作者：Jan-Hein Broeders
血氧飽和度、心電圖、血壓和呼吸頻率是過(guò)去僅限于醫(yī)院監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)量值。監(jiān)測(cè)這些參數(shù)是關(guān)鍵，特別是對(duì)于有醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)的人，無(wú)論是在事故后、手術(shù)后還是被診斷出患有嚴(yán)重疾病時(shí)。隨著人口老齡化的增加和對(duì)整體衛(wèi)生支出的強(qiáng)烈關(guān)注，在醫(yī)院外獲得醫(yī)療監(jiān)測(cè)已成為一種日益增長(zhǎng)的趨勢(shì)�，F(xiàn)在，高�；颊咴谌粘Ｉ钪惺艿奖O(jiān)測(cè)，以便更早地發(fā)現(xiàn)某些事件，或者患者被送回家，使用監(jiān)測(cè)設(shè)備，以便更快，更舒適地康復(fù)。還有第三組用戶(hù)為了預(yù)防而測(cè)量這些參數(shù)，甚至在任何診斷之前。
多參數(shù)監(jiān)測(cè)儀都有相同的要求：它們需要準(zhǔn)確、小巧，并且只需一次電池充電即可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。為了支持這一趨勢(shì)，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)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)上有許多多參數(shù)系統(tǒng)結(jié)合了兩個(gè)或多個(gè)測(cè)量。想想心率監(jiān)測(cè)器與運(yùn)動(dòng)傳感器相結(jié)合來(lái)跟蹤活動(dòng)，或者將心率變異與阻抗感應(yīng)相結(jié)合，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(zhuān)用的模擬前端執(zhí)行，從而產(chǎn)生多個(gè)芯片，每個(gè)芯片都有自己的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），與主處理器的接口以及多個(gè)需要去耦的電源和基準(zhǔn)電壓。這會(huì)導(dǎo)致許多冗余構(gòu)建塊，從尺寸和功耗的角度來(lái)看，這不是最佳系統(tǒng)。在可穿戴系統(tǒng)中，沒(méi)有什么比擁有一個(gè)主信號(hào)鏈更容易了，每個(gè)傳感器都可以連接到該信號(hào)鏈。新的ADPD4000系列生物醫(yī)學(xué)前端填補(bǔ)了這一市場(chǎng)空白。圖1顯示了ADPD4xxx系列的高級(jí)框圖。前端圍繞兩個(gè)相同的接收通道設(shè)計(jì)，可以同時(shí)采樣。每個(gè)通道都是差分構(gòu)建的，這使得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)跨阻放大器，具有可編程增益，后接帶通濾波器和積分器，每個(gè)樣本能夠積分7.5 pC。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)鏈前面都有一個(gè) 8 通道多路復(fù)用器，使模擬前端能夠靈活地將各種傳感器信號(hào)路由到 AFE。
圖1.ADPD4000系列的高級(jí)框圖。
該芯片可以測(cè)量各種信號(hào)，如圖1所示。例如，您可以將 AFE 修改為光學(xué)前端，以測(cè)量光學(xué)心率或血氧飽和度。在這種模式下，我們測(cè)量光電流，因此需要一個(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傳感器的生物電位信號(hào)。這需要不同的輸入信號(hào)鏈設(shè)置，這需要重新配置前端設(shè)置。除了接收信號(hào)鏈之外，該芯片還支持八個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器，可用于提供激勵(lì)。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，或者一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出可以用作阻抗測(cè)量的激勵(lì)，以測(cè)量皮膚阻抗（皮膚電活性 （EDA））或電極阻抗（影響測(cè)量質(zhì)量），同時(shí)執(zhí)行生物電位測(cè)量。
該芯片允許用戶(hù)在特定時(shí)隙內(nèi)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，這使得系統(tǒng)在配置后非常易于使用。此外，該芯片不需要額外的處理器資源，這有助于將系統(tǒng)的整體功耗保持在最低水平。在芯片上，您可以過(guò)采樣和平均，以提高ADC的有效位數(shù)（ENOB）。抽取的數(shù)據(jù)路徑寬度為 32 位。測(cè)量結(jié)果可以存儲(chǔ)在256字節(jié)或512字節(jié)深度FIFO中（ADPD400x與ADPD410x）。
集成了時(shí)間戳功能，以支持來(lái)自多個(gè)連接傳感器的數(shù)據(jù)樣本之間的同步。一旦使用多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)來(lái)查找各種測(cè)量結(jié)果之間的相關(guān)性，就需要這樣做。圖2顯示了如何使用該芯片測(cè)量與光電容積脈搏波（PPG）測(cè)量同步的ECG�；诿}沖傳輸時(shí)間（PPT）測(cè)量技術(shù)，可以在連續(xù)模式下測(cè)量血壓。這對(duì)高血壓患者非常有吸引力。時(shí)間戳功能使這成為可能。
圖2.同時(shí)測(cè)量心電圖和PPG以估計(jì)血壓。
圖 3a 顯示了如何支持時(shí)隙操作。每個(gè)時(shí)隙從前置條件脈沖開(kāi)始，然后是刺激脈沖，最后是光電二極管電流或來(lái)自ADC采樣的另一個(gè)傳感器信號(hào)的信號(hào)。
（a）. 每個(gè)時(shí)隙的定時(shí)操作。
（b）. 多次測(cè)量的時(shí)隙序列示例。
圖3.時(shí)隙操作和 ADPD4000 測(cè)量序列示例。
圖 3b 顯示了一個(gè)操作序列的示例。上電后，進(jìn)行復(fù)位操作，芯片進(jìn)入休眠模式。喚醒芯片后，您可以依次對(duì)兩個(gè)ECG信號(hào)（例如，LEAD I和LEAD II）進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行光學(xué)測(cè)量以執(zhí)行SpO2讀數(shù)和阻抗測(cè)量以測(cè)量皮膚電導(dǎo)率（EDA/壓力）。下一節(jié)將解釋實(shí)現(xiàn)這些測(cè)量中的每一個(gè)的過(guò)程。
心電圖測(cè)量變得如此簡(jiǎn)單
心電圖是對(duì)人類(lèi)心臟產(chǎn)生的電信號(hào)的測(cè)量，這是由于每次心跳時(shí)心肌的去極化和復(fù)極化。信號(hào)的幅度典型值為0.5 mV至4 mV，測(cè)量頻率范圍為0.05 Hz至40 Hz。心電圖可以?xún)H用于測(cè)量心率，但在許多用例中，我們對(duì)波形本身更感興趣，它可以用作心臟性能的測(cè)量或?qū)撛谛呐K事件的預(yù)警，如動(dòng)脈顫動(dòng)或持續(xù)性高血壓。我們可以通過(guò)將電極連接到皮膚來(lái)監(jiān)測(cè)心臟活動(dòng)。為了保證診斷應(yīng)用中良好的身體接觸，通常使用濕電極。最受歡迎的是銀/氯化銀（Ag/AgCl）電極。在院外應(yīng)用中，這些電極非常不舒服，很容易變干或開(kāi)始刺激皮膚。此外，雖然經(jīng)常使用干電極，但皮膚和電極之間的接觸會(huì)退化，干電極對(duì)運(yùn)動(dòng)偽影更敏感，導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確。
在院外（門(mén)診）應(yīng)用中，始終需要在優(yōu)質(zhì)電極和舒適度之間進(jìn)行權(quán)衡。ADPD4000系列可以解決這個(gè)問(wèn)題，同時(shí)無(wú)論電極質(zhì)量如何，都能提供精確的測(cè)量。ECG電路不使用電壓輸入，而是測(cè)量檢測(cè)電容器上累積的電荷。通過(guò)根據(jù)無(wú)源RC網(wǎng)絡(luò)和采樣率計(jì)算出優(yōu)化的時(shí)間常數(shù)，充電過(guò)程消除了皮膚與電極接觸阻抗的變化。圖1顯示了ECG信號(hào)如何通過(guò)RC網(wǎng)絡(luò)耦合到芯片中。該ECG電路對(duì)皮膚與電極接觸阻抗的變化具有固有的免疫力。
圖4顯示了兩個(gè)ECG波形。藍(lán)色波形是用高質(zhì)量的電極測(cè)量的，具有51 kΩ的串聯(lián)阻抗和47 nF電容。但是，紅色波形是用質(zhì)量差的電極測(cè)量的，具有高串聯(lián)阻抗。它具有510 kΩ接觸阻抗和4.7 nF電容。我們可以看到，ADPD4000測(cè)量?jī)蓚�(gè)波形幾乎完全相同，與電極質(zhì)量無(wú)關(guān)。與市場(chǎng)上的其他解決方案相比，這是該前端的巨大優(yōu)勢(shì)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是該電路具有極高的功率效率，因?yàn)樗诓东@充電電容器上的ECG信號(hào)時(shí)不必處于活動(dòng)狀態(tài)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是功耗為150 μW至200 μW。
圖4.用不同的電極測(cè)量?jī)蓚�(gè)ECG波形。
PPG 和生物阻抗測(cè)量
對(duì)于光學(xué)和生物阻抗測(cè)量，LED驅(qū)動(dòng)器需要分別發(fā)光和激勵(lì)電流進(jìn)入體內(nèi)。在許多光學(xué)系統(tǒng)中，使用的波長(zhǎng)不止一個(gè)，這使得該芯片的多功能性非常理想。ADPD4000具有8個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器，其中4個(gè)通道可同時(shí)使用，可編程輸出電流為每通道最大200 mA，整個(gè)驅(qū)動(dòng)器部分最大為400 mA。根據(jù)配置，您可以操作多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙都有自己的波長(zhǎng)來(lái)測(cè)量，例如光學(xué)心率、SpO2、補(bǔ)水或脫水。每個(gè)接收信號(hào)鏈都有一個(gè)可編程跨阻放大器，后跟一個(gè)雙級(jí)抑制模塊，以消除環(huán)境光干擾。ADPD41xx系列發(fā)射/接收信號(hào)鏈的信噪比（SNR）高達(dá)100 dB，因此對(duì)于血氧飽和度測(cè)量或血壓估計(jì)等噪聲敏感光學(xué)測(cè)量非常有用。光學(xué)系統(tǒng)的功耗在很大程度上取決于系統(tǒng)配置，例如采樣和抽取率，以及使用的LED電流。這也與身體上的位置和用戶(hù)的膚色成正比。
許多可穿戴系統(tǒng)還可以測(cè)量皮膚電導(dǎo)率，用于EDA、壓力或精神狀態(tài)監(jiān)測(cè)等應(yīng)用。需要激勵(lì)電流來(lái)測(cè)量壓降。ADPD4000系列支持此用例。您可以將芯片配置為 2 線或 4 線測(cè)量模式。不包括增強(qiáng)型波形發(fā)生器和DFT引擎，因此如果需要阻抗譜，AD5940應(yīng)用作配套芯片，以補(bǔ)充ADPD4000。阻抗功能還可用于測(cè)量電極質(zhì)量或?qū)?lián)脫落檢測(cè)。
由于ADPD4xxx具有8通道多路復(fù)用器，因此還可以支持輔助輸入來(lái)測(cè)量系統(tǒng)中的電壓、電容、溫度或運(yùn)動(dòng)。
幾乎是理想的
隨著ADPD4000/ADPD4001的推出，設(shè)計(jì)人員在處理可穿戴設(shè)備、身體貼片或給藥系統(tǒng)時(shí)面臨的許多挑戰(zhàn)都得到了解決。對(duì)于這些用例中的每一個(gè)，性能、尺寸和功耗都是關(guān)鍵規(guī)格。這種新型生物醫(yī)學(xué)前端具有高性能、雙通道傳感器輸入級(jí)、激勵(lì)通道、數(shù)字處理引擎和定時(shí)控制，可滿(mǎn)足所有這些要求。ADPD4000和ADPD4001已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，目前已上市，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)品改進(jìn)了信噪比規(guī)格和附加功能，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個(gè)芯片中，但它不會(huì)使電子設(shè)計(jì)工程師的工作變得多余，因?yàn)橛性S多參數(shù)需要配置以賦予每個(gè)系統(tǒng)自己的身份。 |
