如何轻松搞掂可穿戴设备多个生命体征指标测量?集成化通用模拟前端正在成为新趋势

近年来,随着人们对于小我私家康健的重视日益加深,包罗运动追踪、体征监测、康健评估等在内的运动和康健功效逐渐成为可穿着装备的生长重点。各大装备生产厂商在产物设计和营销中通常也会突出这些与康健相关的功效,力图指导更多消费者以更康健的方式生涯,从而增添销量。更有甚者,以苹果为代表,其 Apple Watch 还通过了美国食品药品管理局 FDA 的认证,获得了为医疗机构提供监控数据的资格。

 

医疗产业与可穿着装备连系带来的利益显而易见:一方面,可穿着装备使医生能够远程监控病人,允许病人更早地回到家中休养康复,削减昂贵的医疗用度;另一方面,通过可穿着装备实现远程监控病人生命体征参数,能够以较少的专业人员监控更多的人群。不外这也给装备生产厂商带来了新的压力,由于这些应用都与康健息息相关且监测的生命体征指标项越来越繁杂,市场对于可穿着装备的精确度与集成度要求也水涨船高。高性能模拟芯片厂商 ADI 连系自身的优势以及可穿着医疗行业生长趋势,基于多年的医疗传感器设计履历,推出了准诊断级精度的高集成度解决方案。

 

生命体征监测,康健状态的晴雨表

生命体征是用来显示小我私家康健状态的一系列心理参数,堪称维持机体正常流动状态的晴雨表。已往的医疗市场是以医生为中央的,这意味着我们已往只在感受不舒服或有更显著的康健问题时才去就医,例如在发生意外后。新手艺(尤其是电子行业)生长缔造了一种以病人为中央的方式,通过使用可穿着装备,我们可以在更早的阶段检测到转变或异常。

 

心率是最常见的参数之一,心率超出正常局限可能解释存在诸如心动过缓(心率过低时)或心动过速(心率过高时)等疾病;呼吸是另一个要害生命体征,缺氧可能引起一系列呼吸系统的疾病发作;皮肤电导反映又称皮肤电反映,与交感神经系统密切相关,反过来又会直接参与调整情绪性行为,丈量皮肤电导率可以反映病人的压力、疲劳、精神状态和情绪化响应等状态;此外,通过丈量身体身分、瘦体质量和脂肪体质量的百分比,以及水合作用和营养水平,可以清晰展现小我私家的临床状态;丈量运动和姿势可以提供有关受试者流动的有用信息;诸如血压和体温等指标同样也能一定水平反映小我私家身体状态。

 

为了监测心率、呼吸、血压和温度、皮肤电导率和身体身分等生命体征,装备厂商通常需要接纳种种传感器,且解决方案必须紧凑、节能和可靠。

 

生命体征监测的几种主要手段

  • 光学丈量

光学丈量逾越了尺度的半导体手艺,下图所示为光学丈量的典型信号链。首先需要使用光源(通常是 LED)来天生光信号,它可能由差别的波长组成。几种波长组合在一起,可以实现更高的丈量精度。还需要使用一系列硅或锗传感器(光电二极管)将光信号转化为电信号,也称为光电流。光电二极管在响应光源的波长时,必须具备足够的灵敏度和线性度。之后,光电流必须被放大和转换,因此需要高性能、节能、多通道模拟前端,以控制 LED、放大和过滤模拟信号,并根据所需的分辨率和精度举行模数转换。

 

用于光学丈量的信号链

 

光学系统封装也具有重要作用。封装不仅是一个容器,照样包罗一个或多个光学窗口的系统,可以过滤射出和射入的光,但不会发生过分的衰减或反射,从而损害信号的完整性。为了建立紧凑的多芯片系统,光学系统封装还必须包罗多个器件,包罗 LED、光电二极管、模拟和数字处置芯片。最后,通常还需要一种能够建立光学滤波器的涂层手艺,用于选择应用所需的光谱部门并消除不需要的信号。纵然在阳光下,该应用也必须能正常运行。若是没有光学滤波器,信号的巨细会使模拟链饱和,使得电子器件不能正常事情。

 

  • 生物电势和生物阻抗丈量

生物电势是一种电信号,由我们体内的电化学流动的效应引起。生物电势丈量示例包罗心电图(ECG)和脑电图。它们在存在多项滋扰的频段中,检查极低幅度的信号。因此,在对信号举行处置之前,必须对其举行放大和滤波。

 

生物阻抗是另一种丈量方式,可以提供有关身体状态的有用信息。阻抗丈量提供有关电化学流动、身体身分和水合状态的信息。丈量每个参数需要使用差别的丈量手艺。每种丈量手艺所需的电极数目,以及应用该手艺的时间点都因使用的频率局限而异。例如,在丈量皮肤阻抗时使用低频率(高达 200 Hz),而在丈量人体身分时,通常使用 50 kHz 牢固频率。同样,为了丈量水合作用,并正确地评估细胞内和细胞外的液体,会使用差别的频率。

 

一个完整的生物电和生物阻抗丈量系统

 

  • 使用 MEMS 传感器举行的运动丈量

由于 MEMS 传感器可以检测重力加速度,以是它们可用于检测流动和异常,如不稳固的步态、摔倒或脑震荡,甚至是在受试者休息时监测其姿势。此外,MEMS 传感器还可作为光学传感器的弥补,由于后者易受移动伪影影响;当这种情形发生时,可以使用加速度计提供的信息来举行校正。

 

集成模拟前端这样实现多参数丈量

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。在大多数情形下,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)、各自至主处置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。

 

下图显示了 ADPD4000 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,其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。

 

ADPD4000 系列的高级框图

 

使用 ADPD4000 可丈量种种信号。该芯片直接通过毗邻生物电位电极来丈量心脏信号。它能够丈量皮肤电反映,以此跟踪压力或精神状态。它提供 8 个输入用于丈量光电流,8 个电流源用于驱动 LED。此外,该芯片还支持辅助输入,可丈量电容和温度。通过接纳 ADPD4000,装备厂商仅需一颗芯片,就可以建立一个异常节能、小尺寸、经济高效的可穿着系统。

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