可穿戴市場喜迎生物醫(yī)學(xué)“多面手”

簡介

氧飽和度、心電圖、血壓和呼吸頻率的測量過去僅有醫(yī)院監(jiān)護(hù)儀才可提供。這些參數(shù)的監(jiān)測至關(guān)重要，尤其對于有潛在醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)的人員來說，無論是在意外事故后、手術(shù)后，還是在被診斷為患有嚴(yán)重疾病時(shí)。隨著老齡化人口的增加以及對醫(yī)療保健整體支出的強(qiáng)烈關(guān)注，院外醫(yī)療監(jiān)護(hù)已成為一種發(fā)展趨勢。如今，為了及早發(fā)現(xiàn)某些事件，對有潛在風(fēng)險(xiǎn)的患者進(jìn)行日常生活監(jiān)護(hù)，或者讓患者攜帶監(jiān)護(hù)儀由醫(yī)院回到家中，可使其康復(fù)過程更快捷、更舒適。還有第三類用戶也在測量這些參數(shù)，他們以預(yù)防為目的，甚至尚未進(jìn)行任何診斷。

多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀均具有相同的需求：精確、小巧，并且一次充電即可連續(xù)長時(shí)間工作。為了支持這一趨勢，ADI公司已經(jīng)開發(fā)出新的單芯片生物醫(yī)學(xué)模擬前端系列。

市場上有許多可組合兩個(gè)或多個(gè)測量結(jié)果的多參數(shù)系統(tǒng)?？紤]將心率監(jiān)護(hù)儀與運(yùn)動傳感器結(jié)合使用，可以進(jìn)行活動跟蹤，或利用阻抗檢測進(jìn)行心率變異性跟蹤，可用于壓力監(jiān)測或睡眠分析等應(yīng)用。在大多數(shù)情況下，每次測量都由專用模擬前端執(zhí)行，因此需要多個(gè)芯片，每個(gè)芯片都有各自的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、各自至主處理器的接口以及需去耦的多個(gè)電源和基準(zhǔn)電壓。這將導(dǎo)致許多冗余的構(gòu)建模塊，從尺寸和功率角度來看，它并非一個(gè)最優(yōu)的系統(tǒng)。在可穿戴系統(tǒng)中，再沒有什么比擁有一個(gè)可連接各個(gè)傳感器的主信號鏈更方便的了。新型 ADPD4000 生物醫(yī)學(xué)前端產(chǎn)品系列填補(bǔ)了這一市場空白。圖1顯示了ADPD4xxx系列的高級框圖。該前端圍繞兩個(gè)相同的接收通道設(shè)計(jì)而成，可以同步進(jìn)行采樣。每個(gè)通道均以差分方式構(gòu)建，因此可以在單端或差分測量模式下測量任何傳感器輸入。輸入級是一個(gè)具有可編程增益的跨阻放大器，其后接一個(gè)帶通濾波器和一個(gè)積分器，能夠進(jìn)行每個(gè)采樣7.5 pC的積分。其ADC是一款14位逐次逼近寄存器(SAR)轉(zhuǎn)換器，最大采樣速率為1 MSPS。每個(gè)信號鏈的前面是一個(gè)8通道多路復(fù)用器，使模擬前端可以靈活地將各種傳感器信號路由至AFE。

圖1.ADPD4000系列的高級框圖

使用該芯片可測量各種信號，如圖1所示。例如，可以將AFE修改為光學(xué)前端，以測量光電心率或氧飽和度。在該模式下，我們將測量光電流，因此需要使用一個(gè)高跨阻輸入級將電流轉(zhuǎn)換為電壓。我們還需要消除來自環(huán)境光的干擾。另一個(gè)用例是測量來自心電圖(ECG)或EMG傳感器的生物電勢信號。
這時(shí)需要不同的輸入信號鏈設(shè)置，需要重新配置前端設(shè)置。在接收信號鏈的旁邊，該芯片還支持八個(gè)輸出驅(qū)動器，可用于提供激勵(lì)信號。您可以配置一個(gè)或多個(gè)輸出來驅(qū)動LED進(jìn)行光學(xué)測量，或者可以將一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動器輸出用作激勵(lì)進(jìn)行阻抗測量，可以在執(zhí)行生物電測量時(shí)測量皮膚阻抗（皮膚電活動(EDA)）或電極阻抗（影響測量質(zhì)量）。

該芯片允許用戶在特定時(shí)隙中對每個(gè)配置或測量進(jìn)行預(yù)編程。它最多支持12個(gè)時(shí)隙，這使系統(tǒng)一經(jīng)配置便非常易于使用。此外，該芯片無需額外的處理器資源，從而有助于最大程度地降低系統(tǒng)總功耗。可在芯片內(nèi)進(jìn)行過采樣和采樣平均，以提高ADC的有效位數(shù)(ENOB)。數(shù)據(jù)抽取路徑為32位寬。測量結(jié)果可以存儲在深度為256字節(jié)或512字節(jié)的FIFO（ADPD400x或ADPD410x）中。

集成的時(shí)間戳功能可支持來自多個(gè)連接傳感器的數(shù)據(jù)樣本之間的同步。如需使用多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)來確定不同測量結(jié)果之間的相關(guān)性，則需要此功能。圖2顯示了如何將該芯片用于ECG測量，并與光電容積脈搏波(PPG)測量同步。基于脈沖傳播時(shí)間(PPT)測量技術(shù)，可以連續(xù)模式進(jìn)行血壓測量。這對于高血壓患者非常有吸引力。時(shí)間戳功能使之成為可能。

圖2 同時(shí)進(jìn)行ECG和PPG測量以估測血壓

圖3a顯示了如何支持時(shí)隙工作的原理。每個(gè)時(shí)隙均從一個(gè)前置脈沖開始，后接一個(gè)激勵(lì)脈沖，最后是一個(gè)光電二極管電流或來自另一個(gè)傳感器信號（由ADC采樣）的信號。

圖3b顯示了工作時(shí)序的示例。上電后，進(jìn)行復(fù)位操作，芯片進(jìn)入睡眠模式。芯片喚醒后，可以依次采樣兩個(gè)ECG信號（例如，LEAD I和LEAD II），然后進(jìn)行光學(xué)測量以獲取SpO2讀數(shù)，并進(jìn)行阻抗測量以測量皮膚電導(dǎo)率（EDA/壓力）。下面章節(jié)將介紹獲得這些測量值的過程。

ECG測量變得更加輕松

ECG測量的是人體心臟由于每次心跳使心肌去極化和復(fù)極化而產(chǎn)生的電信號。信號幅度通常為0.5 mV至4 mV，測量頻率范圍在0.05 Hz至40 Hz之間?？梢詧?zhí)行ECG僅測量心率，但是在許多用例中，我們對波形本身更感興趣，它可以用作心臟功能測量或潛在心臟病事件（如心房顫動或持續(xù)高血壓）的預(yù)警?？梢酝ㄟ^將電極與皮膚相連來監(jiān)測心臟活動。為了在診斷應(yīng)用中確保與人體的良好接觸，通常采用濕電極。最常見的是銀/氯化銀(Ag/AgCl)電極。在院外應(yīng)用中，這些電極很不舒適，并且容易變干或刺激皮膚。此外，盡管干電極很常用，但是皮膚與電極之間的接觸導(dǎo)電性會降低，并且干電極對運(yùn)動偽影更敏感，將導(dǎo)致讀數(shù)不精確。

在院外（門診）應(yīng)用中，始終需要在高質(zhì)量電極與舒適性之間進(jìn)行權(quán)衡。ADPD4000系列可以解決這一問題，不管電極質(zhì)量如何，都能提供精確的測量。ECG電路并不使用電壓輸入，而是測量檢測電容上累積的電荷。通過從無源RC網(wǎng)絡(luò)和采樣速率計(jì)算出的最佳時(shí)間常數(shù)，充電過程可消除皮膚與電極接觸阻抗的變化。圖1顯示了如何通過RC網(wǎng)絡(luò)將ECG信號耦合到芯片中。該ECG電路具有固有的抗擾性，不受皮膚與電極之間接觸阻抗變化的影響。

圖3 時(shí)隙工作和ADPD4000測量時(shí)序的示例

圖4 使用不同電極測得的兩個(gè)ECG波形

圖4顯示了兩個(gè)ECG波形。藍(lán)色波形測量結(jié)果采用高質(zhì)量電極，其串聯(lián)阻抗為51 kΩ，電容為47 nF。而紅色波形測量結(jié)果則采用質(zhì)量較差的高串聯(lián)阻抗電極。其接觸阻抗為510 kΩ，電容為4.7 nF。我們可以看到，ADPD4000測得的兩個(gè)波形幾乎完全相同，而與電極質(zhì)量無關(guān)。與市場上的替代解決方案相比，這是該前端的巨大優(yōu)勢。另一個(gè)優(yōu)勢是該電路具有極高的功效比，因?yàn)樵诔潆婋娙萆喜东@ECG信號時(shí)不必激活該電路。再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其功耗僅為150 μW至200 μW。

PPG和生物阻抗測量

對于光學(xué)和生物阻抗測量，分別需要發(fā)光二極管驅(qū)動器發(fā)光和向體內(nèi)激勵(lì)電流。在許多光學(xué)系統(tǒng)中，需使用不止一種波長，因此該芯片的多功能性非常令人期待。ADPD4000具有八個(gè)輸出驅(qū)動器，其中四個(gè)通道可同時(shí)使用，每個(gè)輸出的可編程輸出電流最大為200 mA，而整個(gè)驅(qū)動器部分則為400 mA。根據(jù)配置，可以多時(shí)隙工作，每個(gè)時(shí)隙都以各自的波長來測量光電心率、SpO2、水合或脫水等。每個(gè)接收信號鏈均具有一個(gè)可編程跨阻放大器，其后是一個(gè)雙級抑制模塊，以消除環(huán)境光干擾。對于ADPD41xx系列，發(fā)送/接收信號鏈的信噪比(SNR)高達(dá)100 dB，這使其非常適合對噪聲敏感的光學(xué)測量，例如氧飽和度測量或血壓估測。光學(xué)系統(tǒng)的功耗在很大程度上取決于系統(tǒng)配置，例如采樣與抽取速率和所使用的LED電流。這也與在用戶身體上的位置和膚色成比例關(guān)系。

許多可穿戴系統(tǒng)還可測量皮膚電導(dǎo)率，適合EDA、壓力或精神狀態(tài)監(jiān)測等應(yīng)用。測量壓降需要激勵(lì)電流。ADPD4000系列支持此用例。該芯片可以配置為2線或4線測量模式。它不包含增強(qiáng)型波形發(fā)生器和DFT引擎，因此，在需要阻抗光譜的情況下，應(yīng)使用配套芯片 AD5940 以輔助ADPD4000。阻抗功能還可用于測量電極質(zhì)量或?qū)Ь€脫落檢測。

由于ADPD4xxx配備8通道多路復(fù)用器，因此還可以支持使用輔助輸入測量系統(tǒng)中的電壓、電容、溫度或運(yùn)動。

理想之選

ADPD4000/ ADPD4001 的推出，解決了設(shè)計(jì)人員在穿戴式設(shè)備、人體貼片或給藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)中面臨的許多挑戰(zhàn)。對于每種用例，性能、尺寸和功耗都至關(guān)重要。這款新型生物醫(yī)學(xué)前端具有高性能的雙通道傳感器輸入級、激勵(lì)通道、數(shù)字處理器和時(shí)序控制，可以滿足這些要求。ADPD4000和ADPD4001已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，現(xiàn)已上市，而下一代ADPD4100/ADPD4101預(yù)計(jì)將于2020年第一季度上市。新一代產(chǎn)品具有改進(jìn)的信噪比規(guī)格和其他功能，有助于進(jìn)一步降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。盡管所有這些功能都包含在單芯片中，但電子設(shè)計(jì)工程師的工作并不會因此而變得多余，因?yàn)樾枰M(jìn)行多個(gè)參數(shù)配置，以使每個(gè)系統(tǒng)具有各自的特征。 About the Author

作者簡介

Jan-Hein Broeders是ADI公司負(fù)責(zé)歐洲、中東和非洲市場的醫(yī)療健康業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理。他與醫(yī)療健康行業(yè)密切合作，將他們現(xiàn)在和將來的需求轉(zhuǎn)化為各種解決方案，這些方案基于ADI公司市場領(lǐng)先的線性和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)以及數(shù)字信號處理與電源產(chǎn)品。25余年前，Jan-Hein開始從事半導(dǎo)體行業(yè)，擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師，自2008年起開始擔(dān)任目前的醫(yī)療健康部職務(wù)。他擁有荷蘭斯海爾托亨博斯大學(xué)的電氣工程學(xué)士學(xué)位。