《电子技术应用》
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手环心电监测的误差机理与电路优化应用研究
集成电路应用
顾芷语1, 张欣悦2, 姜星月3,唐冬来4
1.江苏大学;2. 南京审计大学; 3. 上海师范大学天华学院; 4. 四川中电启明星信息技术有限公司
摘要: 智能手环心电监测凭借便携、低功耗、可连续监测的优势,成为民用心血管健康筛查的核心设备,但受限于穿戴式采集场景与集成电路架构的微型化,监测信号存在基线漂移、运动伪影、幅值失真、噪声干扰等误差问题,难以满足准医疗级监测精度要求。该文聚焦手环心电监测的集成电路硬件层级误差来源,系统分析模拟前端、模数转换、电源管理、信号处理芯片的误差产生机理,结合可穿戴设备低功耗、小型化的设计约束,提出基于高共模抑制放大电路、自适应滤波集成电路、高精度模数转换(ADC)架构与片上实时校准的综合优化方案。通过搭建实测验证平台,对比优化前后心电信号的幅值误差、波形失真度、信噪比指标,优化后的集成电路系统可将手环心电监测幅值误差控制在0.3 mV以内,信噪比提升27.9 dB,有效抑制运动干扰与基线漂移误差,大幅提升民用穿戴式心电监测的准确性与稳定性。该研究为低误差、低功耗、小型化手环心电监测集成电路的设计与工程应用提供了重要参考。
中图分类号:TN710文献标识码:ADOI:10.19339/j.issn.1674-2583.2026.05.004
中文引用格式:顾芷语, 张欣悦, 姜星月,等. 手环心电监测的误差机理与电路优化应用研究[J].集成电路应用,2026,43(5):28-35.
英文引用格式:Gu Zhiyu,Zhang Xinyue, Jiang Xingyue, et al. Research on the error mechanism of hand band electrocardiogram monitoring and circuit optimization application[J].Application of IC,2026,43(5):28-35.
Research on the error mechanism of hand band electrocardiogram monitoring and circuit optimization application
Gu Zhiyu1,Zhang Xinyue2, Jiang Xingyue3, Tang Donglai4
1. Jiangsu University; 2. Nanjing Audit University; 3. Shanghai Normal University Tianhua College; 4. Aostar Information Technology
Abstract: Smart hand band electrocardiogram monitoring has become a core device for civilian cardiovascular health screening due to its advantages of portability, low power consumption and constant monitoring. However, limited by wearable collection scenarios and micro-integrated circuit architectures, the monitored signals suffer from errors such as baseline drift, motion artifacts, amplitude distortion and noise interference, which cannot meet the accuracy requirements of quasi-medical level monitoring. Focusing on the hardware-level error sources of integrated circuits for hand band ECG monitoring, this paper systematically analyzes the error generation mechanisms of analog front ends, analog-to-digital conversion, power management and signal processing chips. Combined with the design constraints of low power consumption and miniaturization of wearable devices, a comprehensive optimization scheme based on high common-mode rejection amplification circuit, adaptive filter integrated circuit, highprecision analog-to-digital conversion (ADC) architecture and on-chip real-time calibration is proposed.
Key words : smart hand band; ECG monitoring; error mechanism; integrated circuit optimization; analog front end; signal denoising

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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http://www.chinaaet.com/resource/share/2000007270


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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)

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