算，无需软件解算)	否

图3. ACLO模块原理框图

芯片内部产生的交流激励电流经外部阻抗在通道输入端产生交流电压Vac，和ECG、EEG、EMG信号同时经过PGA放大，被Δ-Σ ADC量化。MODULATION输出两路数据流分别到ECG、EEG、EMG 通道和ACLO解调模块。 利用(Δ-Σ)ADC过采样的特点，ACLO解调模块对MODULATION的数据流先进行低通滤波，滤除量化噪声。之后再经过一个带通滤波器，该带通滤波器会自动对设置的交流激励信号频率进行选择。经过带通滤波器后，进行数字全波整流得到16bits的AC AMPLITUDE，AC AMPLITUDE的大小与Vac幅度成线性关系。设置合适的比较器阈值THRESHOLD，比较器输出ACLO FLAG值可以表征导联连接状态。AC AMPLITUDE和ACLO FLAG均按16Hz频率更新。

当ECG、EEG、EMG通道的输出速率小于等于交流激励频率时，ECG、EEG、EMG CHANNEL模块在交流激励频率点有数字陷波，因此交流激励信号不会干扰到ECG、EEG、EMG信号测量。

8个通道有8组独立的ACLO模块，AC AMPLITUDE的值保存于8组寄存器中LOFF_DAT_CHn_HIGH和LOFF_DAT_CHn_LOW，n=1~8；8个ACLO FLAG状态位保存在LOFF_STATP寄存器中；当AC AMPLITUDE值大于设定的上限值或小于设定的下限值，ACLO FLAG会置1，否则为0。

GPIO1~GPIO4其中一个可以配置为输出LOFF_STATP寄存器中各位或运算的结果，可作为主机的中断信号。

使用纯电阻模拟电极阻抗测试ACLO模块的功能。如图4所示，其中R1可变，R1阻值以50KΩ步进，模拟患者与电极之间导电通路变弱的行为。

AVDD=2.5V;AVSS=-2.5V;内部参考电压2.4V;采样率500SPS(LP模式)；通道增益2；

配置交流激励频率1kHz，电流值50nA，使能INP和INN交流激励信号。主机定时读取AC AMPLITUDE CODE。

图4. 模拟阻抗变化连接图

图5. 输入阻抗vs AC AMPLITUDE CODE测试结果

从测试结果可以看出ACLO处理模块可以线性的量化输入阻抗的变化，可以根据读取到的AC AMPLITUDE CODE评估量化电极阻抗。

 AC Lead-off Detect技术是激励为交流信号，不会产生OFFSET；对干电极或容性耦合电极检测敏感稳定；可以进行实时的阻抗连续监测；但本质上是对AINP与AINN电压差量化后的数字处理，因此不能识别出脱落状态是在AINP还是AINN端。

结论

在ECG、EEG、EMG测量系统中，确保电极连接可靠对测量系统至关重要。电极与人体之间的传导路径接触不良会引起输入阻抗发生变化，这一状态必须在信号采集过程中要被及时识别。否则，最终得到的波形将无法准确反映患者的真实生理电信号。

直流导联脱落对生理电信号本身的影响较小；但该方法会引入额外的失调误差，并可能增加系统总噪声。交流导联脱落在数字域做了更多后处理，将激励信号与心电信号分离开，得到交流激励信号的幅度，同时交流激励不会干扰正常ECG、EEG、EMG信号采集。

LHE790X、LHE7909-X系列芯片已集成导联脱落检测所需电路，同时支持直流与交流两种检测方式，可通过芯片内部寄存器灵活开启或关闭相关功能，为ECG、EEG、EMG设备提供稳定可靠的导联状态监测和量化评估导联阻抗功能。