可穿戴市场喜迎生物医学“多面手”

简介

氧饱和度、心电图、血压和呼吸频率的丈量已往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职员来说,无论是在意外事故后、手术后,照样在被诊断为患有严重疾病时。随着老龄化人口的增添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。现在,为了及早发现某些事宜,对有潜在风险的患者举行一样平常生涯监护,或者让患者携带监护仪由医院回到家中,可使其康复历程更快捷、更恬静。另有第三类用户也在丈量这些参数,他们以预防为目的,甚至尚未举行任何诊断。

 

多参数监护仪均具有相同的需求:正确、小巧,而且一次充电即可延续长时间事情。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丈量效果的多参数系统。思量将心率监护仪与运动传感器连系使用,可以举行流动跟踪,或行使阻抗检测举行心率变异性跟踪,可用于压力监测或睡眠剖析等应用。在大多数情况下,每次丈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。在可穿着系统中,再没有什么比拥有一个可毗邻各个传感器的主信号链更利便的了。新型 ADPD4000 生物医学前端产物系列填补了这一市场空缺。图 1 显示了 ADPD4xxx 系列的高级框图。该前端围绕两个相同的吸收通道设计而成,可以同步举行采样。每个通道均以差分方式构建,因此可以在单端或差分丈量模式下丈量任何传感器输入。输入级是一个具有可编程增益的跨阻放大器,厥后接一个带通滤波器和一个积分器,能够举行每个采样 7.5 pC 的积分。其 ADC 是一款 14 位逐次迫近寄存器(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,使模拟前端可以天真地将种种传感器信号路由至 AFE。

 

图 1.ADPD4000 系列的高级框图

 

使用该芯片可丈量种种信号,如图 1 所示。例如,可以将 AFE 修改为光学前端,以丈量光电心率或氧饱和度。在该模式下,我们将丈量光电流,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滋扰。另一个用例是丈量来自心电图(ECG)或 EMG 传感器的生物电势信号。 

这时需要差别的输入信号链设置,需要重新设置前端设置。在吸收信号链的旁边,该芯片还支持八个输出驱动器,可用于提供激励信号。您可以设置一个或多个输出来驱动 LED 举行光学丈量,或者可以将一个或多个驱动器输出用作激励举行阻抗丈量,可以在执行生物电丈量时丈量皮肤阻抗(皮肤电流动(EDA))或电极阻抗(影响丈量质量)。

 

该芯片允许用户在特准时隙中对每个设置或丈量举行预编程。它最多支持 12 个时隙,这使系统一经设置便异常易于使用。此外,该芯片无需分外的处理器资源,从而有助于最大水平地降低系统总功耗。可在芯片内举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。丈量效果可以存储在深度为 256 字节或 512 字节的 FIFO(ADPD400x 或 ADPD410x)中。

 

集成的时间戳功效可支持来自多个毗邻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差别丈量效果之间的相关性,则需要此功效。图 2 显示了若何将该芯片用于 ECG 丈量,并与光电容积脉搏波(PPG)丈量同步。基于脉冲流传时间(PPT)丈量手艺,可以延续模式举行血压丈量。这对于高血压患者异常有吸引力。时间戳功效使之成为可能。

 

图 2. 同时举行 ECG 和 PPG 丈量以估测血压

 

图 3a 显示了若何支持时隙事情的原理。每个时隙均从一个前置脉冲最先,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。

 

图 3b 显示了事情时序的示例。上电后,举行复位操作,芯片进入睡眠模式。芯片叫醒后,可以依次采样两个 ECG 信号(例如,LEAD I 和 LEAD II),然后举行光学丈量以获取 SpO2 读数,并举行阻抗丈量以丈量皮肤电导率(EDA/ 压力)。下面章节将先容获得这些丈量值的历程。

 

ECG 丈量变得加倍轻松

ECG 丈量的是人体心脏由于每次心跳使心肌去极化和复极化而发生的电信号。信号幅度通常为 0.5 mV 至 4 mV,丈量频率范围在 0.05 Hz 至 40 Hz 之间。可以执行 ECG 仅丈量心率,然则在许多用例中,我们对波形自己更感兴趣,它可以用作心脏功效丈量或潜在心脏病事宜(如心房颤动或连续高血压)的预警。可以通过将电极与皮肤相连来监测心脏流动。为了在诊断应用中确保与人体的优越接触,通常接纳湿电极。最常见的是银 / 氯化银(Ag/AgCl)电极。在院外应用中,这些电极很不恬静,而且容易变干或刺激皮肤。此外,只管干电极很常用,然则皮肤与电极之间的接触导电性会降低,而且干电极对运动伪影更敏感,将导致读数不正确。

 

在院外(门诊)应用中,始终需要在高质量电极与恬静性之间举行权衡。ADPD4000 系列可以解决这一问题,不管电极质量若何,都能提供正确的丈量。ECG 电路并不使用电压输入,而是丈量检测电容上累积的电荷。通过从无源 RC 网络和采样速率计算出的最佳时间常数,充电历程可消除皮肤与电极接触阻抗的转变。图 1 显示了若何通过 RC 网络将 ECG 信号耦合到芯片中。该 ECG 电路具有固有的抗扰性,不受皮肤与电极之间接触阻抗转变的影响。

 

图 3. 时隙事情和 ADPD4000 丈量时序的示例

 

图 4. 使用差别电极测得的两个 ECG 波形

 

图 4 显示了两个 ECG 波形。蓝色波形丈量效果接纳高质量电极,其串联阻抗为 51 kΩ,电容为 47 nF。而红色波形丈量效果则接纳质量较差的高串联阻抗电极。其接触阻抗为 510 kΩ,电容为 4.7 nF。我们可以看到,ADPD4000 测得的两个波形险些完全相同,而与电极质量无关。与市场上的替换解决方案相比,这是该前端的伟大优势。另一个优势是该电路具有极高的功效比,由于在充电电容上捕捉 ECG 信号时不必激活该电路。再一个优点是其功耗仅为 150 µW 至 200 µW。

 

PPG 和生物阻抗丈量

对于光学和生物阻抗丈量,划分需要发光二极管驱动器发光和向体内激励电流。在许多光学系统中,需使用不止一种波长,因此该芯片的多功效性异常令人期待。ADPD4000 具有八个输出驱动器,其中四个通道可同时使用,每个输出的可编程输出电流最大为 200 mA,而整个驱动器部门则为 400 mA。凭据设置,可以多时隙事情,每个时隙都以各自的波长来丈量光电心率、SpO2、水合或脱水等。每个吸收信号链均具有一个可编程跨阻放大器,厥后是一个双级抑制模块,以消除环境光滋扰。对于 ADPD41xx 系列,发送 / 吸收信号链的信噪比(SNR)高达 100 dB,这使其异常适合对噪声敏感的光学丈量,例如氧饱和度丈量或血压估测。光学系统的功耗在很大水平上取决于系统设置,例如采样与抽取速率和所使用的 LED 电流。这也与在用户身体上的位置和肤色成比例关系。

 

许多可穿着系统还可丈量皮肤电导率,适合 EDA、压力或精神状态监测等应用。丈量压降需要激励电流。ADPD4000 系列支持此用例。该芯片可以设置为 2 线或 4 线丈量模式。它不包罗增强型波形发生器和 DFT 引擎,因此,在需要阻抗光谱的情况下,应使用配套芯片 AD5940 以辅助 ADPD4000。阻抗功效还可用于丈量电极质量或导线脱落检测。

 

由于 ADPD4xxx 配备 8 通道多路复用器,因此还可以支持使用辅助输入丈量系统中的电压、电容、温度或运动。

 

理想之选

ADPD4000/ADPD4001 的推出,解决了设计职员在穿着式装备、人体贴片或给药系统设计中面临的许多挑战。对于每种用例,性能、尺寸和功耗都至关重要。这款新型生物医学前端具有高性能的双通道传感器输入级、激励通道、数字处理器和时序控制,可以知足这些要求。ADPD4000 和 ADPD4001 已实现量产,现已上市,而下一代 ADPD4100/ADPD4101 预计将于 2020 年第一季度上市。新一代产物具有改善的信噪比规格和其他功效,有助于进一步降低整个系统的功耗。只管所有这些功效都包罗在单芯片中,但电子设计工程师的事情并不会因此而变得多余,由于需要举行多个参数设置,以使每个系统具有各自的特征。

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