多參數監護儀均具有相同的需求：精確、小巧，並且一次充電即可連續長時間工作。為了支持這一趨勢
，ADI公司已經開發出新的單芯片生物醫學模擬前端係列。

 

ADPD4000簡要概述

 

市場上有許多可組合兩個或多個測量結果的多參數係統。考慮將心率監護儀與運動傳感器結(jie)合(he)使(shi)用(yong)，可(ke)以(yi)進(jin)行(xing)活(huo)動(dong)跟(gen)蹤(zong)

，或(huo)利(li)用(yong)阻(zu)抗(kang)檢(jian)測(ce)進(jin)行(xing)心(xin)率(lv)變(bian)異(yi)性(xing)跟(gen)蹤(zong)，可(ke)用(yong)於(yu)壓(ya)力(li)監(jian)測(ce)或(huo)睡(shui)眠(mian)分(fen)析(xi)等(deng)應(ying)用(yong)。在(zai)大(da)多(duo)數(shu)情(qing)況(kuang)下(xia)

，每(mei)次(ci)測(ce)量(liang)都(dou)由(you)專(zhuan)用(yong)模(mo)擬(ni)前(qian)端(duan)執(zhi)行(xing)，因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)多(duo)個(ge)芯(xin)片(pian)，每(mei)個(ge)芯(xin)片(pian)都(dou)有(you)各(ge)自(zi)的(de)模(mo)數(shu)轉(zhuan)換(huan)器(qi)(ADC)
、gezizhizhuchuliqidejiekouyijixuquoudeduogedianyuanhejizhundianya。zhejiangdaozhixuduorongyudegoujianmokuai，congchicunhegonglvjiaodulaikan，tabingfeiyigezuiyoudexitong。zaikechuandaixitongzhong
，zaimeiyoushenmebiyongyouyigekelianjiegegechuanganqidezhuxinhaoliangengfangbiandele。xinxingADPD4000生物醫學前端產品係列填補了這一市場空白。圖1顯示了ADPD4xxx係(xi)列(lie)的(de)高(gao)級(ji)框(kuang)圖(tu)。該(gai)前(qian)端(duan)圍(wei)繞(rao)兩(liang)個(ge)相(xiang)同(tong)的(de)接(jie)收(shou)通(tong)道(dao)設(she)計(ji)而(er)成(cheng)，可(ke)以(yi)同(tong)步(bu)進(jin)行(xing)采(cai)樣(yang)。每(mei)個(ge)通(tong)道(dao)均(jun)以(yi)差(cha)分(fen)方(fang)式(shi)構(gou)建(jian)，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)在(zai)單(dan)端(duan)或(huo)差(cha)分(fen)測(ce)量(liang)模(mo)式(shi)下(xia)測(ce)量(liang)任(ren)何(he)傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)入(ru)。輸(shu)入(ru)級(ji)是(shi)一(yi)個(ge)具(ju)有(you)可(ke)編(bian)程(cheng)增(zeng)益(yi)的(de)跨(kua)阻(zu)放(fang)大(da)器(qi)，其(qi)後(hou)接(jie)一(yi)個(ge)帶(dai)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)和(he)一(yi)個(ge)積(ji)分(fen)器(qi)，能(neng)夠(gou)進(jin)行(xing)每(mei)個(ge)采(cai)樣(yang)7.5 pC的積分。其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。每個信號鏈的前麵是一個8通道多路複用器
，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係列的高級框圖

 

使用該芯片可測量各種信號，如圖1所示。例如
，可以將AFE修xiu改gai為wei光guang學xue前qian端duan，以yi測ce量liang光guang電dian心xin率lv或huo氧yang飽bao和he度du。在zai該gai模mo式shi下xia，我wo們men將jiang測ce量liang光guang電dian流liu

，因yin此ci需xu要yao使shi用yong一yi個ge高gao跨kua阻zu輸shu入ru級ji將jiang電dian流liu轉zhuan換huan為wei電dian壓ya。我wo們men還hai需xu要yao消xiao除chu來lai自zi環huan境jing光guang的de幹gan擾rao。另ling一yi個ge用yong例li是shi測ce量liang來lai自zi心xin電dian圖tu(ECG)或EMG傳感器的生物電勢信號。 

這(zhe)時(shi)需(xu)要(yao)不(bu)同(tong)的(de)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)鏈(lian)設(she)置(zhi)，需(xu)要(yao)重(zhong)新(xin)配(pei)置(zhi)前(qian)端(duan)設(she)置(zhi)。在(zai)接(jie)收(shou)信(xin)號(hao)鏈(lian)的(de)旁(pang)邊(bian)，該(gai)芯(xin)片(pian)還(hai)支(zhi)持(chi)八(ba)個(ge)輸(shu)出(chu)驅(qu)動(dong)器(qi)，可(ke)用(yong)於(yu)提(ti)供(gong)激(ji)勵(li)信(xin)號(hao)。您(nin)可(ke)以(yi)配(pei)置(zhi)一(yi)個(ge)或(huo)多(duo)個(ge)輸(shu)出(chu)來(lai)驅(qu)動(dong)LED進行光學測量，或者可以將一個或多個驅動器輸出用作激勵進行阻抗測量，可以在執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ge時shi隙xi
，這zhe使shi係xi統tong一yi經jing配pei置zhi便bian非fei常chang易yi於yu使shi用yong。此ci外wai，該gai芯xin片pian無wu需xu額e外wai的de處chu理li器qi資zi源yuan，從cong而er有you助zhu於yu最zui大da程cheng度du地di降jiang低di係xi統tong總zong功gong耗hao。可ke在zai芯xin片pian內nei進jin行xing過guo采cai樣yang和he采cai樣yang平ping均jun
，以yi提ti高gaoADC的有效位數(ENOB)。數據抽取路徑為32位寬。測量結果可以存儲在深度為256字節或512字節的FIFO（ADPD400x或ADPD410x）中。

 

集(ji)成(cheng)的(de)時(shi)間(jian)戳(chuo)功(gong)能(neng)可(ke)支(zhi)持(chi)來(lai)自(zi)多(duo)個(ge)連(lian)接(jie)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)數(shu)據(ju)樣(yang)本(ben)之(zhi)間(jian)的(de)同(tong)步(bu)。如(ru)需(xu)使(shi)用(yong)多(duo)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)數(shu)據(ju)來(lai)確(que)定(ding)不(bu)同(tong)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)之(zhi)間(jian)的(de)相(xiang)關(guan)性(xing)，則(ze)需(xu)要(yao)此(ci)功(gong)能(neng)。圖(tu)2顯示了如何將該芯片用於ECG測量

，並與光電容積脈搏波(PPG)測量同步。基於脈衝傳播時間(PPT)測量技術，可以連續模式進行血壓測量。這對於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(xian)示(shi)了(le)如(ru)何(he)支(zhi)持(chi)時(shi)隙(xi)工(gong)作(zuo)的(de)原(yuan)理(li)。每(mei)個(ge)時(shi)隙(xi)均(jun)從(cong)一(yi)個(ge)前(qian)置(zhi)脈(mai)衝(chong)開(kai)始(shi)
，後(hou)接(jie)一(yi)個(ge)激(ji)勵(li)脈(mai)衝(chong)，最(zui)後(hou)是(shi)一(yi)個(ge)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)電(dian)流(liu)或(huo)來(lai)自(zi)另(ling)一(yi)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)（由ADC采樣）的信號。

 

圖3b顯示了工作時序的示例。上電後，進行複位操作，芯片進入睡眠模式。芯片喚醒後
，可以依次采樣兩個ECG信號（例如，LEAD I和LEAD II），然後進行光學測量以獲取SpO2讀數，並進行阻抗測量以測量皮膚電導率（EDA/壓力）。下麵章節將介紹獲得這些測量值的過程。

 

ECG測量變得更加輕鬆

 

ECG測量的是人體心髒由於每次心跳使心肌去極化和複極化而產生的電信號。信號幅度通常為0.5 mV至4 mV
，測量頻率範圍在0.05 Hz至40 Hz之間。可以執行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
，它可以用作心髒功能測量或潛在心髒病事件（如心房顫動或持續高血壓）的預警。可以通過將電極與皮膚相連來監測心髒活動。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dian極ji。在zai院yuan外wai應ying用yong中zhong
，這zhe些xie電dian極ji很hen不bu舒shu適shi，並bing且qie容rong易yi變bian幹gan或huo刺ci激ji皮pi膚fu。此ci外wai，盡jin管guan幹gan電dian極ji很hen常chang用yong
，但dan是shi皮pi膚fu與yu電dian極ji之zhi間jian的de接jie觸chu導dao電dian性xing會hui降jiang低di，並bing且qie幹gan電dian極ji對dui運yun動dong偽wei影ying更geng敏min感gan，將jiang導dao致zhi讀du數shu不bu精jing確que。

 

在院外（門診）應用中，始終需要在高質量電極與舒適性之間進行權衡。ADPD4000係列可以解決這一問題
，不管電極質量如何
，都能提供精確的測量。ECG電路並不使用電壓輸入，而是測量檢測電容上累積的電荷。通過從無源RC網絡和采樣速率計算出的最佳時間常數
，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。藍色波形測量結果采用高質量電極，其串聯阻抗為51 kΩ，電容為47 nF。而紅色波形測量結果則采用質量較差的高串聯阻抗電極。其接觸阻抗為510 kΩ，電容為4.7 nF。我們可以看到
，ADPD4000cededelianggeboxingjihuwanquanxiangtong

，eryudianjizhiliangwuguan。yushichangshangdetidaijiejuefanganxiangbi
，zheshigaiqianduandejudayoushi。lingyigeyoushishigaidianlujuyoujigaodegongxiaobi
，yinweizaichongdiandianrongshangbuhuoECG信號時不必激活該電路。再一個優點是其功耗僅為150 µW至200 µW。

 

PPG和生物阻抗測量

 

對(dui)於(yu)光(guang)學(xue)和(he)生(sheng)物(wu)阻(zu)抗(kang)測(ce)量(liang)，分(fen)別(bie)需(xu)要(yao)發(fa)光(guang)二(er)極(ji)管(guan)驅(qu)動(dong)器(qi)發(fa)光(guang)和(he)向(xiang)體(ti)內(nei)激(ji)勵(li)電(dian)流(liu)。在(zai)許(xu)多(duo)光(guang)學(xue)係(xi)統(tong)中(zhong)，需(xu)使(shi)用(yong)不(bu)止(zhi)一(yi)種(zhong)波(bo)長(chang)，因(yin)此(ci)該(gai)芯(xin)片(pian)的(de)多(duo)功(gong)能(neng)性(xing)非(fei)常(chang)令(ling)人(ren)期(qi)待(dai)。ADPD4000具有八個輸出驅動器
，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

，而整個驅動器部分則為400 mA。根據配置，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，其後是一個雙級抑製模塊，以消除環境光幹擾。對於ADPD41xx係列，發送/接收信號鏈的信噪比(SNR)高達100 dB
，這zhe使shi其qi非fei常chang適shi合he對dui噪zao聲sheng敏min感gan的de光guang學xue測ce量liang，例li如ru氧yang飽bao和he度du測ce量liang或huo血xue壓ya估gu測ce。光guang學xue係xi統tong的de功gong耗hao在zai很hen大da程cheng度du上shang取qu決jue於yu係xi統tong配pei置zhi，例li如ru采cai樣yang與yu抽chou取qu速su率lv和he所suo使shi用yong的deLED電流。這也與在用戶身體上的位置和膚色成比例關係。

 

許多可穿戴係統還可測量皮膚電導率，適合EDA、壓力或精神狀態監測等應用。測量壓降需要激勵電流。ADPD4000係列支持此用例。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。阻抗功能還可用於測量電極質量或導線脫落檢測。

 

由於ADPD4xxx配備8通道多路複用器，因此還可以支持使用輔助輸入測量係統中的電壓
、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、人體貼片或給藥係統設計中麵臨的許多挑戰。對於每種用例，性能、尺寸和功耗都至關重要。這款新型生物醫學前端具有高性能的雙通道傳感器輸入級
、激勵通道、數字處理器和時序控製，可以滿足這些要求。ADPD4000和ADPD4001已實現量產，現已上市
，而下一代ADPD4100/ADPD4101預計將於2020年(nian)第(di)一(yi)季(ji)度(du)上(shang)市(shi)。新(xin)一(yi)代(dai)產(chan)品(pin)具(ju)有(you)改(gai)進(jin)的(de)信(xin)噪(zao)比(bi)規(gui)格(ge)和(he)其(qi)他(ta)功(gong)能(neng)
，有(you)助(zhu)於(yu)進(jin)一(yi)步(bu)降(jiang)低(di)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)功(gong)耗(hao)。盡(jin)管(guan)所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)功(gong)能(neng)都(dou)包(bao)含(han)在(zai)單(dan)芯(xin)片(pian)中(zhong)，但(dan)電(dian)子(zi)設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)的(de)工(gong)作(zuo)並(bing)不(bu)會(hui)因(yin)此(ci)而(er)變(bian)得(de)多(duo)餘(yu)，因(yin)為(wei)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)多(duo)個(ge)參(can)數(shu)配(pei)置(zhi)，以(yi)使(shi)每(mei)個(ge)係(xi)統(tong)具(ju)有(you)各(ge)自(zi)的(de)特(te)征(zheng)。 

 

作者簡介

 

Jan-Hein Broeders是ADI公司負責歐洲、中東和非洲市場的醫療健康業務開發經理。他與醫療健康行業密切合作
，將他們現在和將來的需求轉化為各種解決方案，這些方案基於ADI公司市場領先的線性和數據轉換器技術以及數字信號處理與電源產品。25餘年前，Jan-Hein開始從事半導體行業
，擔任現場應用工程師，自2008年起開始擔任目前的醫療健康部職務。他擁有荷蘭斯海爾托亨博斯大學的電氣工程學士學位。聯係方式：jan.broeders@analog.com。

 

 

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