【導讀】血氧飽和度、心電圖、血壓和呼吸頻率是過去僅限于醫院監測設備的測量值。監測這些參數是關鍵，特別是對于有醫療風險的人，無論是在事故后、手術后還是被診斷出患有嚴重疾病時。隨著人口老齡化的增加和對整體衛生支出的強烈關注，在醫院外獲得醫療監測已成為一種日益增長的趨勢。現在，高危患者在日常生活中受到監測，以便更早地發現某些事件，或者患者被送回家，使用監測設備，以便更快，更舒適地康復。還有第三組用戶為了預防而測量這些參數，甚至在任何診斷之前。
血氧飽和度、心電圖、血壓和呼吸頻率是過去僅限于醫院監測設備的測量值。監測這些參數是關鍵，特別是對于有醫療風險的人，無論是在事故后、手術后還是被診斷出患有嚴重疾病時。隨著人口老齡化的增加和對整體衛生支出的強烈關注，在醫院外獲得醫療監測已成為一種日益增長的趨勢。現在，高危患者在日常生活中受到監測，以便更早地發現某些事件，或者患者被送回家，使用監測設備，以便更快，更舒適地康復。還有第三組用戶為了預防而測量這些參數，甚至在任何診斷之前。
多參數監測儀都有相同的要求：它們需要準確、小巧，并且只需一次電池充電即可長時間運行。為了支持這一趨勢，我們開發了一個新的單芯片生物醫學模擬前端系列。
ADPD4000 簡要概述
市場上有許多多參數系統結合了兩個或多個測量。想想心率監測器與運動傳感器相結合來跟蹤活動，或者將心率變異與阻抗感應相結合，用于壓力監測或睡眠分析等應用。在大多數情況下，每次測量都由專用的模擬前端執行，從而產生多個芯片，每個芯片都有自己的模數轉換器（ADC），與主處理器的接口以及多個需要去耦的電源和基準電壓。這會導致許多冗余構建塊，從尺寸和功耗的角度來看，這不是最佳系統。在可穿戴系統中，沒有什么比擁有一個主信號鏈更容易了，每個傳感器都可以連接到該信號鏈。新的ADPD4000系列生物醫學前端填補了這一市場空白。圖1顯示了ADPD4xxx系列的高級框圖。前端圍繞兩個相同的接收通道設計，可以同時采樣。每個通道都是差分構建的，這使得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，每個樣本能夠積分7.5 pC。ADC是一款14位逐次逼近寄存器（SAR）轉換器，最大采樣速率為1 MSPS。每個信號鏈前面都有一個 8 通道多路復用器，使模擬前端能夠靈活地將各種傳感器信號路由到 AFE。
圖1.ADPD4000系列的高級框圖。
該芯片可以測量各種信號，如圖1所示。例如，您可以將 AFE 修改為光學前端，以測量光學心率或血氧飽和度。在這種模式下，我們測量光電流，因此需要一個高跨阻輸入級將電流轉換為電壓。我們還需要消除來自環境光的干擾。另一個用例是測量來自心電圖（ECG）或EMG傳感器的生物電位信號。這需要不同的輸入信號鏈設置，這需要重新配置前端設置。除了接收信號鏈之外，該芯片還支持八個輸出驅動器，可用于提供激勵。您可以配置一個或多個輸出來驅動 LED 進行光學測量，或者一個或多個驅動器輸出可以用作阻抗測量的激勵，以測量皮膚阻抗（皮膚電活性 （EDA））或電極阻抗（影響測量質量），同時執行生物電位測量。
該芯片允許用戶在特定時隙內對每個配置或測量進行預編程。它最多支持12個時隙，這使得系統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，這有助于將系統的整體功耗保持在最低水平。在芯片上，您可以過采樣和平均，以提高ADC的有效位數（ENOB）。抽取的數據路徑寬度為 32 位。測量結果可以存儲在256字節或512字節深度FIFO中（ADPD400x與ADPD410x）。
集成了時間戳功能，以支持來自多個連接傳感器的數據樣本之間的同步。一旦使用多個傳感器數據來查找各種測量結果之間的相關性，就需要這樣做。圖2顯示了如何使用該芯片測量與光電容積脈搏波（PPG）測量同步的ECG。基于脈沖傳輸時間（PPT）測量技術，可以在連續模式下測量血壓。這對高血壓患者非常有吸引力。時間戳功能使這成為可能。
圖2.同時測量心電圖和PPG以估計血壓。
圖 3a 顯示了如何支持時隙操作。每個時隙從前置條件脈沖開始，然后是刺激脈沖，最后是光電二極管電流或來自ADC采樣的另一個傳感器信號的信號。
（a）. 每個時隙的定時操作。
（b）. 多次測量的時隙序列示例。
圖3.時隙操作和 ADPD4000 測量序列示例。
圖 3b 顯示了一個操作序列的示例。上電后，進行復位操作，芯片進入休眠模式。喚醒芯片后，您可以依次對兩個ECG信號（例如，LEAD I和LEAD II）進行采樣，然后進行光學測量以執行SpO2讀數和阻抗測量以測量皮膚電導率（EDA/壓力）。下一節將解釋實現這些測量中的每一個的過程。
心電圖測量變得如此簡單
心電圖是對人類心臟產生的電信號的測量，這是由于每次心跳時心肌的去極化和復極化。信號的幅度典型值為0.5 mV至4 mV，測量頻率范圍為0.05 Hz至40 Hz。心電圖可以僅用于測量心率，但在許多用例中，我們對波形本身更感興趣，它可以用作心臟性能的測量或對潛在心臟事件的預警，如動脈顫動或持續性高血壓。我們可以通過將電極連接到皮膚來監測心臟活動。為了保證診斷應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。在院外應用中，這些電極非常不舒服，很容易變干或開始刺激皮膚。此外，雖然經常使用干電極，但皮膚和電極之間的接觸會退化，干電極對運動偽影更敏感，導致讀數不準確。
在院外（門診）應用中，始終需要在優質電極和舒適度之間進行權衡。ADPD4000系列可以解決這個問題，同時無論電極質量如何，都能提供精確的測量。ECG電路不使用電壓輸入，而是測量檢測電容器上累積的電荷。通過根據無源RC網絡和采樣率計算出優化的時間常數，充電過程消除了皮膚與電極接觸阻抗的變化。圖1顯示了ECG信號如何通過RC網絡耦合到芯片中。該ECG電路對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ECG波形。藍色波形是用高質量的電極測量的，具有51 kΩ的串聯阻抗和47 nF電容。但是，紅色波形是用質量差的電極測量的，具有高串聯阻抗。它具有510 kΩ接觸阻抗和4.7 nF電容。我們可以看到，ADPD4000測量兩個波形幾乎完全相同，與電極質量無關。與市場上的其他解決方案相比，這是該前端的巨大優勢。另一個優點是該電路具有極高的功率效率，因為它在捕獲充電電容器上的ECG信號時不必處于活動狀態。另一個優點是功耗為150 μW至200 μW。
圖4.用不同的電極測量兩個ECG波形。
PPG 和生物阻抗測量
對于光學和生物阻抗測量，LED驅動器需要分別發光和激勵電流進入體內。在許多光學系統中，使用的波長不止一個，這使得該芯片的多功能性非常理想。ADPD4000具有8個輸出驅動器，其中4個通道可同時使用，可編程輸出電流為每通道最大200 mA，整個驅動器部分最大為400 mA。根據配置，您可以操作多個時隙，每個時隙都有自己的波長來測量，例如光學心率、SpO2、補水或脫水。每個接收信號鏈都有一個可編程跨阻放大器，后跟一個雙級抑制模塊，以消除環境光干擾。ADPD41xx系列發射/接收信號鏈的信噪比（SNR）高達100 dB，因此對于血氧飽和度測量或血壓估計等噪聲敏感光學測量非常有用。光學系統的功耗在很大程度上取決于系統配置，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的膚色成正比。
許多可穿戴系統還可以測量皮膚電導率，用于EDA、壓力或精神狀態監測等應用。需要激勵電流來測量壓降。ADPD4000系列支持此用例。您可以將芯片配置為 2 線或 4 線測量模式。不包括增強型波形發生器和DFT引擎，因此如果需要阻抗譜，AD5940應用作配套芯片，以補充ADPD4000。阻抗功能還可用于測量電極質量或導聯脫落檢測。
由于ADPD4xxx具有8通道多路復用器，因此還可以支持輔助輸入來測量系統中的電壓、電容、溫度或運動。
幾乎是理想的
隨著ADPD4000/ADPD4001的推出，設計人員在處理可穿戴設備、身體貼片或給藥系統時面臨的許多挑戰都得到了解決。對于這些用例中的每一個，性能、尺寸和功耗都是關鍵規格。這種新型生物醫學前端具有高性能、雙通道傳感器輸入級、激勵通道、數字處理引擎和定時控制，可滿足所有這些要求。ADPD4000和ADPD4001已實現量產，目前已上市，而下一代ADPD4100/ADPD4101預計將于2020年第一季度上市。新一代產品改進了信噪比規格和附加功能，有助于進一步降低整個系統的功耗。盡管所有這些功能都包含在單個芯片中，但它不會使電子設計工程師的工作變得多余，因為有許多參數需要配置以賦予每個系統自己的身份。
（作者：Jan-Hein Broeders）
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