簡介
過去十年見證了手機(jī)、可穿戴設(shè)備和數(shù)字健康領(lǐng)域的巨大進(jìn)步。尤其是隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展以及云計(jì)算、人工智能(AI)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和5G等技術(shù)的新突破，數(shù)字醫(yī)療健康得到了迅速擴(kuò)張和采用。一些生命體征監(jiān)測(VSM)功能已內(nèi)置于手機(jī)、手表和其他智能可穿戴設(shè)備中，因此得到了更廣泛人群的使用。人們對(duì)健康的認(rèn)識(shí)日益提高引發(fā)了對(duì)小型但高精度設(shè)備的需求，這些設(shè)備應(yīng)能測量各種生命體征和健康指標(biāo)，例如體溫、心率、呼吸頻率、血氧飽和度(SpO2)、血壓和身體成分。COVID-19大流行更是導(dǎo)致對(duì)用于醫(yī)院和家庭多參數(shù)生命體征(包括體溫、SpO2和心率)監(jiān)測設(shè)備的需求激增。對(duì)小型且方便的健康跟蹤設(shè)備(最好是智能可穿戴設(shè)備)的需求已達(dá)到新高。
在這種小型設(shè)備上增加多種檢測功能存在著挑戰(zhàn)，因?yàn)槠湫枰〉耐庑纬叽?、更低的功耗以及性能顯著改善的多參數(shù)功能。但是，現(xiàn)在可以通過單一模擬前端(AFE)解決方案來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。這種新型AFE可以用作多參數(shù)生命體征監(jiān)測中心，支持同步測量。它具有低噪聲、高信噪比(SNR)、小尺寸和低功耗等特性，可以顯著改善醫(yī)療設(shè)備，尤其是可穿戴技術(shù)。對(duì)于醫(yī)生、患者和消費(fèi)者而言，它使得生命體征監(jiān)測比以前更容易，并提供更高的性能、更長的電池壽命和更高的精度，且不會(huì)有多種設(shè)備造成的煩擾和不適感。本文討論該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是一種多模式傳感器AFE，具有8個(gè)模擬輸入，支持多達(dá)12個(gè)可編程時(shí)隙。這12個(gè)時(shí)隙支持在一個(gè)采樣周期內(nèi)進(jìn)行12個(gè)獨(dú)立測量。8個(gè)模擬輸入復(fù)用成一個(gè)通道或兩個(gè)獨(dú)立通道，能夠以單端或差分配置同時(shí)對(duì)兩個(gè)傳感器進(jìn)行采樣。8個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器可同時(shí)驅(qū)動(dòng)多達(dá)4個(gè)LED。這些LED驅(qū)動(dòng)器是電流吸收器，與LED電源電壓和LED類型無關(guān)。該芯片具有兩個(gè)脈沖電壓源用于電壓激勵(lì)。新型AFE的信號(hào)路徑包括跨阻放大器(TIA)、帶通濾波器(BPF)、積分器(INT)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)級(jí)。數(shù)字模塊提供多種工作模式、可編程時(shí)序、通用輸入/輸出(GPIO)控制、模塊平均以及可選的二階至四階級(jí)聯(lián)積分梳狀(CIC)濾波器。數(shù)據(jù)直接從數(shù)據(jù)寄存器中讀取，或通過先進(jìn)先出(FIFO)方法讀取。
這款新AFE有兩個(gè)版本。一個(gè)具有I2C通信接口，另一個(gè)具有SPI端口。ADPD4100/ADPD4101的優(yōu)勢(shì)之一與光學(xué)測量有關(guān)。它出色的自動(dòng)環(huán)境光抑制能力得益于在結(jié)合BPF的同步調(diào)制方案中使用可短至1 μs的脈沖，從而無需外部控制環(huán)路、直流電流減除或數(shù)字算法。使用高于1的抽取系數(shù)來提高輸出SNR。它有一個(gè)子采樣特性，允許選定時(shí)隙以比編程采樣速率低的采樣速率運(yùn)行，從而節(jié)省功耗(功耗與采樣速率成比例)。它還有一個(gè)TIA上限檢測特性，當(dāng)TIA輸入超出典型工作限值時(shí)，它會(huì)利用TIA輸出引腳上的電壓比較器來設(shè)置中斷位。
ADPD4100/ADPD4101是可穿戴健康和健身設(shè)備中各種電氣和光學(xué)傳感器的理想樞紐，適用于心率和心率變異性(HRV)監(jiān)測、血壓估計(jì)、壓力和睡眠跟蹤以及SpO2測量。這種新型多參數(shù)VSM AFE的多種工作模式可以容納醫(yī)療健康應(yīng)用中的不同傳感器測量，包括但不限于光電容積脈搏波描記(PPG)、心電圖(ECG)、皮膚電活動(dòng)(EDA)、身體成分、呼吸、溫度和環(huán)境光測量。
PPG測量
PPG測量可檢測與每個(gè)心動(dòng)周期相關(guān)的組織微血管床的血容量變化。光的總吸收與心臟收縮和舒張事件引起的血容量變化相關(guān)聯(lián)，產(chǎn)生PPG信號(hào)。PPG測量按如下方式進(jìn)行：將LED光脈沖射入人體組織，然后用光電二極管收集反射/透射的光，并將光轉(zhuǎn)換為光電流。ADPD4100/ADPD4101處理和測量光電流，并產(chǎn)生數(shù)字PPG信號(hào)。針對(duì)不同的PPG測量情況，無需對(duì)硬件連接進(jìn)行任何更改便可靈活地將該AFE配置為四種工作模式之一：連續(xù)連接模式、多次積分模式、浮空模式和數(shù)字積分模式。
圖1.典型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)境光抑制性能和高SNR。該模式在低至5 nA/mA至10 nA/mA的電荷傳輸比(CTR，光電流與LED電流之比)下能夠很好地工作，并提供95 dB至100 dB的DC SNR。這些性能水平可以通過增加抽取系數(shù)來提高。該模式使用完整的模擬信號(hào)路徑，即TIA + BPF + INT + ADC。每次ADC轉(zhuǎn)換時(shí)，傳入的電荷積分一次。在單個(gè)激勵(lì)事件(如PPG)中，當(dāng)對(duì)來自傳感器響應(yīng)的電荷進(jìn)行積分時(shí)，積分器的大部分動(dòng)態(tài)范圍會(huì)被使用。在預(yù)調(diào)理周期之后，TIA連續(xù)連接到輸入，故輸入信號(hào)未被調(diào)制。為了降低噪聲，光電二極管的陽極被預(yù)調(diào)理到TIA的基準(zhǔn)電壓(TIA_VREF)。通常將TIA_VREF設(shè)置為1.27 V，以獲得TIA的最大動(dòng)態(tài)范圍。光電二極管的陰極連接到陰極電壓源(VCx)引腳，通常將該器件設(shè)置為向光電二極管陰極提供TIA_VREF + 215 mV的電壓，以在光電二極管上產(chǎn)生215 mV的反向偏置。這會(huì)減少信號(hào)路徑噪聲和光電二極管電容。在這種模式下，典型LED脈沖寬度為2μs。短LED脈沖可提供最佳環(huán)境光抑制性能。使用多個(gè)LED脈沖時(shí)，脈沖數(shù)每增加一倍，SNR便提高3 dB。由于斬波能消除積分器的低頻噪聲成分，因此通常使能積分器斬波以獲得最高SNR。選擇的TIA增益越高，折合到輸入端的噪聲越低，但TIA的動(dòng)態(tài)范圍會(huì)減小。TIA的動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算如下：動(dòng)態(tài)范圍 = (TIA_VREF)/(TIA增益)。為了提高ADC飽和電平，可以減小TIA增益，或者增加積分器電阻。選擇較高的積分器電阻可降低噪聲，但選擇較低的積分器電阻會(huì)增加環(huán)境光裕量。
多次積分模式
多次積分模式與連續(xù)連接模式大致相同，不同之處在于，每次ADC轉(zhuǎn)換要對(duì)傳入的電荷積分多次。此模式可用在弱光情況下獲得高SNR，因?yàn)閷?duì)于每個(gè)激勵(lì)事件，它只使用少量(有時(shí)小于50%)動(dòng)態(tài)范圍。由于在ADC轉(zhuǎn)換之前進(jìn)行多次積分，因此它可以利用更大的積分器動(dòng)態(tài)范圍。每次ADC轉(zhuǎn)換的積分次數(shù)增加一倍，SNR就會(huì)提高3 dB，這與脈沖數(shù)加倍的效果一樣。此模式通常用于小輸入，因此可選擇最高TIA增益。此模式用在CTR低于5 nA/mA且需要良好環(huán)境光抑制的情況下。
浮空模式
浮空模式也用于弱光條件下以獲得高SNR。浮空模式支持在光電二極管上進(jìn)行無噪聲電荷累積。光電二極管與AFE斷開連接(故稱之為“浮空”)，以無噪聲方式積累光致電荷。然后，AFE連回光電二極管，光電二極管上的電荷涌入AFE，積分以一種允許每個(gè)脈沖處理最大量電荷的方式進(jìn)行，而信號(hào)路徑增加的噪聲量極小。由于是短調(diào)制脈沖，電荷轉(zhuǎn)存會(huì)快速發(fā)生。因此，信號(hào)路徑引起的噪聲增加較小。另外，可以增加浮空時(shí)間以獲得更高的信號(hào)電平，但光電二極管電容可以積累的電荷量是有限的。在這種模式下，帶通濾波器(BPF)被旁路，因?yàn)楫?dāng)通過調(diào)制TIA連接來轉(zhuǎn)移光電二極管中的電荷時(shí)，所產(chǎn)生信號(hào)的形狀可能會(huì)因器件和條件而異。為了可靠地將信號(hào)與積分序列對(duì)齊，必須旁路BPF。此模式不能提供良好的環(huán)境光抑制性能，并且受光電二極管電容限制，但在非常低的光照條件下，它能提供高功耗效率且噪聲較小的測量。
弱光條件下的浮空模式與多次積分模式選擇
在CTR < 5 nA/mA的弱光條件下，典型工作模式是浮空模式。與多次積分模式相比，浮空模式下噪聲更低，因?yàn)槎啻畏e分模式需要更多積分周期，導(dǎo)致TIA和積分器的噪聲貢獻(xiàn)更大。由于BPF關(guān)斷且測量時(shí)間更短，浮空模式的功耗效率也比多次積分模式要高。因此，浮空模式下每瓦SNR效率明顯更高。
在PPG測量中，當(dāng)光電二極管有泄漏或存在大量環(huán)境光時(shí)，首選多次積分模式。泄漏嚴(yán)重的光電二極管不能用于浮空模式，因?yàn)樵诳焖匐姾赊D(zhuǎn)移發(fā)生之前，電荷會(huì)泄漏，而不是累積起來。如果環(huán)境光很強(qiáng)，浮空模式是不宜的，因?yàn)榄h(huán)境光將主導(dǎo)光電二極管上可存儲(chǔ)的電荷量。由于使用BPF和短LED脈沖，多次積分固有地提供出色的環(huán)境光抑制性能。
數(shù)字積分模式
上面提到的所有模式都使用積分器來對(duì)傳入的電荷進(jìn)行積分。通過數(shù)字積分模式也可以對(duì)ADC樣本進(jìn)行數(shù)字積分。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字積分，積分器被轉(zhuǎn)變?yōu)榫彌_器。數(shù)字積分模式在兩個(gè)區(qū)域中工作。在亮區(qū)，LED發(fā)送脈沖，而在暗區(qū)，LED熄滅。ADC樣本以1 μs的間隔在亮區(qū)和暗區(qū)采集，并進(jìn)行數(shù)字積分。從亮樣本中減去暗樣本的積分來計(jì)算信號(hào)。此模式可以支持較長的LED脈沖。因此，這是光電二極管響應(yīng)時(shí)間較慢且需要較長脈沖的應(yīng)用的典型工作模式。BPF被旁路并關(guān)斷。數(shù)字積分模式可提供最佳的功率效率，并且可實(shí)現(xiàn)最高的SNR水平。然而，由于使用較長LED脈沖且旁路BPF，其環(huán)境光抑制性能不如連續(xù)連接模式。數(shù)字積分模式不支持在同一時(shí)隙中對(duì)兩個(gè)通道同時(shí)采樣。數(shù)字積分模式支持100+ dB DC SNR。
數(shù)字積分模式的優(yōu)劣
如前所述，針對(duì)PPG測量的典型工作模式是連續(xù)連接模式，因?yàn)樗贑TR大于5 nA/mA的條件下可提供高SNR和出色的環(huán)境光抑制性能。但是，數(shù)字積分模式可實(shí)現(xiàn)最高SNR水平，并提供最優(yōu)的每瓦SNR效率。因此，如果環(huán)境光對(duì)應(yīng)用而言不是問題，并且目標(biāo)DC SNR高于85 dB，那么可以選擇數(shù)字積分模式來有效地實(shí)現(xiàn)高SNR。如果目標(biāo)DC SNR低于85 dB，則與連續(xù)連接模式相比，數(shù)字積分模式所節(jié)省的功率并不明顯。
總而言之，如果光電二極管由于響應(yīng)時(shí)間較慢而需要較長脈沖，或者不需要在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)同時(shí)對(duì)兩個(gè)通道采樣，那么可以選擇數(shù)字積分模式。
此外，如果環(huán)境光不是問題，并且目標(biāo)DC SNR高于85 dB，那么選擇數(shù)字積分模式將能實(shí)現(xiàn)高功耗效率。
PPG應(yīng)用
鑒于COVID-19大流行，PPG應(yīng)用在生命體征監(jiān)測和健康診斷中變得更加重要。此外，多指標(biāo)對(duì)于檢測至關(guān)重要。例如，一些重要的生命體征測量包括心率監(jiān)測(HRM)、HRV和血氧飽和度(SpO2，可通過脈搏血氧儀和血壓進(jìn)行測量)。
光學(xué)和無創(chuàng)SpO2監(jiān)測(也稱為脈搏血氧測定)在COVID-19患者的缺氧檢測中已變得非常有價(jià)值。缺氧指身體組織缺乏氧供應(yīng)，是COVID-19的主要癥狀之一。缺氧也可能引起心律加快。因此，光學(xué)和無創(chuàng)心率監(jiān)測對(duì)于檢測也很關(guān)鍵。
對(duì)于將來的可穿戴設(shè)備，多種測量功能的集成是最佳的(雖然不一定有必要)，ADPD4100/ADPD4101對(duì)此極為有利。該AFE可測量任何類型的傳感器輸入(包括溫度、ECG和呼吸測量)。因此，僅使用一個(gè)傳感器AFE就能建立完整的多參數(shù)VSM平臺(tái)。
脈搏血氧測定—SpO2測量
脈搏血氧測定使用紅光(通常為660 nm波長)和紅外(IR) LED(通常為940 nm波長)。脫氧血紅蛋白主要吸收660 nm波長的光，而氧合血紅蛋白主要吸收940 nm波長的光。光電二極管感知未被吸收的光，然后將感知到的信號(hào)分為直流分量和交流分量。直流分量代表組織、靜脈血和非搏動(dòng)性動(dòng)脈血引起的光吸收。交流分量代表搏動(dòng)性動(dòng)脈血。然后按照下式計(jì)算SpO2的百分比：
可將ADPD4100/ADPD4101的任意兩個(gè)時(shí)隙配置為測量對(duì)紅光和IR LED的響應(yīng)，從而測量SpO2。其余時(shí)隙可以配置為測量來自不同波長LED的PPG，并且還可以支持ECG測量、導(dǎo)聯(lián)脫落檢測、呼吸測量及其他傳感器測量。
表1.ADPD4100/ADPD4101多種工作模式和設(shè)置
作為例子，圖2顯示了同步的紅光、綠光和IR PPG信號(hào)，以及IR信號(hào)的交流和直流部分。
圖2.紅光、綠光和IR PPG，標(biāo)有IR PPG信號(hào)的交流和直流部分
心率監(jiān)測
心率監(jiān)測對(duì)于檢測COVID-19同樣至關(guān)重要。由于缺氧導(dǎo)致氧氣供應(yīng)下降，心臟開始加快跳動(dòng)，以為組織提供足夠的氧氣。心率監(jiān)測在檢測心臟問題或跟蹤健身行為方面也很有價(jià)值。
心率監(jiān)測一般首選波長約為540 nm的綠光LED。它的調(diào)制指數(shù)高于紅光或IR LED，因而能產(chǎn)生最佳PPG信號(hào)。它還提供不錯(cuò)的CTR水平，因此功耗不會(huì)太高。
AC SNR是一個(gè)關(guān)系信號(hào)質(zhì)量的參數(shù)，可以通過DC SNR乘以調(diào)制指數(shù)來計(jì)算。例如，調(diào)制指數(shù)為1%時(shí)，95 dB DC SNR相當(dāng)于55 dB AC SNR。
ECG測量
ECG測量已納入可穿戴設(shè)備中，例如用于抽檢的手表和用于連續(xù)監(jiān)測的胸貼。此類設(shè)備通常使用由金屬和其他導(dǎo)電材料制成的電極，這些電極屬于極化電極，被稱為干電極。使用干電極進(jìn)行ECG測量的主要挑戰(zhàn)是電極-皮膚接觸阻抗很高且過電勢(shì)相對(duì)較高。
基于常規(guī)儀表放大器的ECG解決方案使用緩沖器來減輕與信號(hào)衰減相關(guān)的高電極-皮膚接觸阻抗影響。右腿驅(qū)動(dòng)(RLD)技術(shù)需要第三電極并將基準(zhǔn)電壓驅(qū)動(dòng)回人體，在測量電壓的ECG系統(tǒng)中，該技術(shù)的作用是抑制人體、電極和電纜所暴露所致的共模電壓。
當(dāng)應(yīng)用于ECG測量時(shí)，ADPD4100/ADPD4101采用一種新穎的方法，即使用無源電阻電容(RC)電路來跟蹤一對(duì)電極上的差分電壓。無源RC電路可以簡單到只有三個(gè)元件，即兩個(gè)電阻RS和一個(gè)電容CS，如圖3a所示。對(duì)ECG數(shù)據(jù)的每次采樣過程分為兩步。
在充電步驟中，兩個(gè)輸入引腳(IN7和IN8)浮空。如果充電時(shí)間>3τ，則電容CS上的電荷與兩個(gè)電極上的差分電壓成正比，其中τ為RS和CS定義的時(shí)間常數(shù)，τ=2RSCS。在電荷轉(zhuǎn)移步驟中，電容連接到TIA，電荷轉(zhuǎn)移到AFE進(jìn)行測量。這種基于電荷測量的ECG解決方案具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)，包括：無需緩沖器和RLD的第三電極，系統(tǒng)尺寸因外部元件減少而縮小，以及節(jié)省功耗。
圖3.ECG測量配置。(a) RC采樣電路和導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路。(b) 每個(gè)ECG數(shù)據(jù)樣本的充電和電荷轉(zhuǎn)移過程說明。
借助ADPD4100/ADPD4101的設(shè)計(jì)靈活性，使用基于生物阻抗的方法可以方便地將導(dǎo)聯(lián)脫落檢測添加到該ECG解決方案中。圖3a顯示了導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路，它將脈沖驅(qū)動(dòng)到一個(gè)電極，并在另一電極接收電流。如果一個(gè)或兩個(gè)電極從皮膚上脫落，則路徑斷開，接收不到電流。圖4顯示了ECG跡線和導(dǎo)聯(lián)脫落檢測的接收電流，其中ECG在時(shí)隙A中測量，導(dǎo)聯(lián)脫落檢測在時(shí)隙B中進(jìn)行。
常規(guī)ECG解決方案中的導(dǎo)聯(lián)脫落檢測使用上拉電阻電路，會(huì)影響ECG電路的輸入阻抗;相比之下，這種基于生物阻抗的在單獨(dú)時(shí)隙中進(jìn)行的導(dǎo)聯(lián)脫落檢測不會(huì)對(duì)ECG測量產(chǎn)生影響。利用此直流耦合電路，一旦電極與皮膚的接觸重新建立，便會(huì)捕獲到ECG信號(hào)。
圖4.ECG測量和導(dǎo)聯(lián)脫落檢測。通過直流耦合即時(shí)恢復(fù)ECG。
基于阻抗的呼吸測量
使用ADPD4100/ADPD4101進(jìn)行呼吸測量時(shí)，檢測的是吸氣和呼氣周期中肺的生物阻抗變化。在重癥監(jiān)護(hù)病房(ICU)中，以及在睡眠期間，對(duì)患者進(jìn)行呼吸測量有利于患者管理，而且能及時(shí)報(bào)警以挽救生命。這對(duì)有呼吸系統(tǒng)疾病和睡眠呼吸中止癥的患者至關(guān)重要。僅僅睡眠呼吸中止癥就是一個(gè)嚴(yán)重的公共健康和安全威脅，在美國有超過2500萬成年人罹患此癥。1
當(dāng)患者呼吸時(shí)，肺的容積會(huì)膨脹和收縮，導(dǎo)致胸部阻抗發(fā)生變化。通過將電流注入胸部路徑并測量壓降，可以測量該阻抗變化。圖5a顯示了一個(gè)參考設(shè)計(jì)，采用兩個(gè)電極進(jìn)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(guān)阻抗波和PPG。ECG和呼吸利用左右手腕上的不銹鋼干電極測量，PPG利用綠光LED測量。
圖5.ECG和呼吸測量。(a) 采用開爾文檢測方法進(jìn)行睡眠浮空ECG和呼吸測量的外部電路。(b) ECG、呼吸和PPG同步測量示例。
總結(jié)
生命體征監(jiān)測以智能可穿戴設(shè)備的形式擴(kuò)大了其在消費(fèi)市場中的存在?？纱┐髟O(shè)備產(chǎn)生的健康信息對(duì)健康和疾病管理可以發(fā)揮重要作用。為了滿足需求并使這些設(shè)備可供更廣泛的人群使用，設(shè)計(jì)人員必須考慮成本、尺寸和功耗等常見需求。ADI公司的這款突破性AFE ADPD4100/ADPD4101展示了其作為多參數(shù)生命體征監(jiān)測中樞的巨大優(yōu)勢(shì)。單個(gè)AFE設(shè)計(jì)可減少多參數(shù)VSM系統(tǒng)的IC數(shù)量，從而大大縮減成本和尺寸。此外，采用ADPD4100/ADPD4101設(shè)計(jì)的多參數(shù)系統(tǒng)可以生成同步數(shù)據(jù)，消除了數(shù)據(jù)同步的負(fù)擔(dān)。
參考文獻(xiàn)
1“美國睡眠呼吸中止癥飆升威脅公共衛(wèi)生”。美國睡眠醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)(AASM)。2014年9月。
作者簡介
Yigit Yoleri是ADI公司在馬薩諸塞州威爾明頓市的分子監(jiān)測部門的一名應(yīng)用工程師。他致力于光學(xué)傳感器的醫(yī)療健康、消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用。他于2019年2月開始在ADI公司工作。他擁有加州大學(xué)圣地亞哥分校(UCSD)的電氣和計(jì)算機(jī)工程碩士學(xué)位，專業(yè)方向是醫(yī)療設(shè)備和系統(tǒng)，并擁有土耳其海峽大學(xué)電氣和電子工程學(xué)士學(xué)位。
Guixue (Glen) Bu是分子檢測部門的應(yīng)用工程師，主要從事生物醫(yī)學(xué)測量技術(shù)和應(yīng)用的研發(fā)工作。他于2018年9月加入ADI公司。他擁有清華大學(xué)的生物工程學(xué)士學(xué)位以及普渡大學(xué)的生物工程碩士和博士學(xué)位。
（轉(zhuǎn)載）
