人們對健康的認識日益提高引發了對小型但高精度設備的需求，這些設備應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大流行更是導致對用於醫院和家庭多參數生命體征（包括體溫、SpO2和心率）監測設備的需求激增。對小型且方便的健康跟蹤設備（最好是智能可穿戴設備）的需求已達到新高。

 

在這種小型設備上增加多種檢測功能存在著挑戰
，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功能。但是，現在可以通過單一模擬前端(AFE)解決方案來應對這些挑戰。這種新型AFE可以用作多參數生命體征監測中心，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，可以顯著改善醫療設備，尤其是可穿戴技術。對於醫生、患者和消費者而言

，它使得生命體征監測比以前更容易，並提供更高的性能
、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進行12個獨立測量。8個模擬輸入複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驅動器可同時驅動多達4個LED。這些LED驅動器是電流吸收器
，與LED電源電壓和LED類型無關。該芯片具有兩個脈衝電壓源用於電壓激勵。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)和模數轉換器(ADC)級。數字模塊提供多種工作模式、可編程時序
、通用輸入/輸出(GPIO)控製、模塊平均以及可選的二階至四階級聯積分梳狀(CIC)濾波器。數據直接從數據寄存器中讀取，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的優勢之一與光學測量有關。它出色的自動環境光抑製能力得益於在結合BPF的同步調製方案中使用可短至1 µs的脈衝，從而無需外部控製環路
、直流電流減除或數字算法。使用高於1的抽取係數來提高輸出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置中斷位。

ADPD4100/ADPD4101是可穿戴健康和健身設備中各種電氣和光學傳感器的理想樞紐，適用於心率和心率變異性(HRV)監測、血壓估計、壓力和睡眠跟蹤以及SpO2測量。這種新型多參數VSM AFE的多種工作模式可以容納醫療健康應用中的不同傳感器測量
，包括但不限於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、溫度和環境光測量。

 

PPG測量

 

PPG測量可檢測與每個心動周期相關的組織微血管床的血容量變化。光的總吸收與心髒收縮和舒張事件引起的血容量變化相關聯，產生PPG信號。PPG測量按如下方式進行：將LED光脈衝射入人體組織，然後用光電二極管收集反射/透射的光
，並將光轉換為光電流。ADPD4100/ADPD4101處理和測量光電流，並產生數字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：連續連接模式
、多次積分模式、浮空模式和數字積分模式。

 

圖1.典型PPG電路

 

連續連接模式

 

連續連接模式是PPG測量的典型模式。它提供最佳的環境光抑製性能和高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，並提供95 dB至100 dB的DC SNR。這些性能水平可以通過增加抽取係數來提高。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的電荷進行積分時，積分器的大部分動態範圍會被使用。在預調理周期之後，TIA連續連接到輸入，故輸入信號未被調製。為了降低噪聲
，光電二極管的陽極被預調理到TIA的基準電壓(TIA_VREF)。通常將TIA_VREF設置為1.27 V，以獲得TIA的最大動態範圍。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脈衝寬度為2μs。短LED脈衝可提供最佳環境光抑製性能。使用多個LED脈衝時，脈衝數每增加一倍，SNR便提高3 dB。由於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的動態範圍會減小。TIA的動態範圍計算如下：動態範圍 = (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境光裕量。

 

多次積分模式

 

多次積分模式與連續連接模式大致相同，不同之處在於，每次ADC轉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
，因為對於每個激勵事件，它隻使用少量（有時小於50%）動態範圍。由於在ADC轉換之前進行多次積分，因此它可以利用更大的積分器動態範圍。每次ADC轉換的積分次數增加一倍，SNR就會提高3 dB

，這與脈衝數加倍的效果一樣。此模式通常用於小輸入，因此可選擇最高TIA增益。此模式用在CTR低於5 nA/mA且需要良好環境光抑製的情況下。

 

浮空模式

 

浮空模式也用於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。然後，AFE連回光電二極管，光電二極管上的電荷湧入AFE
，積ji分fen以yi一yi種zhong允yun許xu每mei個ge脈mai衝chong處chu理li最zui大da量liang電dian荷he的de方fang式shi進jin行xing，而er信xin號hao路lu徑jing增zeng加jia的de噪zao聲sheng量liang極ji小xiao。由you於yu是shi短duan調tiao製zhi脈mai衝chong，電dian荷he轉zhuan存cun會hui快kuai速su發fa生sheng。因yin此ci，信xin號hao路lu徑jing引yin起qi的de噪zao聲sheng增zeng加jia較jiao小xiao。另ling外wai，可ke以yi增zeng加jia浮fu空kong時shi間jian以yi獲huo得de更geng高gao的de信xin號hao電dian平ping
，但dan光guang電dian二er極ji管guan電dian容rong可ke以yi積ji累lei的de電dian荷he量liang是shi有you限xian的de。在zai這zhe種zhong模mo式shi下xia，帶dai通tong濾lv波bo器qi(BPF)被旁路，因為當通過調製TIA連接來轉移光電二極管中的電荷時，所產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(ci)模(mo)式(shi)不(bu)能(neng)提(ti)供(gong)良(liang)好(hao)的(de)環(huan)境(jing)光(guang)抑(yi)製(zhi)性(xing)能(neng)，並(bing)且(qie)受(shou)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)電(dian)容(rong)限(xian)製(zhi)，但(dan)在(zai)非(fei)常(chang)低(di)的(de)光(guang)照(zhao)條(tiao)件(jian)下(xia)
，它(ta)能(neng)提(ti)供(gong)高(gao)功(gong)耗(hao)效(xiao)率(lv)且(qie)噪(zao)聲(sheng)較(jiao)小(xiao)的(de)測(ce)量(liang)。

 

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
，導致TIA和積分器的噪聲貢獻更大。由於BPF關斷且測量時間更短，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ce量liang中zhong
，當dang光guang電dian二er極ji管guan有you泄xie漏lou或huo存cun在zai大da量liang環huan境jing光guang時shi
，首shou選xuan多duo次ci積ji分fen模mo式shi。泄xie漏lou嚴yan重zhong的de光guang電dian二er極ji管guan不bu能neng用yong於yu浮fu空kong模mo式shi
，因yin為wei在zai快kuai速su電dian荷he轉zhuan移yi發fa生sheng之zhi前qian，電dian荷he會hui泄xie漏lou
，而er不bu是shi累lei積ji起qi來lai。如ru果guo環huan境jing光guang很hen強qiang
，浮fu空kong模mo式shi是shi不bu宜yi的de，因yin為wei環huan境jing光guang將jiang主zhu導dao光guang電dian二er極ji管guan上shang可ke存cun儲chu的de電dian荷he量liang。由you於yu使shi用yongBPF和短LED脈衝

，多次積分固有地提供出色的環境光抑製性能。

 

數字積分模式

 

上麵提到的所有模式都使用積分器來對傳入的電荷進行積分。通過數字積分模式也可以對ADC樣本進行數字積分。為了實現數字積分

，積分器被轉變為緩衝器。數字積分模式在兩個區域中工作。在亮區
，LED發送脈衝，而在暗區，LED熄滅。ADC樣本以1 µs的間隔在亮區和暗區采集


，並進行數字積分。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脈衝。因此，這是光電二極管響應時間較慢且需要較長脈衝的應用的典型工作模式。BPF被旁路並關斷。數字積分模式可提供最佳的功率效率，並且可實現最高的SNR水平。然而，由於使用較長LED脈衝且旁路BPF，其環境光抑製性能不如連續連接模式。數字積分模式不支持在同一時隙中對兩個通道同時采樣。數字積分模式支持100+ dB DC SNR。

 

數字積分模式的優劣

 

如前所述，針對PPG測量的典型工作模式是連續連接模式
，因為它在CTR大於5 nA/mA的條件下可提供高SNR和出色的環境光抑製性能。但是，數字積分模式可實現最高SNR水平，並提供最優的每瓦SNR效率。因此，如果環境光對應用而言不是問題，並且目標DC SNR高於85 dB，那麼可以選擇數字積分模式來有效地實現高SNR。如果目標DC SNR低於85 dB，則與連續連接模式相比
，數字積分模式所節省的功率並不明顯。

 

總zong而er言yan之zhi

，如ru果guo光guang電dian二er極ji管guan由you於yu響xiang應ying時shi間jian較jiao慢man而er需xu要yao較jiao長chang脈mai衝chong，或huo者zhe不bu需xu要yao在zai一yi個ge時shi隙xi內nei同tong時shi對dui兩liang個ge通tong道dao采cai樣yang，那na麼me可ke以yi選xuan擇ze數shu字zi積ji分fen模mo式shi。

 

此外
，如果環境光不是問題，並且目標DC SNR高於85 dB，那麼選擇數字積分模式將能實現高功耗效率。

 

PPG應用

 

鑒於COVID-19大流行
，PPG應用在生命體征監測和健康診斷中變得更加重要。此外
，多指標對於檢測至關重要。例如，一些重要的生命體征測量包括心率監測(HRM)、HRV和血氧飽和度（SpO2，可通過脈搏血氧儀和血壓進行測量）。

 

光學和無創SpO2監測（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，是COVID-19的主要症狀之一。缺氧也可能引起心律加快。因此
，光學和無創心率監測對於檢測也很關鍵。

 

對於將來的可穿戴設備，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VSM平台。

 

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，然後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。然後按照下式計算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，從而測量SpO2。其餘時隙可以配置為測量來自不同波長LED的PPG，並且還可以支持ECG測量
、導聯脫落檢測、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

 

心率監測

 

心率監測對於檢測COVID-19同tong樣yang至zhi關guan重zhong要yao。由you於yu缺que氧yang導dao致zhi氧yang氣qi供gong應ying下xia降jiang，心xin髒zang開kai始shi加jia快kuai跳tiao動dong，以yi為wei組zu織zhi提ti供gong足zu夠gou的de氧yang氣qi。心xin率lv監jian測ce在zai檢jian測ce心xin髒zang問wen題ti或huo跟gen蹤zong健jian身shen行xing為wei方fang麵mian也ye很hen有you價jia值zhi。

 

心率監測一般首選波長約為540 nm的綠光LED。它的調製指數高於紅光或IR LED
，因而能產生最佳PPG信號。它還提供不錯的CTR水平，因此功耗不會太高。

 

AC SNR是一個關係信號質量的參數
，可以通過DC SNR乘以調製指數來計算。例如，調製指數為1%時，95 dB DC SNR相當於55 dB AC SNR。

 

ECG測量

 

ECG測ce量liang已yi納na入ru可ke穿chuan戴dai設she備bei中zhong，例li如ru用yong於yu抽chou檢jian的de手shou表biao和he用yong於yu連lian續xu監jian測ce的de胸xiong貼tie。此ci類lei設she備bei通tong常chang使shi用yong由you金jin屬shu和he其qi他ta導dao電dian材cai料liao製zhi成cheng的de電dian極ji
，這zhe些xie電dian極ji屬shu於yu極ji化hua電dian極ji，被bei稱cheng為wei幹gan電dian極ji。使shi用yong幹gan電dian極ji進jin行xingECG測量的主要挑戰是電極-皮膚接觸阻抗很高且過電勢相對較高。

 

基於常規儀表放大器的ECG解決方案使用緩衝器來減輕與信號衰減相關的高電極-皮膚接觸阻抗影響。右腿驅動(RLD)技術需要第三電極並將基準電壓驅動回人體
，在測量電壓的ECG係統中，該技術的作用是抑製人體、電極和電纜所暴露所致的共模電壓。

 

當應用於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電路可以簡單到隻有三個元件，即兩個電阻RS和一個電容CS，如圖3a所示。對ECG數據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

，τ=2RSCS。在電荷轉移步驟中，電容連接到TIA，電荷轉移到AFE進行測量。這種基於電荷測量的ECG解決方案具有多個優勢
，包括：無需緩衝器和RLD的第三電極，係統尺寸因外部元件減少而縮小，以及節省功耗。

 

圖3.ECG測量配置。(a) RC采樣電路和導聯脫落檢測電路。(b) 每個ECG數據樣本的充電和電荷轉移過程說明。

 

借助ADPD4100/ADPD4101的設計靈活性
，使用基於生物阻抗的方法可以方便地將導聯脫落檢測添加到該ECG解決方案中。圖3a顯xian示shi了le導dao聯lian脫tuo落luo檢jian測ce電dian路lu
，它ta將jiang脈mai衝chong驅qu動dong到dao一yi個ge電dian極ji
，並bing在zai另ling一yi電dian極ji接jie收shou電dian流liu。如ru果guo一yi個ge或huo兩liang個ge電dian極ji從cong皮pi膚fu上shang脫tuo落luo
，則ze路lu徑jing斷duan開kai，接jie收shou不bu到dao電dian流liu。圖tu4顯示了ECG跡線和導聯脫落檢測的接收電流，其中ECG在時隙A中測量，導聯脫落檢測在時隙B中進行。

 

常規ECG解決方案中的導聯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
，這種基於生物阻抗的在單獨時隙中進行的導聯脫落檢測不會對ECG測量產生影響。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測量和導聯脫落檢測。通過直流耦合即時恢複ECG。

 

基於阻抗的呼吸測量

 

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。在重症監護病房(ICU)中(zhong)，以(yi)及(ji)在(zai)睡(shui)眠(mian)期(qi)間(jian)，對(dui)患(huan)者(zhe)進(jin)行(xing)呼(hu)吸(xi)測(ce)量(liang)有(you)利(li)於(yu)患(huan)者(zhe)管(guan)理(li)，而(er)且(qie)能(neng)及(ji)時(shi)報(bao)警(jing)以(yi)挽(wan)救(jiu)生(sheng)命(ming)。這(zhe)對(dui)有(you)呼(hu)吸(xi)係(xi)統(tong)疾(ji)病(bing)和(he)睡(shui)眠(mian)呼(hu)吸(xi)中(zhong)止(zhi)症(zheng)的(de)患(huan)者(zhe)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。僅(jin)僅(jin)睡(shui)眠(mian)呼(hu)吸(xi)中(zhong)止(zhi)症(zheng)就(jiu)是(shi)一(yi)個(ge)嚴(yan)重(zhong)的(de)公(gong)共(gong)健(jian)康(kang)和(he)安(an)全(quan)威(wei)脅(xie)，在(zai)美(mei)國(guo)有(you)超(chao)過(guo)2500萬成年人罹患此症。1

 

當患者呼吸時，肺的容積會膨脹和收縮，導致胸部阻抗發生變化。通過將電流注入胸部路徑並測量壓降，可以測量該阻抗變化。圖5a顯示了一個參考設計

，采用兩個電極進行ECG測量和呼吸監測。圖5b顯示了同步記錄的ECG、呼吸相關阻抗波和PPG。ECG和呼吸利用左右手腕上的不鏽鋼幹電極測量，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

 

shengmingtizhengjianceyizhinengkechuandaishebeidexingshikuodaleqizaixiaofeishichangzhongdecunzai。kechuandaishebeichanshengdejiankangxinxiduijiankanghejibingguanlikeyifahuizhongyaozuoyong。weilemanzuxuqiubingshizhexieshebeikegonggengguangfanderenqunshiyong，shejirenyuanbixukaolvchengben

、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生命體征監測中樞的巨大優勢。單個AFE設計可減少多參數VSM係統的IC數量
，從而大大縮減成本和尺寸。此外
，采用ADPD4100/ADPD4101設計的多參數係統可以生成同步數據
，消除了數據同步的負擔。

 

參考文獻

 

¹“美國睡眠呼吸中止症飆升威脅公共衛生”。美國睡眠醫學學會(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測部門的一名應用工程師。他致力於光學傳感器的醫療健康

、消費和工業應用。他於2019年2月開始在ADI公司工作。他擁有加州大學聖地亞哥分校(UCSD)的電氣和計算機工程碩士學位，專業方向是醫療設備和係統
，並擁有土耳其海峽大學電氣和電子工程學士學位。聯係方式：yigit.yoleri@analog.com。

 

Guixue (Glen) Bu是分子檢測部門的應用工程師，主要從事生物醫學測量技術和應用的研發工作。他於2018年9月加入ADI公司。他擁有清華大學的生物工程學士學位以及普渡大學的生物工程碩士和博士學位。聯係方式：guixue.bu@analog.com。

 

 

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