可穿戴市场喜迎生物医学“多面手”

简介

氧饱和度、心电图、血压和呼吸频率的测量过去仅有医院监护仪才可提供。这些参数的监测至关重要，尤其对于有潜在医疗风险的人员来说，无论是在意外事故后、手术后，还是在被诊断为患有严重疾病时。随着老龄化人口的增加以及对医疗保健整体支出的强烈关注，院外医疗监护已成为一种发展趋势。如今，为了及早发现某些事件，对有潜在风险的患者进行日常生活监护，或者让患者携带监护仪由医院回到家中，可使其康复过程更快捷、更舒适。还有第三类用户也在测量这些参数，他们以预防为目的，甚至尚未进行任何诊断。

多参数监护仪均具有相同的需求：精确、小巧，并且一次充电即可连续长时间工作。为了支持这一趋势，ADI公司已经开发出新的单芯片生物医学模拟前端系列。

ADPD4000简要概述

市场上有许多可组合两个或多个测量结果的多参数系统。考虑将心率监护仪与运动传感器结合使用，可以进行活动跟踪，或利用阻抗检测进行心率变异性跟踪，可用于压力监测或睡眠分析等应用。在大多数情况下，每次测量都由专用模拟前端执行，因此需要多个芯片，每个芯片都有各自的模数转换器(ADC)、各自至主处理器的接口以及需去耦的多个电源和基准电压。这将导致许多冗余的构建模块，从尺寸和功率角度来看，它并非一个最优的系统。在可穿戴系统中，再没有什么比拥有一个可连接各个传感器的主信号链更方便的了。新型ADPD4000生物医学前端产品系列填补了这一市场空白。图1显示了ADPD4xxx系列的高级框图。该前端围绕两个相同的接收通道设计而成，可以同步进行采样。每个通道均以差分方式构建，因此可以在单端或差分测量模式下测量任何传感器输入。输入级是一个具有可编程增益的跨阻放大器，其后接一个带通滤波器和一个积分器，能够进行每个采样7.5 pC的积分。其ADC是一款14位逐次逼近寄存器(SAR)转换器，最大采样速率为1 MSPS。每个信号链的前面是一个8通道多路复用器，使模拟前端可以灵活地将各种传感器信号路由至AFE。

图1.ADPD4000系列的高级框图

使用该芯片可测量各种信号，如图1所示。例如，可以将AFE修改为光学前端，以测量光电心率或氧饱和度。在该模式下，我们将测量光电流，因此需要使用一个高跨阻输入级将电流转换为电压。我们还需要消除来自环境光的干扰。另一个用例是测量来自心电图(ECG)或EMG传感器的生物电势信号。

这时需要不同的输入信号链设置，需要重新配置前端设置。在接收信号链的旁边，该芯片还支持八个输出驱动器，可用于提供激励信号。您可以配置一个或多个输出来驱动LED进行光学测量，或者可以将一个或多个驱动器输出用作激励进行阻抗测量，可以在执行生物电测量时测量皮肤阻抗(皮肤电活动(EDA))或电极阻抗(影响测量质量)。

该芯片允许用户在特定时隙中对每个配置或测量进行预编程。它最多支持12个时隙，这使系统一经配置便非常易于使用。此外，该芯片无需额外的处理器资源，从而有助于最大程度地降低系统总功耗。可在芯片内进行过采样和采样平均，以提高ADC的有效位数(ENOB)。数据抽取路径为32位宽。测量结果可以存储在深度为256字节或512字节的FIFO(ADPD400x或ADPD410x)中。

集成的时间戳功能可支持来自多个连接传感器的数据样本之间的同步。如需使用多个传感器数据来确定不同测量结果之间的相关性，则需要此功能。图2显示了如何将该芯片用于ECG测量，并与光电容积脉搏波(PPG)测量同步。基于脉冲传播时间(PPT)测量技术，可以连续模式进行血压测量。这对于高血压患者非常有吸引力。时间戳功能使之成为可能。

图2.同时进行ECG和PPG测量以估测血压

图3a显示了如何支持时隙工作的原理。每个时隙均从一个前置脉冲开始，后接一个激励脉冲，最后是一个光电二极管电流或来自另一个传感器信号(由ADC采样)的信号。