氧飽和度,、心電圖、血壓和呼吸頻率的測量過去僅有醫(yī)院監(jiān)護儀才可提供,。這些參數(shù)的監(jiān)測至關(guān)重要,，尤其對于有潛在醫(yī)療風險的人員來說,，無論是在意外事故后,、手術(shù)后,，還是在被診斷為患有嚴重疾病時。隨著老齡化人口的增加以及對醫(yī)療保健整體支出的強烈關(guān)注,，院外醫(yī)療監(jiān)護已成為一種發(fā)展趨勢,。如今，為了及早發(fā)現(xiàn)某些事件,，對有潛在風險的患者進行日常生活監(jiān)護,，或者讓患者攜帶監(jiān)護儀由醫(yī)院回到家中,，可使其康復過程更快捷、更舒適,。還有第三類用戶也在測量這些參數(shù),，他們以預防為目的，甚至尚未進行任何診斷,。
多參數(shù)監(jiān)護儀均具有相同的需求：精確,、小巧，并且一次充電即可連續(xù)長時間工作,。為了支持這一趨勢,，ADI公司已經(jīng)開發(fā)出新的單芯片生物醫(yī)學模擬前端系列。
ADPD4000簡要概述
市場上有許多可組合兩個或多個測量結(jié)果的多參數(shù)系統(tǒng),?？紤]將心率監(jiān)護儀與運動傳感器結(jié)合使用，可以進行活動跟蹤,，或利用阻抗檢測進行心率變異性跟蹤,，可用于壓力監(jiān)測或睡眠分析等應用。在大多數(shù)情況下,，每次測量都由專用模擬前端執(zhí)行,，因此需要多個芯片，每個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電源和基準電壓,。這將導致許多冗余的構(gòu)建模塊，從尺寸和功率角度來看,，它并非一個最優(yōu)的系統(tǒng),。在可穿戴系統(tǒng)中，再沒有什么比擁有一個可連接各個傳感器的主信號鏈更方便的了,。新型ADPD4000生物醫(yī)學前端產(chǎn)品系列填補了這一市場空白,。圖1顯示了ADPD4xxx系列的高級框圖。該前端圍繞兩個相同的接收通道設計而成,，可以同步進行采樣,。每個通道均以差分方式構(gòu)建，因此可以在單端或差分測量模式下測量任何傳感器輸入,。輸入級是一個具有可編程增益的跨阻放大器,，其后接一個帶通濾波器和一個積分器，能夠進行每個采樣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。每個信號鏈的前面是一個8通道多路復用器,，使模擬前端可以靈活地將各種傳感器信號路由至AFE,。
圖1.ADPD4000系列的高級框圖
使用該芯片可測量各種信號,，如圖1所示。例如,，可以將AFE修改為光學前端,，以測量光電心率或氧飽和度。在該模式下,，我們將測量光電流,，因此需要使用一個高跨阻輸入級將電流轉(zhuǎn)換為電壓。我們還需要消除來自環(huán)境光的干擾,。另一個用例是測量來自心電圖(ECG)或EMG傳感器的生物電勢信號,。
這時需要不同的輸入信號鏈設置，需要重新配置前端設置,。在接收信號鏈的旁邊,，該芯片還支持八個輸出驅(qū)動器，可用于提供激勵信號,。您可以配置一個或多個輸出來驅(qū)動LED進行光學測量,，或者可以將一個或多個驅(qū)動器輸出用作激勵進行阻抗測量，可以在執(zhí)行生物電測量時測量皮膚阻抗（皮膚電活動(EDA)）或電極阻抗（影響測量質(zhì)量）,。
該芯片允許用戶在特定時隙中對每個配置或測量進行預編程,。它最多支持12個時隙，這使系統(tǒng)一經(jīng)配置便非常易于使用,。此外,，該芯片無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,?？稍谛酒瑑?nèi)進行過采樣和采樣平均，以提高ADC的有效位數(shù)(ENOB),。數(shù)據(jù)抽取路徑為32位寬,。測量結(jié)果可以存儲在深度為256字節(jié)或512字節(jié)的FIFO（ADPD400x或ADPD410x）中。
集成的時間戳功能可支持來自多個連接傳感器的數(shù)據(jù)樣本之間的同步,。如需使用多個傳感器數(shù)據(jù)來確定不同測量結(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測量,，并與光電容積脈搏波(PPG)測量同步,。基于脈沖傳播時間(PPT)測量技術(shù),，可以連續(xù)模式進行血壓測量,。這對于高血壓患者非常有吸引力,。時間戳功能使之成為可能,。
圖2.同時進行ECG和PPG測量以估測血壓
圖3a顯示了如何支持時隙工作的原理,。每個時隙均從一個前置脈沖開始，后接一個激勵脈沖,，最后是一個光電二極管電流或來自另一個傳感器信號（由ADC采樣）的信號,。
圖3b顯示了工作時序的示例。上電后,，進行復位操作,，芯片進入睡眠模式。芯片喚醒后,，可以依次采樣兩個ECG信號（例如,，LEAD I和LEAD II），然后進行光學測量以獲取SpO2讀數(shù),，并進行阻抗測量以測量皮膚電導率（EDA/壓力）,。下面章節(jié)將介紹獲得這些測量值的過程。
ECG測量變得更加輕松
ECG測量的是人體心臟由于每次心跳使心肌去極化和復極化而產(chǎn)生的電信號,。信號幅度通常為0.5 mV至4 mV,，測量頻率范圍在0.05 Hz至40 Hz之間?？梢詧?zhí)行ECG僅測量心率,，但是在許多用例中，我們對波形本身更感興趣,，它可以用作心臟功能測量或潛在心臟病事件（如心房顫動或持續(xù)高血壓）的預警,。可以通過將電極與皮膚相連來監(jiān)測心臟活動,。為了在診斷應用中確保與人體的良好接觸,，通常采用濕電極。最常見的是銀/氯化銀(Ag/AgCl)電極,。在院外應用中,，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電性會降低,，并且干電極對運動偽影更敏感,，將導致讀數(shù)不精確。
在院外（門診）應用中,，始終需要在高質(zhì)量電極與舒適性之間進行權(quán)衡,。ADPD4000系列可以解決這一問題，不管電極質(zhì)量如何，都能提供精確的測量,。ECG電路并不使用電壓輸入,，而是測量檢測電容上累積的電荷。通過從無源RC網(wǎng)絡和采樣速率計算出的最佳時間常數(shù),，充電過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RC網(wǎng)絡將ECG信號耦合到芯片中。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.時隙工作和ADPD4000測量時序的示例
圖4.使用不同電極測得的兩個ECG波形
圖4顯示了兩個ECG波形。藍色波形測量結(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測得的兩個波形幾乎完全相同,，而與電極質(zhì)量無關(guān)。與市場上的替代解決方案相比,，這是該前端的巨大優(yōu)勢,。另一個優(yōu)勢是該電路具有極高的功效比，因為在充電電容上捕獲ECG信號時不必激活該電路,。再一個優(yōu)點是其功耗僅為150 μW至200 μW,。
PPG和生物阻抗測量
對于光學和生物阻抗測量，分別需要發(fā)光二極管驅(qū)動器發(fā)光和向體內(nèi)激勵電流,。在許多光學系統(tǒng)中,，需使用不止一種波長，因此該芯片的多功能性非常令人期待,。ADPD4000具有八個輸出驅(qū)動器,，其中四個通道可同時使用，每個輸出的可編程輸出電流最大為200 mA,，而整個驅(qū)動器部分則為400 mA,。根據(jù)配置，可以多時隙工作,，每個時隙都以各自的波長來測量光電心率,、SpO2、水合或脫水等,。每個接收信號鏈均具有一個可編程跨阻放大器,，其后是一個雙級抑制模塊,，以消除環(huán)境光干擾。對于ADPD41xx系列,，發(fā)送/接收信號鏈的信噪比(SNR)高達100 dB,，這使其非常適合對噪聲敏感的光學測量，例如氧飽和度測量或血壓估測,。光學系統(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)還可測量皮膚電導率，適合EDA,、壓力或精神狀態(tài)監(jiān)測等應用,。測量壓降需要激勵電流。ADPD4000系列支持此用例,。該芯片可以配置為2線或4線測量模式,。它不包含增強型波形發(fā)生器和DFT引擎，因此,，在需要阻抗光譜的情況下,，應使用配套芯片AD5940以輔助ADPD4000。阻抗功能還可用于測量電極質(zhì)量或?qū)Ь€脫落檢測,。
由于ADPD4xxx配備8通道多路復用器,，因此還可以支持使用輔助輸入測量系統(tǒng)中的電壓、電容,、溫度或運動,。
理想之選
ADPD4000/ADPD4001的推出，解決了設計人員在穿戴式設備,、人體貼片或給藥系統(tǒng)設計中面臨的許多挑戰(zhàn),。對于每種用例，性能,、尺寸和功耗都至關(guān)重要,。這款新型生物醫(yī)學前端具有高性能的雙通道傳感器輸入級、激勵通道,、數(shù)字處理器和時序控制,，可以滿足這些要求。ADPD4000和ADPD4001已實現(xiàn)量產(chǎn),，現(xiàn)已上市,，而下一代ADPD4100/ADPD4101預計將于2020年第一季度上市。新一代產(chǎn)品具有改進的信噪比規(guī)格和其他功能,，有助于進一步降低整個系統(tǒng)的功耗,。盡管所有這些功能都包含在單芯片中，但電子設計工程師的工作并不會因此而變得多余，因為需要進行多個參數(shù)配置,，以使每個系統(tǒng)具有各自的特征,。
作者簡介
Jan-Hein Broeders是ADI公司負責歐洲、中東和非洲市場的醫(yī)療健康業(yè)務開發(fā)經(jīng)理,。他與醫(yī)療健康行業(yè)密切合作,，將他們現(xiàn)在和將來的需求轉(zhuǎn)化為各種解決方案，這些方案基于ADI公司市場領先的線性和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)以及數(shù)字信號處理與電源產(chǎn)品,。25余年前,，Jan-Hein開始從事半導體行業(yè)，擔任現(xiàn)場應用工程師,，自2008年起開始擔任目前的醫(yī)療健康部職務,。他擁有荷蘭斯海爾托亨博斯大學的電氣工程學士學位。