BASHCAT: ECG

ECG 工程師桌面

第一次拿 MAX30001 EV kit 接到自己身上量 ECG，我以為會看到漂亮的 QRS 複合波。結果示波器上是一條粗到不行的弦波，60 Hz 整整齊齊塞滿整個畫面。

那個瞬間我才真的懂為什麼所有教科書都在講「共模拒斥比」（CMRR）。datasheet 給你一條很漂亮的「CMRR vs 頻率」曲線、低頻段輕鬆破百 dB，但這個數字跟你把兩根電極貼上肉之後實際量到的東西，根本是兩個世界。

這篇是我把 MAX30001 從 EV kit 改成自己 layout 的 ECG patch 一路撞到牆的整理。重點放在 三電極 + RLD（Right-Leg Drive） 這個 datasheet 寫得很簡短、但決定產品能不能用的關鍵環節。

為什麼兩電極不夠用？

ECG 訊號量級大概 0.5–4 mV，而你身上隨便揹著的 60 Hz 共模電壓動輒幾百 mV 到幾伏特。差距是 1000 倍以上。

差動放大器確實會抑制共模——但前提是兩個輸入端「看到的共模電壓真的一樣」。實際上電極與皮膚的接觸阻抗不對稱，就會把一部分共模轉成差模混進訊號裡。

這是 TI 那篇經典 app note SBAA188 Improving Common-Mode Rejection Using the Right-Leg Drive Amplifier 講得很清楚的事（雖然是寫給自家 ADS1298，但原理對 MAX30001 完全通用）：整個系統的 CMRR 不是 AFE 的 CMRR，而是 AFE × 電極匹配度的乘積。AFE 給你 100 dB，電極不平衡只有 40 dB，整體就只有 40 dB。

於是兩電極設計的 ECG，最常見的結果就是底下這張圖：

60Hz 干擾淹沒 ECG

QRS 波被 60 Hz（在台灣也常常是 50 Hz 加諧波）整個吃掉。你可以靠 notch filter 把它砍掉，但代價是 R 波會變形、HRV 計算的準度直接報廢。

第三電極的三種接法（從廢到神）

當你被 60 Hz 蹂躪到第三次，自然會想到「再多接一根線到身體上」。第三電極有三種主流接法，效果差很多。

做法 1：第三電極直接接 GND（最直覺、也最廢）

把第三電極（通常接右腿，所以叫 right leg）直接拉到電路 ground。聽起來很簡單，但有兩個大問題：

安全：如果系統沒有 isolated，萬一漏電直接從這條線灌進病人身體。醫療裝置不能這樣搞。
沒效：電極與皮膚的接觸阻抗可能高達 100 kΩ，這條「ground 線」其實是一條 100 kΩ 的阻抗，根本拉不住人體電位。

Electrical Engineering Stack Exchange 上有人問過同樣的問題，下面的回答直接引用了 Winter & Webster 1983 年那篇被引爆的經典 IEEE TBME 論文：用一個 op-amp 主動 feedback，就能把這個 100 kΩ 的等效阻抗砍掉好幾個數量級。

做法 2：MAX30001 內建 VCM 拉電極（datasheet 官方做法）

這是 MAX30001 datasheet 裡其實寫得清清楚楚、但很多人沒注意到的招式。

晶片內部有一顆 common-mode buffer，產出 650 mV 的 VCM 電壓，原本是給內部電路用的。datasheet 的 General Description 段有一句很關鍵的話：

The common-mode voltage, VCM, can optionally be used as a body bias to drive the body to the common-mode voltage by connecting VCM to a separate electrode on the body through a 200kΩ or higher resistor to limit current into the body according to IEC 60601-1:2005, 8.7.3.

翻成人話：把 VCM 經過一顆 ≥200 kΩ 電阻接到第三電極，貼到病人身上。這顆 200 kΩ 不是隨便寫的，是 IEC 60601-1 第 8.7.3 條對「病人輔助電流」的安全限制——任何單一故障都不能讓流進病人身體的電流超過規定值。

接法大概長這樣（mermaid 流程）：

graph LR
  subgraph MAX30001
    VCM[VCM pin, 650 mV]
    ECGP[ECGP]
    ECGN[ECGN]
  end
  VCM -->|R = 200kΩ| BIAS[第三電極]
  ECGP --> ELP[ECG+ 電極]
  ECGN --> ELN[ECG- 電極]
  BIAS -.-> BODY((人體))
  ELP -.-> BODY
  ELN -.-> BODY

EV kit 上有一個叫 BB_SEL 的 jumper（Body Bias Select）：

BB_SEL 1-2：直接用 VCM 當 body bias（datasheet 預設做法）
BB_SEL 2-3：用一個可調電壓（R7 trimpot 0–OVDD），方便你實驗其他偏壓

我量過：光是把第三電極從「不接」改成「VCM via 200kΩ」，60 Hz 干擾大概砍掉 30–40 dB，原本被淹沒的 QRS 直接清楚跳出來。這就是為什麼 MAX30001 大多數量產設計都是這個三電極配置。

注意：如果啟用了 VCM body bias，datasheet 建議可以把內部 lead bias resistor（CNFG_GEN 0x10 暫存器裡的 50/100/200 MΩ）關掉，避免兩種 biasing 機制打架。

做法 3：外掛 op-amp 做主動 RLD（最強，但要多一顆 IC）

VCM 的缺點是它是被動的——只是把人體拉到 650 mV 附近，不會主動抵銷共模雜訊。要真的把 CMRR 推到極限，就要加一顆外部 op-amp 做主動 feedback，這就是經典的 Driven Right Leg（DRL） 或 Right-Leg Drive（RLD） 電路。

ADI 官方有一篇 app note 直接給你抄：How to Add Wilson's Central Terminal/Right Leg Drive Functions to the MAX30001/MAX30003 ECG AFEs in a Medical Wearable （若官網連結時好時壞，也可以查同名 Maxim Integrated 鏡像）。建議的 op-amp 是 MAX44260 （低功耗、低 offset、SC70 包裝），跟 MAX30001 是天作之合。

RLD 的核心原理用一句話講：把 ECGP、ECGN 兩端的共模電壓抓出來、反相放大、回打到第三電極。這個 feedback loop 會主動把人體共模電位「壓回 reference」。

graph LR
  ECGP[ECGP] --> R1[R = 1MΩ]
  ECGN[ECGN] --> R2[R = 1MΩ]
  R1 --> SUM((+))
  R2 --> SUM
  SUM --> OPAMP([Op-Amp / MAX44260])
  VREF[VCM / Vref] --> OPAMP
  OPAMP --> RF[R = 350kΩ, safety limit]
  RF --> RL[Right Leg, 第三電極]

加了 RLD 之後，等效共模阻抗可以從 100 kΩ 級掉到幾百 Ω 級，整體 CMRR 直接加 20–40 dB。代價就是多一顆 op-amp 與三四顆電阻，以及一個你必須認真設計的 stability margin（loop gain 太高會自激）。

三種做法的選擇表

做法	額外元件	CMRR 改善	安全性	適用場景
直接接 GND	0	≈ 0 dB	差	不建議
VCM body bias（datasheet 官方）	1 顆 200 kΩ	+30~40 dB	IEC 60601-1 合規	多數消費級 / 中階醫療
外掛 RLD op-amp	1 顆 op-amp + 4 顆 R	+50~70 dB	需 safety resistor	高階醫療、IEC 60601-2-47 認證

我自己的選法：原型先 VCM bias 跑出可看的 ECG，產品送認證前再決定要不要升級到 RLD。多數 wearable patch（不是診斷級 12-lead）VCM bias 就夠了。

MAX30001 EV kit 上手實戰

三電極概念圖

下面是我從拿到 EV kit 到能穩定看到 ECG 的流程，這部分 Mbed MAX30001-FeatherWing 文件寫的不完整，這裡補一些細節。

前置條件

硬體：MAX30001EVSYS#（含 MAX30001 EV board + MAX32630FTHR + 三條 ECG cable）
電源：USB micro 直接餵（或外接 5V 經 LDO）
GUI：Maxim 官方 Windows GUI（Win7/8/10 OK，Win11 我實測也能跑）
電極：3M Red Dot 或 Ambu BlueSensor，丟掉那種沒牌子的便宜貨

Jumper 設定（三電極模式）

J_DRVP   open   ← BioZ 用，三電極 ECG 時不接
J_DRVN   open
DP_BP    open
DN_BN    open
BP_BN    open
BB_SEL   1-2    ← 用 VCM 作 body bias（三電極關鍵！）
J_RBIAS  1-2    ← 接 324kΩ 外部偏壓電阻

預設 jumper 其實已經是「兩電極 + BB_SEL=VCM」，但你必須真的把第三電極（黑色那條 RL/RA cable）接在身上才有效果。我看過太多人 jumper 沒動但 cable 只接兩條，然後抱怨「跟兩電極差不多啊」。

暫存器初始化

關鍵幾個暫存器（這是我做 PCB 之後韌體用的，EV kit GUI 會幫你設）：

// 1. 軟體 reset
spi_write(0x08, 0x000000);

// 2. CNFG_GEN (0x10) — 啟用 ECG 通道 + 設定 lead bias
//   EN_ECG=1, EN_DCLOFF=1, EN_RBIAS=01 (ECG channel)
//   IPOL=0 (sourcing), IMAG=000 (5nA), VTH=00 (300mV)
//   EN_BLOFF=00 (BioZ lead off disabled, 因為沒用 BioZ)
//   RBIASN=1, RBIASP=1 — 啟用 100MΩ lead bias 到 VMID
//   注意：如果你採用 VCM body bias（三電極接法），
//         建議改為 RBIASN=0, RBIASP=0 避免兩種 biasing 打架。
//         以下這組值是「先單獨驗證 ECG 通道、暫未啟用 VCM bias」的設定。
spi_write(0x10, 0x081007);

// 3. CNFG_CAL (0x12) — 內建校正源（debug 用，量產關掉）
spi_write(0x12, 0x720000);

// 4. CNFG_ECG (0x15) — ECG 通道參數
//   RATE=00 (512 SPS), GAIN=11 (160 V/V)
//   DHPF=1 (0.5Hz HPF), DLPF=01 (40Hz LPF)
spi_write(0x15, 0x005000);

// 5. 啟動同步
spi_write(0x09, 0x000000);  // SYNCH

如果你要進一步加 R-to-R 偵測或 pace detection，再去設 CNFG_RTOR1 (0x1D) 與 CNFG_PACE (0x1A)。

第一次量測的儀式感

電極貼好（RA = 右胸鎖骨下、LA = 左胸鎖骨下、RL = 右下腹），GUI 按下 Start，看到 P-QRS-T 一波一波跑出來的瞬間真的會起雞皮疙瘩。

但你也會發現：當你深呼吸的時候，baseline 會跟著漂；當你動手臂的時候，整個畫面會出現大尖峰（motion artifact）。這些是 ECG patch 接下來要面對的第二輪戰爭，已經超出 RLD 能解決的範圍，要靠數位濾波 + IMU 融合。

從 EV kit 到量產 PCB

ECG patch 量產示意

EV kit 跑通之後，自己畫板的時候會撞到的問題比想像中多很多。整理我自己跟同事的踩坑紀錄：

踩坑 1：類比電源沒有單獨 LDO

我第一版偷懶把 VAVDD 跟 VDVDD 都從同一顆 1.8V switching regulator 拉。結果 ECG 波形上躺著一隻 SMPS 開關頻率的小尾巴。

解法：類比電源一定要用 ultra-low-noise LDO，例如 MAX8512、TPS7A47 那種 PSRR 高的；EV kit 上用的就是 MAX8512EXK。1.8V 不貴，多放一顆。

踩坑 2：input series resistor 太小，IEC 60601-2-47 測試掛點

EV kit BOM 裡 R26, R27, R29, R30 預設是 0 Ω jumper，但 datasheet Note 3 明確說：

One electrode drive with <10Ω source impedance, the other driven with 51kΩ in parallel with a 47nF per IEC 60601-2-47.

意思是認證測試時，會強制給你一邊接 51 kΩ ‖ 47 nF 的不平衡網路打進來，要看你能不能撐住。量產板務必把這四顆電阻換成 10–51 kΩ + 47 nF 形成 EMI / 共模 LPF，這也是 ECG patch 過 IEC 60601-1-2 EMC 測試的關鍵。

踩坑 3：lead-off 一脫落，RLD loop 自激

這是 TI 那篇 RLD app note SBAA188 特別警告的場景：當其中一個 ECG 電極脫落，feedback loop 會失去輸入訊號，op-amp 直接被 lead-off bias current 推到 rail，整個系統當機。

解法：

韌體要連續監測 lead-off 狀態（MAX30001 的 STATUS (0x01) 暫存器有 LDOFF_NL/NH/PL/PH 四個 bit）
偵測到 lead-off 立刻把 RLD loop 用 analog switch（TS5A3157 那類）打開，避免 op-amp 鎖死
重新接觸後再閉合 loop，並做一次 ECG Fast Recovery（MNGR_DYN 0x05 設定）

如果你用 VCM body bias 沒外加 op-amp，這個問題不存在——VCM 是被動 driver，脫落了頂多沒效，不會反鎖。這也是我建議「沒必要就別跳 RLD」的另一個理由。

踩坑 4：BioZ 電流耦合進 ECG

這是同時啟用 ECG 與 BioZ 通道時很常遇到的問題：BioZ 注入的 kHz 級 AC 電流會耦合到 ECG 通道。一些社群實作經驗（例如 TU Wien 一份 bio-signal 整合論文在類似 wearable 平台上）也回報過必須採用時分量測。

解法：

時分（pseudo-simultaneous）：交替啟用 ECG 跟 BioZ，犧牲時間解析度換乾淨度
或者把 BioZ 電流壓到最小（datasheet 給 8 µA 起跳），並把 ECG LPF 設在 40 Hz 把 BioZ 的 80 kHz 載波濾掉

踩坑 5：電極 cable 太長，遮蔽沒做好

EV kit 給的 cable 是 touchproof 的醫療規格，但我第一版 patch 自己接 1.5m FFC，結果 60 Hz 又回來了。ECG cable 一定要用 shielded twisted pair，shield 接 VCM（不是接 GND）。Patch 設計則應該讓電極離 IC 越近越好（< 5 cm），這也是 chest patch 的優勢。

什麼時候要升級到主動 RLD？

我整理的決策樹：

graph TD
    A[ECG 設計需求] --> B{要送 FDA / CE Class IIa+?}
    B -->|是| C{要求 12-lead 級 CMRR?}
    B -->|否| D[VCM body bias 即可]
    C -->|是| E[外掛 RLD op-amp]
    C -->|否| F{臨床環境多干擾?}
    F -->|手術房, ICU| E
    F -->|門診, 居家| D
    D --> G[2-3 顆元件就搞定]
    E --> H[MAX44260 + 4 顆 R + lead-off switch]

簡單講：消費級 wearable、運動手錶、家用 patch → VCM bias 夠了；醫院監護儀、Holter、過 IEC 60601-2-47 認證 → RLD。

結語

MAX30001 的 datasheet 把三電極設計藏在「Common-Mode Buffer」那一節短短兩句話裡，但這兩句話幾乎決定了你的產品能不能用。VCM body bias 是 80% 場景的最佳解，外掛 RLD 是 20% 高階場景的必須品。

如果你還沒拿到 EV kit，但已經在規劃 ECG 產品，建議直接從 Digi-Key / Mouser 訂一塊 MAX30001EVSYS#（價格自己查當前報價，預算抓百元美金等級），自己貼上身體量一次，比看 100 篇 app note 都有感。等你親眼看過第一次 QRS 從雜訊裡浮出來，所有 RLD、CMRR、IEC 60601 的英文縮寫才會真的進到你的腦袋裡。

下一篇我打算寫「MAX30001 BioZ 量呼吸實戰」——把第四電極加進來、跑 tetrapolar 模式、把胸阻抗信號從 motion artifact 裡撈出來的細節。有興趣的話留言告訴我，我會調整 priority。

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兩電極 ECG 為什麼總是雜訊滿天飛？MAX30001 三電極與 RLD 實戰筆記