多參數(shù)生命體征監(jiān)測設(shè)備的單一模擬前端(AFE)解決方案

作者：Yigit Yoleri，Guixue （Glen） Bu

過去十年見證了手機、可穿戴設(shè)備和數(shù)字健康領(lǐng)域的巨大進步。尤其是隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展以及云計算、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張和采用。一些生命體征監(jiān)測(VSM)功能已內(nèi)置于手機、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。

人們對健康的認識日益提高引發(fā)了對小型但高精度設(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，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)，因為其需要更小的外形尺寸、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)。對于醫(yī)生、患者和消費者而言，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個模擬輸入，支持多達12個可編程時隙。這12個時隙支持在一個采樣周期內(nèi)進行12個獨立測量。8個模擬輸入復(fù)用成一個通道或兩個獨立通道，能夠以單端或差分配置同時對兩個傳感器進行采樣。8個LED驅(qū)動器可同時驅(qū)動多達4個LED。這些LED驅(qū)動器是電流吸收器，與LED電源電壓和LED類型無關(guān)。該芯片具有兩個脈沖電壓源用于電壓激勵。新型AFE的信號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。數(shù)字模塊提供多種工作模式、可編程時序、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，或通過先進先出(FIFO)方法讀取。

這款新AFE有兩個版本。一個具有I2C通信接口，另一個具有SPI端口。ADPD4100/ADPD4101的優(yōu)勢之一與光學(xué)測量有關(guān)。它出色的自動環(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。它有一個子采樣特性，允許選定時隙以比編程采樣速率低的采樣速率運行，從而節(jié)省功耗（功耗與采樣速率成比例）。它還有一個TIA上限檢測特性，當TIA輸入超出典型工作限值時，它會利用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、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(EDA)、身體成分、呼吸、溫度和環(huán)境光測量。

PPG測量

PPG測量可檢測與每個心動周期相關(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。PPG測量按如下方式進行：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。針對不同的PPG測量情況，無需對硬件連接進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路徑，即TIA + BPF + INT + ADC。每次ADC轉(zhuǎn)換時，傳入的電荷積分一次。在單個激勵事件（如PPG）中，當對來自傳感器響應(yīng)的電荷進行積分時，積分器的大部分動態(tài)范圍會被使用。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的基準電壓(TIA_VREF)。通常將TIA_VREF設(shè)置為1.27 V，以獲得TIA的最大動態(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。這會減少信號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LED脈沖時，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的動態(tài)范圍會減小。TIA的動態(tài)范圍計算如下：動態(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，因為對于每個激勵事件，它只使用少量（有時小于50%）動態(tài)范圍。由于在ADC轉(zhuǎn)換之前進行多次積分，因此它可以利用更大的積分器動態(tài)范圍。每次ADC轉(zhuǎn)換的積分次數(shù)增加一倍，SNR就會提高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脈沖處理最大量電荷的方式進行，而信號路徑增加的噪聲量極小。由于是短調(diào)制脈沖，電荷轉(zhuǎn)存會快速發(fā)生。因此，信號路徑引起的噪聲增加較小。另外，可以增加浮空時間以獲得更高的信號電平，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，因為當通過調(diào)制TIA連接來轉(zhuǎn)移光電二極管中的電荷時，所產(chǎn)生信號的形狀可能會因器件和條件而異。為了可靠地將信號與積分序列對齊，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，因為多次積分模式需要更多積分周期，導(dǎo)致TIA和積分器的噪聲貢獻更大。由于BPF關(guān)斷且測量時間更短，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，當光電二極管有泄漏或存在大量環(huán)境光時，首選多次積分模式。泄漏嚴重的光電二極管不能用于浮空模式，因為在快速電荷轉(zhuǎn)移發(fā)生之前，電荷會泄漏，而不是累積起來。如果環(huán)境光很強，浮空模式是不宜的，因為環(huán)境光將主導(dǎo)光電二極管上可存儲的電荷量。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傳入的電荷進行積分。通過數(shù)字積分模式也可以對ADC樣本進行數(shù)字積分。為了實現(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，并進行數(shù)字積分。從亮樣本中減去暗樣本的積分來計算信號。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隙中對兩個通道同時采樣。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PPG測量的典型工作模式是連續(xù)連接模式，因為它在CTR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)境光對應(yīng)用而言不是問題，并且目標DC SNR高于85 dB，那么可以選擇數(shù)字積分模式來有效地實現(xiàn)高SNR。如果目標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)時間較慢而需要較長脈沖，或者不需要在一個時隙內(nèi)同時對兩個通道采樣，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DC SNR高于85 dB，那么選擇數(shù)字積分模式將能實現(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，多指標對于檢測至關(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)測對于檢測也很關(guān)鍵。

對于將來的可穿戴設(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，僅使用一個傳感器AFE就能建立完整的多參數(shù)VSM平臺。

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、靜脈血和非搏動性動脈血引起的光吸收。交流分量代表搏動性動脈血。然后按照下式計算SpO2的百分比：

可將ADPD4100/ADPD4101的任意兩個時隙配置為測量對紅光和IR LED的響應(yīng)，從而測量SpO2。其余時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，以及IR信號的交流和直流部分。

圖2.紅光、綠光和IR PPG，標有IR PPG信號的交流和直流部分

心率監(jiān)測

心率監(jiān)測對于檢測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，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。它還提供不錯的CTR水平，因此功耗不會太高。

AC SNR是一個關(guān)系信號質(zhì)量的參數(shù)，可以通過DC SNR乘以調(diào)制指數(shù)來計算。例如，調(diào)制指數(shù)為1%時，95 dB DC SNR相當于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相對較高。

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衰減相關(guān)的高電極-皮膚接觸阻抗影響。右腿驅(qū)動(RLD)技術(shù)需要第三電極并將基準電壓驅(qū)動回人體，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。

當應(yīng)用于ECG測量時，ADPD4100/ADPD4101采用一種新穎的方法，即使用無源電阻電容(RC)電路來跟蹤一對電極上的差分電壓。無源RC電路可以簡單到只有三個元件，即兩個電阻RS和一個電容CS，如圖3a所示。對ECG數(shù)據(jù)的每次采樣過程分為兩步。

在充電步驟中，兩個輸入引腳（IN7和IN8）浮空。如果充電時間>3τ，則電容CS上的電荷與兩個電極上的差分電壓成正比，其中τ為RS和CS定義的時間常數(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進行測量。這種基于電荷測量的ECG解決方案具有多個優(yōu)勢，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)動到一個電極，并在另一電極接收電流。如果一個或兩個電極從皮膚上脫落，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在時隙A中測量，導(dǎo)聯(lián)脫落檢測在時隙B中進行。

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時隙中進行的導(dǎo)聯(lián)脫落檢測不會對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，便會捕獲到ECG信號。

圖4.ECG測量和導(dǎo)聯(lián)脫落檢測。通過直流耦合即時恢復(fù)ECG。

基于阻抗的呼吸測量

使用ADPD4100/ADPD4101進行呼吸測量時，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)護病房(ICU)中，以及在睡眠期間，對患者進行呼吸測量有利于患者管理，而且能及時報警以挽救生命。這對有呼吸系統(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嚴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

當患者呼吸時，肺的容積會膨脹和收縮，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顯示了一個參考設(shè)計，采用兩個電極進行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)備的形式擴大了其在消費市場中的存在?？纱┐髟O(shè)備產(chǎn)生的健康信息對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。單個AFE設(shè)計可減少多參數(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)同步的負擔。

參考文獻

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(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)的電氣和計算機工程碩士學(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。聯(lián)系方式：yigit.yoleri@analog.com。

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。

編輯：hfy