心电图信号采集模拟前端架构的最新进展：电压模与电流模方法的全面综述

《IEEE Sensors Reviews》：Recent Advances in Analog Front-End Architectures for ECG Signal Acquisition

本刊编辑推荐：针对心电图(ECG)信号采集前端在便携式医疗设备中面临的高噪声、低功耗挑战，研究人员系统综述了模拟前端(AFE)架构的最新进展。文章深入探讨了电压模(VM)与电流模(CM)两种设计路径的优劣，分析了从传统湿电极到新型干电极、纺织电极的演变及其对接口设计的影响。研究表明，基于第二代电流传送器(CCII)和电压传送器(VCII)的CM架构在带宽、功耗方面展现出独特优势，而混合电压/电流模式架构代表了未来高性能、低功耗ECG采集系统的发展方向。该综述为可穿戴医疗设备的AFE设计提供了重要参考。

　　

随着可穿戴医疗设备的普及，心电图监测技术正从传统的临床诊断场景走向家庭、运动和远程护理环境。这一转变对心电图采集系统的设计提出了全新挑战：设备需要在保持临床级信号质量的同时，实现微型化、低功耗和强抗干扰能力。心脏产生的生物电位信号极其微弱（仅0.5-5 mV），且频带有限（0.05-100 Hz），极易受到环境电磁干扰（如50/60 Hz工频干扰）和运动伪影的影响。此外，电极与皮肤界面产生的半电池电位差可达300-500 mV，这种直流偏移极易使放大器输入级饱和，限制其增益动态范围。这些技术瓶颈使得模拟前端设计成为整个心电图采集链中最关键且最具挑战性的环节。

为系统梳理该领域的最新进展，意大利拉奎拉大学的Riccardo Olivieri和Giuseppe Ferri在《IEEE Sensors Reviews》上发表了题为"Recent Advances in Analog Front-End Architectures for ECG Signal Acquisition"的综述文章。研究人员对心电图采集电子接口系统进行了全面而结构化的分析，特别聚焦于模拟前端电路的设计策略，比较了传统电压模与新兴电流模方法的性能特点，并展望了未来技术发展趋势。

研究人员通过文献调研和比较分析法，系统评估了近年来报道的多种心电图模拟前端解决方案。重点分析了电极技术（湿电极、干电极、纺织电极）的性能特征及其对前端设计的影响，对比了电压模和电流模架构下关键电路模块（如仪表放大器、驱动右腿电路、滤波级）的设计方案。技术方法包括对现有文献中的电路拓扑结构进行性能参数提取与对比，特别关注功耗、输入参考噪声(IRN)、共模抑制比(CMRR)等关键指标。同时，文章还涉及对基于第二代电流传送器(CCII)和电压传送器(VCII)的电流模架构的理论分析与实际应用评估。

心电图采集的一般原理

心电图是反映心脏电活动的重要生物电位信号，具有幅度小、频带窄的特点。研究人员指出，大多数诊断信息集中在0.5-40 Hz范围内，但在特定病理条件下，可能需要将有用范围扩展至150 Hz。心电图波形包含P波、QRS波群和T波等特征成分，每个成分对应心脏特定的电活动事件。采集这类信号面临多重挑战：低信号电平与环境干扰的叠加要求精心设计电子接口；肌电干扰和运动伪影会产生幅度甚至大于有用信号的干扰；电极电化学极化会引入数百毫伏的直流偏移。

心电图监测的电子前端

典型的心电图采集前端由多个功能模块组成：电极、仪表放大器(IA)、驱动右腿(DRL)电路和滤波级。电极作为信号采集的起点，传统湿电极（Ag/AgCl）仍是临床金标准，但其存在凝胶干燥、皮肤刺激等问题。干电极和纺织电极更适合长期监测，但具有更高的皮肤-电极阻抗和运动伪影敏感性。研究表明，纺织电极的结构（平纹、斜纹、缎纹）和接触压力（3-4 kPa为最佳范围）显著影响信号质量。

放大级通常采用仪表放大器，负责放大差分信号并抑制共模干扰。电压模架构基于运算放大器和线性架构，是历史标准，但面临带宽、稳定性和可扩展性方面的固有局限。电流模架构则利用电流传送器、翻转电压跟随器等主动器件在电流域处理生物信号，提供更宽的带宽、更低的噪声和功耗。

驱动右腿电路通过主动检测患者体表共模电压并注入补偿信号，将共模电压降至微伏级，显著提高信噪比和有效共模抑制比。滤波级则负责消除基线漂移（0.1-0.5 Hz高通滤波）、工频干扰（50/60 Hz陷波滤波）和高频噪声（100-250 Hz低通滤波），保留诊断内容。

电压模与电流模方法

电压模架构因其高输入阻抗、与临床仪器的良好兼容性以及成熟的CMOS实现而成为心电图前端的主要解决方案。其演进集中在平衡超低功耗、减少噪声和对大电极偏移的鲁棒性。例如，Spinelli等人展示的全差分电压模放大器通过直流抑制技术可减轻电极偏移影响；Bai等人报道的0.5 V斩波稳定CMOS仪表放大器在近阈值条件下维持了低输入参考噪声和亚微瓦功耗。

电流模方法则通过第二代电流传送器(CCII)和电压传送器(VCII)等构建块处理信号。理想CCII包含三个端子（Y、X、Z），作为从Y到X的电压缓冲器和从X到Z的电流缓冲器。Wang等人提出的电流模电容耦合斩波仪表放大器专为生物电位采集优化，结合电容耦合与电流模操作减轻了电极偏移影响，同时保持低功耗。VCII作为CCII的对偶器件，同时提供输入和输出电压端口，便于与后续处理块集成。Kumngern等人实现了基于VCII的0.5 V低通滤波器，功耗仅2.73μW，总谐波失真低于1%。

性能比较表明，电压模架构在商业心电图系统中仍是标准，因其高输入阻抗和与湿电极的成熟兼容性，适合临床级精度。电流模架构则表现出更优的带宽稳定性、简化的增益可编程性和更高压摆率，对需要快速信号处理的可穿戴系统更具吸引力。其中，VCII基设计特别有前景，因其结合了电流模处理与电压输出兼容性。

结论与展望

心电图模拟前端电路的未来发展预计将集中在三个方向的融合：先进CMOS电路设计、混合信号系统集成和电极技术创新。先进CMOS工艺将推动超低功耗高集成度前端的发展，动态可重构前端可根据信号条件实时调整功耗和噪声特性。系统级协同设计将模拟前端与后续信号处理阶段紧密结合，基于压缩感知的前端可降低采集阶段的数据速率，同时保留诊断信息。电极-电路接口的进步将由纳米结构和生物相容性材料驱动，基于碳纳米管、石墨烯或银纳米线的柔性电极显示出优异的适形性和稳定性。混合电极结合导电聚合物与纳米材料，可降低电极-皮肤阻抗和运动伪影。

未来研究还将向人工智能辅助信号调节和基于机器学习的噪声减少方向发展，结合片上学习和自适应滤波可实现个性化心电图采集系统。柔性混合电子将有机和无机材料融合，实现在超低电压（<0.5 V）下工作的适形前端。能量采集技术和神经形态模拟架构的采用将推动电池自由生物信号采集和实时异常检测的发展。

这些趋势共同定义了下一代智能模拟前端的路线图，将低功耗电子、智能适应和生物相容集成融为一体，实现能够在现实条件下连续、无扰、可靠运行的心电图监测系统。