生命体征监测技术:对人体实施状态监控

简介

生命体征监测已经超出医疗实践的局限,进入我们一样平常生涯的多个领域。最初,生命体征监测是在严酷的医疗监视下,在医院和诊所举行。微电子手艺的提高降低了监控系统的成本,使这些手艺在远程医疗、运动、健身和康健、事情场所安全等领域加倍普及和普遍,在越来越关注自动驾驶的汽车市场也是云云。虽然实现了这些扩展,然则由于这些应用都与康健高度相关,以是仍然保持很高的质量尺度。

 

生命体征

生命体征监测包罗丈量一系列能显示小我私家康健状态的心理参数。心率是最常见的参数之一,可以通过心电图来检测,心电图可以丈量心跳的频率,最主要的是,可以丈量心跳的转变。心率转变往往由流动引起。在睡眠或休息时,节奏较慢,但往往会随着身体流动、情绪反映、压力或焦虑等因素而加速。

 

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。血液的氧合水平可以使用一种名为光电容积脉搏波(PPG)的手艺举行丈量。缺氧可能与影响呼吸系统的疾病发作或杂乱有关。其他能够反映小我私家身体状态的生命体征丈量因素包罗血压、体温顺皮肤电导反映等。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。最后,丈量运动和姿势可以提供有关受试者流动的有用信息。

 

图 1. 用于光学丈量的信号链

 

丈量生命体征的手艺

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,需要接纳种种传感器,且解决方案必须紧凑、节能和可靠。生命体征监测包罗:

 

  • 光学丈量 

 

 

  • 阻抗丈量

 

  • 使用 MEMS 传感器举行的丈量

 

图 2. 一个完整的生物电和生物阻抗丈量系统

 

光学丈量

光学丈量逾越了尺度的半导体手艺。为了举行这种类型的丈量,需要一个光学丈量工具箱。图 1 所示为光学丈量的典型信号链。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。

 

光学系统封装也具有主要作用。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,一种能够建立光学滤波器的涂层手艺也是选择应用所需的光谱部分和消除不需要的信号所建议的。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。

 

ADI 公司提供一系列光电二极管和种种模拟前端,能够处置从光电二极管接收到的信号并控制 LED。也提供完整的光学系统,它将 LED、光电二极管和前端集成到一个器件中,例如 ADPD188。

 

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。ECG 生物电势丈量普遍用于生命体征监测,ADI 公司提供多种组件来执行此义务,包罗 AD8233、ADAS1000 芯片系列。

 

AD8233 专为可穿着应用设计,可与 ADuCM3029(基于 Cortex®-M3 的片上系统(SoC))相结合,建立一个完整的系统。此外,ADAS1000 系列专为高端应用而设计,具有低能耗高性能的优点,稀奇适合由电池供电的便携式装备,且功率和噪音可扩展(即,噪声水平可以随着功耗的增添成比例降低),是异常适合 clinical 级别的应用的精彩集成解决方案。

 

生物阻抗是另一种丈量方法,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。

 

虽然手艺可能差别,但可以使用一个单端 AD5940 来实行所有生物阻抗和阻抗丈量。此器件提供激励信号和完整的阻抗丈量链,可天生差别的频率来知足多种丈量要求。此外,AD5940 专用于和 AD8233 配合使用,用于建立一个周全的生物阻抗和生物电势读取系统,如图 2 所示。其他用于阻抗丈量的器件包罗 ADuCM35x 系列 SoC 解决方案。除了专用的模拟前端之外,该解决方案还提供 Cortex-M3 微控制器、内存、硬件加速器和用于电化学传感器和生物传感器的通讯外设。

 

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。ADXL362 是医疗领域的热门器件之一,也是现在市场上能耗最低的三轴加速度计。它具有 2 g 至 8 g 的可编程丈量局限和数字输出。

 

图 3.ADPD4000 用于实行光电、生物电势、生物阻抗和温度丈量

 

ADPD4000:通用模拟前端

现在市面上提供的可穿着装备(例如智能手环和智能手表)都提供多种生命体征监测功效。其中最常见的是心率监护仪、计步器和卡路里计算器。此外,还经常丈量血压和体温、皮肤电流动、血容量转变(通过光电容积脉搏波),以及其他指标。随着监测选项的数目增添,对高度集成的电子组件的需求也不停增添。ADPD4000 接纳极为天真的架构,旨在辅助设计职员知足此需求。除了提供生物电势和生物阻抗读数外,它还可以治理光电式丈量前端、指导 LED 和读取光电二极管。ADPD4000 配有一个用于抵偿的温度传感器和一个开关矩阵,可以指导所需的输出和获取信号,无论是单端信号或差分电压信号均可。输出可以选择,可以是单端输出或差分输出,详细由 ADPD4000 要毗邻的 ADC 的输入要求决议。该器件可以编程接纳 12 个差别的时间带,每个专用于处置特定的传感器。图 3 总结了在几种典型应用中 ADPD4000 的要害特征。

 

结论

随着科技提高,生命体征监测在各行各业,以及在我们的一样平常生涯中都变得越来越普遍。无论是用于治疗照样预防,这种与康健有关的解决方案都需要接纳可靠有用的手艺。设计生命体征监测系统的职员将能够在 ADI 专用于实行信号处置的大量产物系列中找到一系列解决方案来应对他们面临的设计挑战。

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