氧飽和度、心電圖、血壓和呼吸頻率的測(cè)量過(guò)去僅有醫(yī)院監(jiān)護(hù)儀才可提供。這些參數(shù)的監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，尤其對(duì)于有潛在醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)的人員來(lái)說(shuō)，無(wú)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(duì)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(shì)。如今，為了及早發(fā)現(xiàn)某些事件，對(duì)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(guò)程更快捷、更舒適。還有第三類用戶也在測(cè)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(zhǎng)時(shí)間工作。為了支持這一趨勢(shì)，ADI 公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出新的單芯片生物醫(yī)學(xué)模擬前端系列。

ADPD4000 簡(jiǎn)要概述

市場(chǎng)上有許多可組合兩個(gè)或多個(gè)測(cè)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(dòng)傳感器結(jié)合使用，可以進(jìn)行活動(dòng)跟蹤，或利用阻抗檢測(cè)進(jìn)行心率變異性跟蹤，可用于壓力監(jiān)測(cè)或睡眠分析等應(yīng)用。在大多數(shù)情況下，每次測(cè)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(lái)看，它并非一個(gè)最優(yōu)的系統(tǒng)。在可穿戴系統(tǒng)中，再?zèng)]有什么比擁有一個(gè)可連接各個(gè)傳感器的主信號(hào)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(chǎng)空白。圖 1 顯示了 ADPD4xxx 系列的高級(jí)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(cè)量模式下測(cè)量任何傳感器輸入。輸入級(jí)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(hào)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(hào)路由至 AFE。

圖 1.ADPD4000 系列的高級(jí)框圖

使用該芯片可測(cè)量各種信號(hào)，如圖 1 所示。例如，可以將 AFE 修改為光學(xué)前端，以測(cè)量光電心率或氧飽和度。在該模式下，我們將測(cè)量光電流，因此需要使用一個(gè)高跨阻輸入級(jí)將電流轉(zhuǎn)換為電壓。我們還需要消除來(lái)自環(huán)境光的干擾。另一個(gè)用例是測(cè)量來(lái)自心電圖(ECG)或 EMG 傳感器的生物電勢(shì)信號(hào)。

這時(shí)需要不同的輸入信號(hào)鏈設(shè)置，需要重新配置前端設(shè)置。在接收信號(hào)鏈的旁邊，該芯片還支持八個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器，可用于提供激勵(lì)信號(hào)。您可以配置一個(gè)或多個(gè)輸出來(lái)驅(qū)動(dòng) LED 進(jìn)行光學(xué)測(cè)量，或者可以將一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出用作激勵(lì)進(jìn)行阻抗測(cè)量，可以在執(zhí)行生物電測(cè)量時(shí)測(cè)量皮膚阻抗（皮膚電活動(dòng)(EDA)）或電極阻抗（影響測(cè)量質(zhì)量）。

該芯片允許用戶在特定時(shí)隙中對(duì)每個(gè)配置或測(cè)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(wú)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(guò)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(cè)量結(jié)果可以存儲(chǔ)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(lái)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(lái)確定不同測(cè)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(cè)量，并與光電容積脈搏波(PPG)測(cè)量同步。基于脈沖傳播時(shí)間(PPT)測(cè)量技術(shù)，可以連續(xù)模式進(jìn)行血壓測(cè)量。這對(duì)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(cè)量以估測(cè)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(kāi)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(lái)自另一個(gè)傳感器信號(hào)（由 ADC 采樣）的信號(hào)。

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(hào)（例如，LEAD I 和 LEAD II），然后進(jìn)行光學(xué)測(cè)量以獲取 SpO2 讀數(shù)，并進(jìn)行阻抗測(cè)量以測(cè)量皮膚電導(dǎo)率（EDA/ 壓力）。下面章節(jié)將介紹獲得這些測(cè)量值的過(guò)程。

ECG 測(cè)量變得更加輕松

ECG 測(cè)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(hào)。信號(hào)幅度通常為 0.5 mV 至 4 mV，測(cè)量頻率范圍在 0.05 Hz 至 40 Hz 之間?？梢詧?zhí)行 ECG 僅測(cè)量心率，但是在許多用例中，我們對(duì)波形本身更感興趣，它可以用作心臟功能測(cè)量或潛在心臟病事件（如心房顫動(dòng)或持續(xù)高血壓）的預(yù)警?？梢酝ㄟ^(guò)將電極與皮膚相連來(lái)監(jiān)測(cè)心臟活動(dòng)。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(jiàn)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(huì)降低，并且干電極對(duì)運(yùn)動(dòng)偽影更敏感，將導(dǎo)致讀數(shù)不精確。

在院外（門(mén)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(wèn)題，不管電極質(zhì)量如何，都能提供精確的測(cè)量。ECG 電路并不使用電壓輸入，而是測(cè)量檢測(cè)電容上累積的電荷。通過(guò)從無(wú)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(guò)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(guò) RC 網(wǎng)絡(luò)將 ECG 信號(hào)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(cè)量時(shí)序的示例

圖 4. 使用不同電極測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)得的兩個(gè)波形幾乎完全相同，而與電極質(zhì)量無(wú)關(guān)。與市場(chǎng)上的替代解決方案相比，這是該前端的巨大優(yōu)勢(shì)。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)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(hào)時(shí)不必激活該電路。再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其功耗僅為 150 ?W 至 200 ?W。

PPG 和生物阻抗測(cè)量

對(duì)于光學(xué)和生物阻抗測(cè)量，分別需要發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)，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(dòng)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(dòng)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(zhǎng)來(lái)測(cè)量光電心率、SpO2、水合或脫水等。每個(gè)接收信號(hào)鏈均具有一個(gè)可編程跨阻放大器，其后是一個(gè)雙級(jí)抑制模塊，以消除環(huán)境光干擾。對(duì)于 ADPD41xx 系列，發(fā)送 / 接收信號(hào)鏈的信噪比(SNR)高達(dá) 100 dB，這使其非常適合對(duì)噪聲敏感的光學(xué)測(cè)量，例如氧飽和度測(cè)量或血壓估測(cè)。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(cè)量皮膚電導(dǎo)率，適合 EDA、壓力或精神狀態(tài)監(jiān)測(cè)等應(yīng)用。測(cè)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(cè)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(cè)量電極質(zhì)量或?qū)Ь€脫落檢測(cè)。

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(cè)量系統(tǒng)中的電壓、電容、溫度或運(yùn)動(dòng)。

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(duì)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(jí)、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(huì)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。