手环心电监测的误差机理与电路优化应用研究

引言

随着民用健康监测的智能化升级，智能手环、手表等穿戴设备已普及心电实时监测功能，可实现日常心率筛查、心律失常初步预警功能，有效弥补了传统医用心电图机无法连续居家监测的短板［1-2］。医用心电设备依托专业采集电极、高精度分立电路与屏蔽环境，监测误差可控制在0.1 mV以内，波形完整性极佳［3-4］。而手环心电监测采用腕部单导联采集方式，依托微型集成芯片实现信号采集与处理，存在采集距离远、信号幅值微弱、环境干扰强、硬件集成度高、功耗约束严苛等问题，导致监测误差高于医用设备［5-6］，数据准确性难以保障，从而制约了穿戴式心电监测设备的医疗化应用升级。

当前国内外针对穿戴式心电误差的研究多集中于后端算法降噪［7］、运动伪影修正［8］，对集成电路硬件本源误差的系统性分析不足。部分研究采用深度学习算法优化心电信号分类精度［9-10］，但未结合前端芯片硬件特性进行适配优化，导致算法修正效果有限，且增加了设备功耗与算力负担。另有研究聚焦单一心电图(Electrocardiogram, ECG)监测芯片的性能测试，缺乏对模拟前端、电源、模拟数字转换器(AnalogtoDigital Converter, ADC)、主控全链路集成电路误差的拆解分析，无法从硬件根源实现误差抑制。

本文从集成电路全链路角度，梳理手环心电监测系统的硬件架构，剖析各芯片模块的误差产生机理，针对穿戴设备小型化、低功耗的核心约束，提出硬件电路优化与片上校准的综合方案，通过实物测试验证优化效果，为低误差穿戴式心电监测集成电路的迭代设计提供理论与工程支撑。

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作者信息：

顾芷语1, 张欣悦2, 姜星月3,唐冬来4

(1.江苏大学， 江苏镇江212013；

2. 南京审计大学， 江苏南京211815; 

3. 上海师范大学天华学院,上海201815; 

4. 四川中电启明星信息技术有限公司，四川成都610299)