多參數(shù)生命體征監(jiān)測比以往任何時候都更容易

作者：Yigit Yoleri and Guixue (Glen) Bu

過去十年見證了移動、可穿戴和數(shù)字健康領域的巨大進步。特別是，在電子技術的不斷進步以及云計算、人工智能 （AI） 以及物聯(lián)網 （IoT） 和 5G 等通信技術的最新突破的推動下，數(shù)字醫(yī)療保健的迅速擴張和采用。一些生命體征監(jiān)測（VSM）功能已內置于手機、手表和其他智能可穿戴設備中，因此已被更廣泛的人群使用。健康意識的提高引起了對小型但高精度設備的需求，這些設備可以測量各種生命體征和健康標志物，例如體溫，心率，呼吸頻率，血氧飽和度水平（SpO2）、血壓和身體成分。特別是，COVID-19 大流行導致對能夠監(jiān)測多種生命體征（包括溫度、SpO ）的設備的需求激增2，以及醫(yī)院和家庭的心率。對小型方便的健康跟蹤設備（最好是智能可穿戴設備）的需求已達到歷史最高水平。

為此類小型設備添加多種傳感功能有其挑戰(zhàn)，需要更小的外形尺寸、更低的功耗和多參數(shù)功能，并顯著提高性能。但是，現(xiàn)在可以通過單個模擬前端解決方案來實現(xiàn)這一點。這種新的AFE可用作同步測量的多參數(shù)生命體征監(jiān)測中心。它具有低噪聲、高信噪比 （SNR）、小尺寸和低功耗等特性，可顯著改進醫(yī)療設備，尤其是可穿戴技術。對于醫(yī)生、患者和消費者來說，這使得生命體征監(jiān)測比以前更容易，具有更高的性能、更長的電池壽命和更高的準確性，而不會受到多個設備的干擾。本文討論了這種單一模擬前端解決方案的一些突破性功能和特性。

新型模擬前端概述

ADPD4100/ADPD4101是一款多模態(tài)傳感器AFE，具有8個模擬輸入，支持多達12個可編程時隙。 12 個時隙可以在一個采樣周期內實現(xiàn) 12 個單獨的測量。八個模擬輸入多路復用為單個通道或兩個獨立通道，支持在單端或差分配置中同時對兩個傳感器進行采樣。有八個 LED 驅動器可同時驅動多達四個 LED。這些 LED 驅動器是吸電流器，與 LED 電源電壓和 LED 類型無關。有兩個脈沖電壓源用于電壓激勵。新型AFE的信號路徑由跨阻放大器（TIA）、帶通濾波器（BPF）、積分器（INT）和模數(shù)轉換器（ADC）級組成。數(shù)字模塊提供多種工作模式、可編程時序、通用輸入/輸出 （GPIO） 控制、模塊平均和可選的二階至四階級聯(lián)積分器梳狀 （CIC） 濾波器。數(shù)據(jù)直接從數(shù)據(jù)寄存器或通過先進先出（FIFO）方法讀取。

這種新的AFE有兩種變體。一個具有I2C通信接口，另一個具有SPI端口。ADPD4100/ADPD4101的優(yōu)勢之一與光學測量有關。其卓越的自動環(huán)境光抑制能力在與 BPF 相結合的同步調制方案中使用短至 1 μs 的脈沖，無需外部控制環(huán)路、直流電流減法或數(shù)字算法。可以使用高于1的抽取因子來提高輸出SNR。有一個子采樣功能，允許選定的時隙以比編程采樣率慢的采樣速率運行，以節(jié)省功耗，其中功率與采樣率成正比。此外，TIA 天花板檢測功能可在 TIA 輸入超出典型工作限值時，使用 TIA 輸出端子上的電壓比較器設置中斷位。

ADPD4100/ADPD4101是可穿戴健康和健身設備中各種電氣和光學傳感器的理想中樞，用于心率和心率變異性（HRV）監(jiān)測、血壓估計、壓力和睡眠跟蹤以及SpO2測量。這種新型多參數(shù)VSM AFE的多種操作模式可以適應各種傳感器測量，包括但不限于醫(yī)療保健應用中的光電容積脈搏波（PPG）、心電圖（ECG）、皮膚電活動（EDA）、身體成分、呼吸、溫度和環(huán)境光測量。

PPG 測量

PPG測量檢測與每個心動周期相關的組織微血管床中的血容量變化。光的總吸收與收縮和舒張事件引起的血容量變化相關，產生PPG信號。PPG測量是通過將LED光脈沖到人體組織中，并使用光電二極管收集產生的反射/透射光，將光轉換為光電流來進行的。ADPD4100/ADPD4101處理和測量光電流并產生數(shù)字PPG信號。無需對硬件連接進行任何更改，AFE可以靈活配置為針對不同的PPG測量用例以四種不同的模式運行：連續(xù)連接模式、多積分模式、浮動模式和數(shù)字積分模式。

圖1.典型的PPG電路。

連續(xù)連接模式

連續(xù)連接模式是PPG測量的典型模式。它提供最佳的環(huán)境光抑制，并提供高信噪比。它適用于低至 5 nA/mA 至 10 nA/mA 的電荷轉移比（CTR、光電流與 LED 電流的關系）水平，可提供 95 dB 至 100 dB 直流 SNR。這些水平可以隨著抽取因子的增加而增加。它使用完整的模擬信號路徑，TIA + BPF + INT + ADC。每次ADC轉換一次輸入電荷。在像PPG這樣的單個激勵事件中，積分器的大部分動態(tài)范圍在積分來自傳感器響應的電荷時被使用。TIA 在預處理周期后連續(xù)連接到輸入;因此，輸入信號不會被調制。為了降低噪聲，光電二極管的陽極被預調節(jié)到TIA的基準電壓（TIA_V裁判).TIA_V裁判通常設置為 1.27 V 以獲得 TIA 的最大動態(tài)范圍。光電二極管的陰極連接到陰極電壓源（VCx）引腳，該器件通常設置為提供TIA_V裁判+ 215 mV 到光電二極管的陰極，以在光電二極管上產生 215 mV 反向偏置。這降低了信號路徑和光電二極管電容的噪聲。在此模式下，典型 LED 脈沖寬度為 2 μs。短 LED 脈沖可提供最佳的環(huán)境光抑制性能。使用多個LED脈沖可使脈沖數(shù)每增加一倍，SNR增加3 dB。積分器斬波通常能夠獲得最高的SNR，因為斬波消除了積分器的低頻噪聲成分。TIA 增益選擇越高，折合到輸入端的噪聲就越低，但會減小 TIA 的動態(tài)范圍。TIA 的動態(tài)范圍由動態(tài)范圍 = （TIA_V裁判）/（TIA 增益）。為了提高ADC飽和水平，可以降低TIA增益，或者增加積分器電阻。較高的積分器電阻選擇可降低噪聲，但較低的積分器電阻選擇可增加環(huán)境光裕量。

多種集成模式

多重積分模式與連續(xù)連接模式相同，只是每次ADC轉換多次積分輸入電荷。此模式可用于在低光照情況下獲得高SNR，因為它在每個刺激事件中使用少量，有時不到動態(tài)范圍的50%。因此，由于在ADC轉換之前進行多次積分，它允許利用更多的積分器動態(tài)范圍。每個ADC轉換的積分數(shù)量每增加一倍，SNR就會增加3 dB，這與脈沖數(shù)量增加一倍的效果相同。由于此模式是小輸入的典型模式，因此選擇最高的TIA增益。此模式用于CTR低于5 nA/mA且需要良好環(huán)境光抑制的情況。

浮動模式

浮動模式也用于低光情況下以獲得高信噪比。浮動模式允許光電二極管上無噪聲電荷累積。光電二極管與AFE斷開連接，因此浮動，并以無噪聲的方式因光而積累電荷。然后，AFE連接回光電二極管，光電二極管上的電荷沖入AFE，并且積分的方式允許每個脈沖處理最大電荷量，信號路徑增加的噪聲量最小。電荷的傾倒在短調制脈沖下迅速發(fā)生;因此，由于信號路徑而增加的噪聲較小。此外，可以增加浮動時間以實現(xiàn)更高的信號電平，但光電二極管電容可以累積的電荷量是有限的。在這種模式下，帶通濾波器（BPF）被旁路，因為當通過調制與TIA的連接從光電二極管轉移電荷時，產生的信號形狀可能因器件和條件而異。為了可靠地將信號與積分序列對齊，必須旁路BPF。該模式不能提供良好的環(huán)境光抑制性能，并且受到光電二極管電容的限制，但它在非常低的光照條件下提供了節(jié)能且噪聲較小的測量。

低光照條件下的浮動模式與多種積分模式選擇

在CTR為<5 nA/mA的低光照條件下，典型的工作模式是浮動模式。它提供比多積分模式更低的噪聲，因為多積分模式需要更多的積分周期，導致更高的TIA和積分器噪聲貢獻。浮動模式也比多重積分模式更節(jié)能，因為BPF斷電且測量時間更短。因此，在浮動模式下，每瓦SNR效率明顯更高。

當光電二極管泄漏或PPG測量中存在大量環(huán)境光時，首選多重積分模式。泄漏光電二極管不能與浮動模式一起使用，因為電荷會泄漏，而不是在快速電荷轉儲發(fā)生之前累積。如果環(huán)境光很大，則浮動模式不利，因為環(huán)境光主導了光電二極管上可以存儲的電荷量。多重集成固有地提供了出色的環(huán)境光抑制，因為使用了BPF和短LED脈沖。

數(shù)字集成模式

到目前為止提到的所有模式都使用積分器來積分傳入的費用。ADC樣本也可以通過數(shù)字積分模式進行數(shù)字積分。為了實現(xiàn)數(shù)字積分，積分器被轉換為緩沖器。數(shù)字集成模式適用于兩個區(qū)域。在亮區(qū)域，LED 是脈沖的，在暗區(qū)，LED 是熄滅的。 ADC 采樣在亮區(qū)和暗區(qū)以 1 μs 的間隔采集，并以數(shù)字方式進行積分。信號是通過從照明樣本中減去暗樣本的積分來計算的。此模式可支持更長的 LED 脈沖;因此，這是光電二極管響應時間較慢且需要較長脈沖的典型工作模式。BPF 被旁路并斷電。數(shù)字積分模式提供最佳的電源效率，并實現(xiàn)最高的SNR水平。然而，由于更長的LED脈沖和旁路BPF，環(huán)境光抑制低于連續(xù)連接模式。數(shù)字積分模式不支持在同一時隙內同時采樣兩個通道。數(shù)字積分模式可支持100+ dB直流信噪比。

數(shù)字集成模式的優(yōu)缺點

如前所述，PPG測量的典型工作模式是連續(xù)連接模式，因為它在CTR大于5 nA/mA的條件下提供高SNR和出色的環(huán)境光抑制。然而，數(shù)字積分模式可實現(xiàn)最高的SNR水平，并提供優(yōu)化的每瓦SNR效率。因此，如果環(huán)境光對應用來說不是問題，并且目標直流SNR高于85 dB，則可以選擇數(shù)字積分模式以有效地實現(xiàn)高SNR。如果目標直流SNR低于85 dB，則與連續(xù)連接模式相比，數(shù)字集成的功耗節(jié)省并不顯著。

總而言之，如果光電二極管響應時間較慢，需要更長的脈沖，或者不需要在一個時隙內同時采樣兩個通道，則可以選擇數(shù)字積分模式。此外，當環(huán)境光不是問題且目標直流SNR高于85 dB時，選擇數(shù)字積分模式將實現(xiàn)電源效率。

PPG 應用

鑒于 COVID-19 大流行，PPG 應用在生命體征監(jiān)測和健康診斷中變得更加重要。此外，多個指標對于檢測至關重要。例如，一些關鍵的生命體征測量包括心率監(jiān)測 （HRM）、HRV 和血氧飽和度 （SpO2），可以通過脈搏血氧儀和血壓進行測量。

光學和非侵入性SpO2監(jiān)測，也稱為脈搏血氧儀，在檢測 COVID-19 患者的缺氧方面變得非常有價值。缺氧是 COVID-19 的主要癥狀之一，是剝奪身體組織的氧氣供應。缺氧也可能導致心率加快;因此，光學和無創(chuàng)心率監(jiān)測對于檢測也至關重要。

即使未來可穿戴設備不需要，但多種測量功能的集成是最佳的，這使得ADPD4100/ADPD4101極具優(yōu)勢。該AFE測量任何類型的傳感器輸入（包括溫度，ECG和呼吸測量）。因此，只需一個傳感器AFE即可建立完整的多參數(shù)VSM平臺。

脈搏血氧飽和度—SpO2 測量

脈搏血氧飽和度測定通過紅色（通常為 660 nm 波長）和紅外 （IR） LED（通常為 940 nm 波長）完成。脫氧血紅蛋白吸收更多的660nm波長光，氧合血紅蛋白吸收更多的940nm波長。光電二極管感知未吸收的光。然后將感知到的信號分為直流和交流分量。直流分量表示組織、靜脈血和非搏動性動脈血對光的吸收。交流成分代表搏動性動脈血。The SpO2然后由以下公式計算百分比：

%SpO2= （交流電）紅/直流紅）/（交流電紅外/直流紅外)

ADPD4100/ADPD4101的任意兩個時隙可以配置為測量對紅色和紅外LED的響應，以測量SpO2.其余時隙可以配置為測量來自不同波長LED的PPG，還可以支持ECG測量、導聯(lián)脫落檢測、呼吸測量和任何其他傳感器測量。

圖2顯示了同步的紅色、綠色和IR PPG信號，以及IR信號的交流和直流部分作為示例。

圖2.紅色、綠色和紅外 PPG 標有紅外 PPG 信號的交流和直流部分。

心率監(jiān)測

心率監(jiān)測對于檢測COVID-19也至關重要。當氧氣供應因缺氧而下降時，心臟開始跳動得更快，以便為組織提供足夠的氧氣。監(jiān)測心率在檢測心臟問題或跟蹤健身行為方面也很有價值。

波長約為 540 nm 的綠色 LED 通常是心率監(jiān)測的首選。它產生最佳的PPG信號，因為它具有比紅色或紅外LED更高的調制指數(shù)。它還提供了不錯的點擊率水平;因此，功耗不會太高。

交流信噪比是信號質量的參數(shù)，可以通過直流信噪比倍調制指數(shù)計算。例如，當調制指數(shù)為1%時，95 dB 直流信噪比轉換為 55 dB 交流信噪比。

心電圖測量

心電圖測量已被添加到可穿戴設備中，例如用于抽查的手表和用于連續(xù)監(jiān)測的胸貼。由金屬和其他導電材料制成的電極，極化并稱為干電極，通常在此類設備中找到。使用干電極進行ECG測量的主要挑戰(zhàn)是電極-皮膚接觸阻抗高和相對較高的過電位。

傳統(tǒng)的基于儀表放大器的ECG解決方案使用緩沖器來減輕與信號衰減相關的高電極-皮膚接觸阻抗。右腿驅動（RLD）技術需要第三個電極并將參考電壓驅動回身體，用于抑制人體，電極和電纜在測量電壓的ECG系統(tǒng)中暴露的共模電壓。

當應用于ECG測量時，ADPD4100/ADPD4101采用一種新穎的方法，使用無源電阻電容（RC）電路跟蹤一對電極上的差分電壓。無源RC電路可以簡單到三個元件，兩個電阻RS和一個電容器 CS，如圖 3a 所示。對于每個心電圖數(shù)據(jù)樣本，這是一個兩步過程。

兩個輸入引腳（IN7和 IN8） 在充電步驟中浮動。電容器 C 上的電荷S如果充電時間為 >3τ，則與兩個電極上的差分電壓成正比，其中 τ 是由 R 定義的時間常數(shù)S和 CS， τ=2RSCS.在電荷轉移步驟中，電容器連接到TIA，電荷轉移到AFE進行測量。這種基于電荷測量的ECG解決方案具有多種優(yōu)勢，包括省去了RLD的緩沖器和第三個電極，通過更少的外部元件縮小了系統(tǒng)尺寸，并節(jié)省了功耗。

圖3.心電圖測量配置。（a） RC采樣電路和導聯(lián)脫落檢測電路。（b） 每個心電圖數(shù)據(jù)樣本的充電和電荷轉移過程圖示。

利用ADPD4100/ADPD4101的設計靈活性，使用基于生物阻抗的方法，可以方便地將導聯(lián)脫落檢測添加到該ECG解決方案中。圖3a顯示了導聯(lián)脫落檢測電路，該電路將脈沖驅動到一個電極，在另一個電極上接收電流。如果一個或兩個電極與皮膚分離，則路徑斷開，不接收電流。圖4顯示了用于導聯(lián)脫落檢測的ECG和接收電流的跡線，其中ECG在時隙A中測量，導聯(lián)脫落檢測在時隙B中測量。

與傳統(tǒng)ECG解決方案中用于導聯(lián)脫落檢測的上拉電阻電路相比，后者會影響ECG電路的輸入阻抗，這種在獨立時隙中基于生物阻抗的導聯(lián)脫落檢測對ECG測量沒有影響。使用這種直流耦合電路，一旦電極與皮膚接觸重新建立，就會捕獲ECG。

圖4.心電圖測量和導聯(lián)脫落檢測。通過直流耦合瞬時恢復心電圖。

基于阻抗的呼吸測量

使用 ADPD4100/ADPD4101 進行呼吸測量可檢測吸氣和呼氣循環(huán)期間肺部的生物阻抗變化。用于重癥監(jiān)護病房 （ICU） 和睡眠期間患者監(jiān)測的呼吸測量允許患者管理和及時報警以挽救生命。對于有呼吸系統(tǒng)疾病和睡眠呼吸暫停的患者至關重要。僅睡眠呼吸暫停就是一種公共衛(wèi)生和安全威脅，美國有超過2500萬成年人患病1

當患者呼吸時，肺的體積膨脹和收縮，導致胸部阻抗的變化。阻抗變化可以通過向胸部的路徑注入電流并測量壓降來測量。圖5a顯示了一個參考設計，該設計采用兩個電極進行ECG測量和呼吸監(jiān)測。圖5b顯示了同步記錄的ECG、呼吸相關阻抗波和PPG。使用左右手腕上的不銹鋼干電極測量心電圖和呼吸，使用綠色LED測量PPG。

圖5.心電圖和呼吸測量。（a） 用于睡眠浮動心電圖和開爾文傳感方法呼吸測量的外部電路。（b） 同步心電圖、呼吸和PPG測量的例子。

總結

生命體征監(jiān)測以智能可穿戴設備的形式擴大了其在消費市場的存在?？纱┐髟O備生成的健康信息可以在健康和疾病管理中發(fā)揮重要作用。為了滿足需求并使更廣泛的人群能夠使用這些設備，設計人員必須考慮成本、尺寸和功耗等常見要求。ADI公司的突破性AFEADPD4100/ADPD4101展示了其作為多參數(shù)生命體征監(jiān)測中心的巨大優(yōu)勢。單個AFE設計減少了多參數(shù)VSM系統(tǒng)的IC數(shù)量，從而大大降低了成本和尺寸。此外，采用ADPD4100/ADPD4101設計的多參數(shù)系統(tǒng)可生成同步數(shù)據(jù)，并消除數(shù)據(jù)同步的負擔。

審核編輯：郭婷