生命體征監(jiān)測(cè)技術(shù)：對(duì)人體實(shí)施狀態(tài)監(jiān)控

作者：ADI現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師 Cosimo Carriero

簡(jiǎn)介

生命體征監(jiān)測(cè)已經(jīng)超出醫(yī)療實(shí)踐的范圍，進(jìn)入我們?nèi)粘Ｉ畹亩鄠€(gè)領(lǐng)域。最初，生命體征監(jiān)測(cè)是在嚴(yán)格的醫(yī)療監(jiān)督下，在醫(yī)院和診所進(jìn)行。微電子技術(shù)的進(jìn)步降低了監(jiān)控系統(tǒng)的成本，使這些技術(shù)在遠(yuǎn)程醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)、健身和健康、工作場(chǎng)所安全等領(lǐng)域更加普及和普遍，在越來(lái)越關(guān)注自動(dòng)駕駛的汽車(chē)市場(chǎng)也是如此。雖然實(shí)現(xiàn)了這些擴(kuò)展，但是因?yàn)檫@些應(yīng)用都與健康高度相關(guān)，所以仍然保持很高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

生命體征

生命體征監(jiān)測(cè)包括測(cè)量一系列能顯示個(gè)人健康狀況的生理參數(shù)。心率是最常見(jiàn)的參數(shù)之一，可以通過(guò)心電圖來(lái)檢測(cè)，心電圖可以測(cè)量心跳的頻率，最重要的是，可以測(cè)量心跳的變化。心率變化往往由活動(dòng)引起。在睡眠或休息時(shí)，節(jié)奏較慢，但往往會(huì)隨著身體活動(dòng)、情緒反應(yīng)、壓力或焦慮等因素而加快。

心率超出正常范圍可能表明存在諸如心動(dòng)過(guò)緩（心率過(guò)低時(shí)）或心動(dòng)過(guò)速（心率過(guò)高時(shí)）等疾病。呼吸是另一個(gè)關(guān)鍵生命體征。血液的氧合程度可以使用一種名為光電容積脈搏波（PPG）的技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。缺氧可能與影響呼吸系統(tǒng)的疾病發(fā)作或紊亂有關(guān)。其他能夠反映個(gè)人身體狀況的生命體征測(cè)量因素包括血壓、體溫和皮膚電導(dǎo)反應(yīng)等。皮膚電導(dǎo)反應(yīng)，又稱皮膚電反應(yīng)，與交感神經(jīng)系統(tǒng)密切相關(guān)，反過(guò)來(lái)又會(huì)直接參與調(diào)解情緒性行為。測(cè)量皮膚電導(dǎo)率可以反映病人的壓力、疲勞、精神狀態(tài)和情緒化響應(yīng)等狀況。此外，通過(guò)測(cè)量身體成分、瘦體質(zhì)量和脂肪體質(zhì)量的百分比，以及水合作用和營(yíng)養(yǎng)程度，可以清楚展現(xiàn)個(gè)人的臨床狀態(tài)。最后，測(cè)量運(yùn)動(dòng)和姿勢(shì)可以提供有關(guān)受試者活動(dòng)的有用信息。

圖1.用于光學(xué)測(cè)量的信號(hào)鏈

測(cè)量生命體征的技術(shù)

為了監(jiān)測(cè)心率、呼吸、血壓和溫度、皮膚電導(dǎo)率和身體成分等生命體征，需要采用各種傳感器，且解決方案必須緊湊、節(jié)能和可靠。生命體征監(jiān)測(cè)包括：

• 光學(xué)測(cè)量
• 生物電勢(shì)測(cè)量
• 阻抗測(cè)量
• 使用MEMS傳感器進(jìn)行的測(cè)量

圖2.一個(gè)完整的生物電和生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)

光學(xué)測(cè)量

光學(xué)測(cè)量超越了標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體技術(shù)。為了進(jìn)行這種類型的測(cè)量，需要一個(gè)光學(xué)測(cè)量工具箱。圖1所示為光學(xué)測(cè)量的典型信號(hào)鏈。需要使用光源（通常是LED）來(lái)生成光信號(hào)，它可能由不同的波長(zhǎng)組成。幾種波長(zhǎng)組合在一起，可以實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量精度。還需要使用一系列硅或鍺傳感器（光電二極管）將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，也稱為光電流。光電二極管在響應(yīng)光源的波長(zhǎng)時(shí)，必須具備足夠的靈敏度和線性度。之后，光電流必須被放大和轉(zhuǎn)換，因此需要高性能、節(jié)能、多通道模擬前端，以控制LED、放大和過(guò)濾模擬信號(hào)，并按照所需的分辨率和精度進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

光學(xué)系統(tǒng)封裝也具有重要作用。封裝不僅是一個(gè)容器，還是包含一個(gè)或多個(gè)光學(xué)窗口的系統(tǒng)，可以過(guò)濾射出和射入的光，但不會(huì)產(chǎn)生過(guò)度的衰減或反射，從而損害信號(hào)的完整性。為了創(chuàng)建緊湊的多芯片系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)封裝還必須包含多個(gè)器件，包括LED、光電二極管、模擬和數(shù)字處理芯片。最后，一種能夠創(chuàng)建光學(xué)濾波器的涂層技術(shù)也是選擇應(yīng)用所需的光譜部分和消除不需要的信號(hào)所建議的。即使在陽(yáng)光下，該應(yīng)用也必須能正常運(yùn)行。如果沒(méi)有光學(xué)濾波器，信號(hào)的大小會(huì)使模擬鏈飽和，使得電子器件不能正常工作。

ADI公司提供一系列光電二極管和各種模擬前端，能夠處理從光電二極管接收到的信號(hào)并控制LED。也提供完整的光學(xué)系統(tǒng)，它將LED、光電二極管和前端集成到一個(gè)器件中，例如ADPD188。

生物電勢(shì)和生物阻抗測(cè)量

生物電勢(shì)是一種電信號(hào)，由我們體內(nèi)的電化學(xué)活動(dòng)的效應(yīng)引起。生物電勢(shì)測(cè)量示例包括心電圖（ECG）和腦電圖。它們?cè)诖嬖诙囗?xiàng)干擾的頻段中，檢查極低幅度的信號(hào)。因此，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理之前，必須對(duì)其進(jìn)行放大和濾波。ECG生物電勢(shì)測(cè)量廣泛用于生命體征監(jiān)測(cè)，ADI公司提供多種組件來(lái)執(zhí)行此任務(wù)，包括AD8233、ADAS1000芯片系列。

AD8233專為可穿戴應(yīng)用設(shè)計(jì)，可與ADuCM3029（基于Cortex?-M3的片上系統(tǒng)（SoC））相結(jié)合，創(chuàng)建一個(gè)完整的系統(tǒng)。此外，ADAS1000系列專為高端應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有低能耗高性能的優(yōu)點(diǎn)，特別適合由電池供電的便攜式設(shè)備，且功率和噪音可擴(kuò)展（即，噪聲水平可以隨著功耗的增加成比例降低），是非常適合clinical級(jí)別的應(yīng)用的出色集成解決方案。

生物阻抗是另一種測(cè)量方法，可以提供有關(guān)身體狀態(tài)的有用信息。阻抗測(cè)量提供有關(guān)電化學(xué)活動(dòng)、身體成分和水合狀態(tài)的信息。測(cè)量每個(gè)參數(shù)需要使用不同的測(cè)量技術(shù)。每種測(cè)量技術(shù)所需的電極數(shù)量，以及應(yīng)用該技術(shù)的時(shí)間點(diǎn)都因使用的頻率范圍而異。

例如，在測(cè)量皮膚阻抗時(shí)使用低頻率（高達(dá)200 Hz），而在測(cè)量人體成分時(shí)，通常使用50 kHz固定頻率。同樣，為了測(cè)量水合作用，并正確地評(píng)估細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的液體，會(huì)使用不同的頻率。

雖然技術(shù)可能不同，但可以使用一個(gè)單端AD5940來(lái)實(shí)施所有生物阻抗和阻抗測(cè)量。此器件提供激勵(lì)信號(hào)和完整的阻抗測(cè)量鏈，可生成不同的頻率來(lái)滿足多種測(cè)量要求。此外，AD5940專用于和AD8233配合使用，用于創(chuàng)建一個(gè)全面的生物阻抗和生物電勢(shì)讀取系統(tǒng)，如圖2所示。其他用于阻抗測(cè)量的器件包括ADuCM35x系列SoC解決方案。除了專用的模擬前端之外，該解決方案還提供Cortex-M3微控制器、內(nèi)存、硬件加速器和用于電化學(xué)傳感器和生物傳感器的通信外設(shè)。

使用MEMS傳感器進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)測(cè)量

由于MEMS傳感器可以檢測(cè)重力加速度，所以它們可用于檢測(cè)活動(dòng)和異常，如不穩(wěn)定的步態(tài)、跌倒或腦震蕩，甚至是在受試者休息時(shí)監(jiān)測(cè)其姿勢(shì)。此外，MEMS傳感器還可作為光學(xué)傳感器的補(bǔ)充，因?yàn)楹笳咭资芤苿?dòng)偽影影響；當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，可以使用加速度計(jì)提供的信息來(lái)進(jìn)行校正。ADXL362是醫(yī)療領(lǐng)域的熱門(mén)器件之一，也是目前市場(chǎng)上能耗最低的三軸加速度計(jì)。它具有2 g至8 g的可編程測(cè)量范圍和數(shù)字輸出。

圖3.ADPD4000用于實(shí)施光電、生物電勢(shì)、生物阻抗和溫度測(cè)量

ADPD4000：通用模擬前端

目前市面上提供的可穿戴設(shè)備（例如智能手環(huán)和智能手表）都提供多種生命體征監(jiān)測(cè)功能。其中最常見(jiàn)的是心率監(jiān)護(hù)儀、計(jì)步器和卡路里計(jì)算器。此外，還經(jīng)常測(cè)量血壓和體溫、皮膚電活動(dòng)、血容量變化（通過(guò)光電容積脈搏波），以及其他指標(biāo)。隨著監(jiān)測(cè)選項(xiàng)的數(shù)目增加，對(duì)高度集成的電子組件的需求也不斷增加。ADPD4000采用極為靈活的架構(gòu)，旨在幫助設(shè)計(jì)人員滿足此需求。除了提供生物電勢(shì)和生物阻抗讀數(shù)外，它還可以管理光電式測(cè)量前端、引導(dǎo)LED和讀取光電二極管。ADPD4000配有一個(gè)用于補(bǔ)償?shù)?a href="http://srfitnesspt.com/tags/溫度傳感器/" target="_blank">溫度傳感器和一個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣，可以引導(dǎo)所需的輸出和獲取信號(hào)，無(wú)論是單端信號(hào)或差分電壓信號(hào)均可。輸出可以選擇，可以是單端輸出或差分輸出，具體由ADPD4000要連接的ADC的輸入要求決定。該器件可以編程采用12個(gè)不同的時(shí)間帶，每個(gè)專用于處理特定的傳感器。圖3總結(jié)了在幾種典型應(yīng)用中ADPD4000的關(guān)鍵特性。

結(jié)論

隨著科技進(jìn)步，生命體征監(jiān)測(cè)在各行各業(yè)，以及在我們的日常生活中都變得越來(lái)越普遍。無(wú)論是用于治療還是預(yù)防，這種與健康有關(guān)的解決方案都需要采用可靠有效的技術(shù)。設(shè)計(jì)生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人員將能夠在ADI專用于實(shí)施信號(hào)處理的大量產(chǎn)品系列中找到一系列解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)他們面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

作者簡(jiǎn)介

Cosimo Carriero于2006年加入ADI公司，擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，為戰(zhàn)略和關(guān)鍵客戶提供技術(shù)支持。他擁有意大利米蘭Università degli Studi的物理學(xué)碩士學(xué)位。他過(guò)去的經(jīng)歷包括：在意大利國(guó)家核物理研究所定義和開(kāi)發(fā)核物理實(shí)驗(yàn)儀器，與小公司合作開(kāi)發(fā)工廠自動(dòng)化傳感器和系統(tǒng)，以及在泰雷茲阿萊尼亞宇航公司擔(dān)任衛(wèi)星電源管理系統(tǒng)高級(jí)設(shè)計(jì)工程師。