多参数生命体征监测比以往任何时候都更容易

作者：Yigit Yoleri and Guixue (Glen) Bu

过去十年见证了移动、可穿戴和数字健康领域的巨大进步。特别是，在电子技术的不断进步以及云计算、人工智能 （AI） 以及物联网 （IoT） 和 5G 等通信技术的最新突破的推动下，数字医疗保健的迅速扩张和采用。一些生命体征监测（VSM）功能已内置于手机、手表和其他智能可穿戴设备中，因此已被更广泛的人群使用。健康意识的提高引起了对小型但高精度设备的需求，这些设备可以测量各种生命体征和健康标志物，例如体温，心率，呼吸频率，血氧饱和度水平（SpO2）、血压和身体成分。特别是，COVID-19 大流行导致对能够监测多种生命体征（包括温度、SpO ）的设备的需求激增2，以及医院和家庭的心率。对小型方便的健康跟踪设备（最好是智能可穿戴设备）的需求已达到历史最高水平。

为此类小型设备添加多种传感功能有其挑战，需要更小的外形尺寸、更低的功耗和多参数功能，并显著提高性能。但是，现在可以通过单个模拟前端解决方案来实现这一点。这种新的AFE可用作同步测量的多参数生命体征监测中心。它具有低噪声、高信噪比 （SNR）、小尺寸和低功耗等特性，可显著改进医疗设备，尤其是可穿戴技术。对于医生、患者和消费者来说，这使得生命体征监测比以前更容易，具有更高的性能、更长的电池寿命和更高的准确性，而不会受到多个设备的干扰。本文讨论了这种单一模拟前端解决方案的一些突破性功能和特性。

新型模拟前端概述

ADPD4100/ADPD4101是一款多模态传感器AFE，具有8个模拟输入，支持多达12个可编程时隙。 12 个时隙可以在一个采样周期内实现 12 个单独的测量。八个模拟输入多路复用为单个通道或两个独立通道，支持在单端或差分配置中同时对两个传感器进行采样。有八个 LED 驱动器可同时驱动多达四个 LED。这些 LED 驱动器是吸电流器，与 LED 电源电压和 LED 类型无关。有两个脉冲电压源用于电压激励。新型AFE的信号路径由跨阻放大器（TIA）、带通滤波器（BPF）、积分器（INT）和模数转换器（ADC）级组成。数字模块提供多种工作模式、可编程时序、通用输入/输出 （GPIO） 控制、模块平均和可选的二阶至四阶级联积分器梳状 （CIC） 滤波器。数据直接从数据寄存器或通过先进先出（FIFO）方法读取。

这种新的AFE有两种变体。一个具有I2C通信接口，另一个具有SPI端口。ADPD4100/ADPD4101的优势之一与光学测量有关。其卓越的自动环境光抑制能力在与 BPF 相结合的同步调制方案中使用短至 1 μs 的脉冲，无需外部控制环路、直流电流减法或数字算法。可以使用高于1的抽取因子来提高输出SNR。有一个子采样功能，允许选定的时隙以比编程采样率慢的采样速率运行，以节省功耗，其中功率与采样率成正比。此外，TIA 天花板检测功能可在 TIA 输入超出典型工作限值时，使用 TIA 输出端子上的电压比较器设置中断位。

ADPD4100/ADPD4101是可穿戴健康和健身设备中各种电气和光学传感器的理想中枢，用于心率和心率变异性（HRV）监测、血压估计、压力和睡眠跟踪以及SpO2测量。这种新型多参数VSM AFE的多种操作模式可以适应各种传感器测量，包括但不限于医疗保健应用中的光电容积脉搏波（PPG）、心电图（ECG）、皮肤电活动（EDA）、身体成分、呼吸、温度和环境光测量。

PPG 测量

PPG测量检测与每个心动周期相关的组织微血管床中的血容量变化。光的总吸收与收缩和舒张事件引起的血容量变化相关，产生PPG信号。PPG测量是通过将LED光脉冲到人体组织中，并使用光电二极管收集产生的反射/透射光，将光转换为光电流来进行的。ADPD4100/ADPD4101处理和测量光电流并产生数字PPG信号。无需对硬件连接进行任何更改，AFE可以灵活配置为针对不同的PPG测量用例以四种不同的模式运行：连续连接模式、多积分模式、浮动模式和数字积分模式。

图1.典型的PPG电路。

连续连接模式

连续连接模式是PPG测量的典型模式。它提供最佳的环境光抑制，并提供高信噪比。它适用于低至 5 nA/mA 至 10 nA/mA 的电荷转移比（CTR、光电流与 LED 电流的关系）水平，可提供 95 dB 至 100 dB 直流 SNR。这些水平可以随着抽取因子的增加而增加。它使用完整的模拟信号路径，TIA + BPF + INT + ADC。每次ADC转换一次输入电荷。在像PPG这样的单个激励事件中，积分器的大部分动态范围在积分来自传感器响应的电荷时被使用。TIA 在预处理周期后连续连接到输入;因此，输入信号不会被调制。为了降低噪声，光电二极管的阳极被预调节到TIA的基准电压（TIA_V裁判).TIA_V裁判通常设置为 1.27 V 以获得 TIA 的最大动态范围。光电二极管的阴极连接到阴极电压源（VCx）引脚，该器件通常设置为提供TIA_V裁判+ 215 mV 到光电二极管的阴极，以在光电二极管上产生 215 mV 反向偏置。这降低了信号路径和光电二极管电容的噪声。在此模式下，典型 LED 脉冲宽度为 2 μs。短 LED 脉冲可提供最佳的环境光抑制性能。使用多个LED脉冲可使脉冲数每增加一倍，SNR增加3 dB。积分器斩波通常能够获得最高的SNR，因为斩波消除了积分器的低频噪声成分。TIA 增益选择越高，折合到输入端的噪声就越低，但会减小 TIA 的动态范围。TIA 的动态范围由动态范围 = （TIA_V裁判）/（TIA 增益）。为了提高ADC饱和水平，可以降低TIA增益，或者增加积分器电阻。较高的积分器电阻选择可降低噪声，但较低的积分器电阻选择可增加环境光裕量。

多种集成模式

多重积分模式与连续连接模式相同，只是每次ADC转换多次积分输入电荷。此模式可用于在低光照情况下获得高SNR，因为它在每个刺激事件中使用少量，有时不到动态范围的50%。因此，由于在ADC转换之前进行多次积分，它允许利用更多的积分器动态范围。每个ADC转换的积分数量每增加一倍，SNR就会增加3 dB，这与脉冲数量增加一倍的效果相同。由于此模式是小输入的典型模式，因此选择最高的TIA增益。此模式用于CTR低于5 nA/mA且需要良好环境光抑制的情况。

浮动模式

浮动模式也用于低光情况下以获得高信噪比。浮动模式允许光电二极管上无噪声电荷累积。光电二极管与AFE断开连接，因此浮动，并以无噪声的方式因光而积累电荷。然后，AFE连接回光电二极管，光电二极管上的电荷冲入AFE，并且积分的方式允许每个脉冲处理最大电荷量，信号路径增加的噪声量最小。电荷的倾倒在短调制脉冲下迅速发生;因此，由于信号路径而增加的噪声较小。此外，可以增加浮动时间以实现更高的信号电平，但光电二极管电容可以累积的电荷量是有限的。在这种模式下，带通滤波器（BPF）被旁路，因为当通过调制与TIA的连接从光电二极管转移电荷时，产生的信号形状可能因器件和条件而异。为了可靠地将信号与积分序列对齐，必须旁路BPF。该模式不能提供良好的环境光抑制性能，并且受到光电二极管电容的限制，但它在非常低的光照条件下提供了节能且噪声较小的测量。

低光照条件下的浮动模式与多种积分模式选择

在CTR为<5 nA/mA的低光照条件下，典型的工作模式是浮动模式。它提供比多积分模式更低的噪声，因为多积分模式需要更多的积分周期，导致更高的TIA和积分器噪声贡献。浮动模式也比多重积分模式更节能，因为BPF断电且测量时间更短。因此，在浮动模式下，每瓦SNR效率明显更高。

当光电二极管泄漏或PPG测量中存在大量环境光时，首选多重积分模式。泄漏光电二极管不能与浮动模式一起使用，因为电荷会泄漏，而不是在快速电荷转储发生之前累积。如果环境光很大，则浮动模式不利，因为环境光主导了光电二极管上可以存储的电荷量。多重集成固有地提供了出色的环境光抑制，因为使用了BPF和短LED脉冲。

数字集成模式

到目前为止提到的所有模式都使用积分器来积分传入的费用。ADC样本也可以通过数字积分模式进行数字积分。为了实现数字积分，积分器被转换为缓冲器。数字集成模式适用于两个区域。在亮区域，LED 是脉冲的，在暗区，LED 是熄灭的。 ADC 采样在亮区和暗区以 1 μs 的间隔采集，并以数字方式进行积分。信号是通过从照明样本中减去暗样本的积分来计算的。此模式可支持更长的 LED 脉冲;因此，这是光电二极管响应时间较慢且需要较长脉冲的典型工作模式。BPF 被旁路并断电。数字积分模式提供最佳的电源效率，并实现最高的SNR水平。然而，由于更长的LED脉冲和旁路BPF，环境光抑制低于连续连接模式。数字积分模式不支持在同一时隙内同时采样两个通道。数字积分模式可支持100+ dB直流信噪比。

数字集成模式的优缺点

如前所述，PPG测量的典型工作模式是连续连接模式，因为它在CTR大于5 nA/mA的条件下提供高SNR和出色的环境光抑制。然而，数字积分模式可实现最高的SNR水平，并提供优化的每瓦SNR效率。因此，如果环境光对应用来说不是问题，并且目标直流SNR高于85 dB，则可以选择数字积分模式以有效地实现高SNR。如果目标直流SNR低于85 dB，则与连续连接模式相比，数字集成的功耗节省并不显著。

总而言之，如果光电二极管响应时间较慢，需要更长的脉冲，或者不需要在一个时隙内同时采样两个通道，则可以选择数字积分模式。此外，当环境光不是问题且目标直流SNR高于85 dB时，选择数字积分模式将实现电源效率。

PPG 应用

鉴于 COVID-19 大流行，PPG 应用在生命体征监测和健康诊断中变得更加重要。此外，多个指标对于检测至关重要。例如，一些关键的生命体征测量包括心率监测 （HRM）、HRV 和血氧饱和度 （SpO2），可以通过脉搏血氧仪和血压进行测量。

光学和非侵入性SpO2监测，也称为脉搏血氧仪，在检测 COVID-19 患者的缺氧方面变得非常有价值。缺氧是 COVID-19 的主要症状之一，是剥夺身体组织的氧气供应。缺氧也可能导致心率加快;因此，光学和无创心率监测对于检测也至关重要。

即使未来可穿戴设备不需要，但多种测量功能的集成是最佳的，这使得ADPD4100/ADPD4101极具优势。该AFE测量任何类型的传感器输入（包括温度，ECG和呼吸测量）。因此，只需一个传感器AFE即可建立完整的多参数VSM平台。

脉搏血氧饱和度—SpO2 测量

脉搏血氧饱和度测定通过红色（通常为 660 nm 波长）和红外 （IR） LED（通常为 940 nm 波长）完成。脱氧血红蛋白吸收更多的660nm波长光，氧合血红蛋白吸收更多的940nm波长。光电二极管感知未吸收的光。然后将感知到的信号分为直流和交流分量。直流分量表示组织、静脉血和非搏动性动脉血对光的吸收。交流成分代表搏动性动脉血。The SpO2然后由以下公式计算百分比：

%SpO2= （交流电）红/直流红）/（交流电红外/直流红外)

ADPD4100/ADPD4101的任意两个时隙可以配置为测量对红色和红外LED的响应，以测量SpO2.其余时隙可以配置为测量来自不同波长LED的PPG，还可以支持ECG测量、导联脱落检测、呼吸测量和任何其他传感器测量。

模式	典型设置	评论
连续连接模式	SAMPLE_TYPE=0 MOD_TYPE=0 NUM_INT=1 NUM_REPEAT≥1	PPG 测量的典型模式 最佳环境光抑制 提供低噪声和低功耗性能 可通过积分器斩波和抽取实现 95+ dB 直流 SNR 需要不错的点击率 （>5 nA/mA）
数字集成模式	SAMPLE_TYPE=1|2 MOD_TYPE=0 NUM_INT≥1 NUM_REPEAT≥1	在 85+ dB 直流 SNR 下提供最佳电源效率 由于使用了更长的 LED 脉冲，可以提供最高的直流 SNR 水平 （100+ dB） 适用于环境光不成问题的应用 适用于传感器因响应时间慢而无法处理短脉冲的应用 不支持两个通道/源的同时采样
浮动模式	SAMPLE_TYPE=0 MOD_TYPE=1 NUM_INT=1 NUM_REPEAT≥1	在弱光条件下工作 （CTR <5 nA/mA） 当连续连接模式无法提供满量程的 50% 时使用 适用于环境光不是问题的应用 提供比多种集成模式更低的噪声和更低的功耗
多种集成模式	SAMPLE_TYPE=0 MOD_TYPE=0 NUM_INT>1 NUM_REPEAT≥1	在弱光条件下工作 （CTR <5 nA/mA） 当连续连接模式无法提供满量程的 50% 时使用 适用于需要高环境光抑制的应用

图2显示了同步的红色、绿色和IR PPG信号，以及IR信号的交流和直流部分作为示例。

图2.红色、绿色和红外 PPG 标有红外 PPG 信号的交流和直流部分。

心率监测

心率监测对于检测COVID-19也至关重要。当氧气供应因缺氧而下降时，心脏开始跳动得更快，以便为组织提供足够的氧气。监测心率在检测心脏问题或跟踪健身行为方面也很有价值。

波长约为 540 nm 的绿色 LED 通常是心率监测的首选。它产生最佳的PPG信号，因为它具有比红色或红外LED更高的调制指数。它还提供了不错的点击率水平;因此，功耗不会太高。

交流信噪比是信号质量的参数，可以通过直流信噪比倍调制指数计算。例如，当调制指数为1%时，95 dB 直流信噪比转换为 55 dB 交流信噪比。

心电图测量

心电图测量已被添加到可穿戴设备中，例如用于抽查的手表和用于连续监测的胸贴。由金属和其他导电材料制成的电极，极化并称为干电极，通常在此类设备中找到。使用干电极进行ECG测量的主要挑战是电极-皮肤接触阻抗高和相对较高的过电位。

传统的基于仪表放大器的ECG解决方案使用缓冲器来减轻与信号衰减相关的高电极-皮肤接触阻抗。右腿驱动（RLD）技术需要第三个电极并将参考电压驱动回身体，用于抑制人体，电极和电缆在测量电压的ECG系统中暴露的共模电压。

当应用于ECG测量时，ADPD4100/ADPD4101采用一种新颖的方法，使用无源电阻电容（RC）电路跟踪一对电极上的差分电压。无源RC电路可以简单到三个元件，两个电阻RS和一个电容器 CS，如图 3a 所示。对于每个心电图数据样本，这是一个两步过程。

两个输入引脚（IN7和 IN8） 在充电步骤中浮动。电容器 C 上的电荷S如果充电时间为 >3τ，则与两个电极上的差分电压成正比，其中 τ 是由 R 定义的时间常数S和 CS， τ=2RSCS.在电荷转移步骤中，电容器连接到TIA，电荷转移到AFE进行测量。这种基于电荷测量的ECG解决方案具有多种优势，包括省去了RLD的缓冲器和第三个电极，通过更少的外部元件缩小了系统尺寸，并节省了功耗。

图3.心电图测量配置。（a） RC采样电路和导联脱落检测电路。（b） 每个心电图数据样本的充电和电荷转移过程图示。

利用ADPD4100/ADPD4101的设计灵活性，使用基于生物阻抗的方法，可以方便地将导联脱落检测添加到该ECG解决方案中。图3a显示了导联脱落检测电路，该电路将脉冲驱动到一个电极，在另一个电极上接收电流。如果一个或两个电极与皮肤分离，则路径断开，不接收电流。图4显示了用于导联脱落检测的ECG和接收电流的迹线，其中ECG在时隙A中测量，导联脱落检测在时隙B中测量。

与传统ECG解决方案中用于导联脱落检测的上拉电阻电路相比，后者会影响ECG电路的输入阻抗，这种在独立时隙中基于生物阻抗的导联脱落检测对ECG测量没有影响。使用这种直流耦合电路，一旦电极与皮肤接触重新建立，就会捕获ECG。

图4.心电图测量和导联脱落检测。通过直流耦合瞬时恢复心电图。

基于阻抗的呼吸测量

使用 ADPD4100/ADPD4101 进行呼吸测量可检测吸气和呼气循环期间肺部的生物阻抗变化。用于重症监护病房 （ICU） 和睡眠期间患者监测的呼吸测量允许患者管理和及时报警以挽救生命。对于有呼吸系统疾病和睡眠呼吸暂停的患者至关重要。仅睡眠呼吸暂停就是一种公共卫生和安全威胁，美国有超过2500万成年人患病1

当患者呼吸时，肺的体积膨胀和收缩，导致胸部阻抗的变化。阻抗变化可以通过向胸部的路径注入电流并测量压降来测量。图5a显示了一个参考设计，该设计采用两个电极进行ECG测量和呼吸监测。图5b显示了同步记录的ECG、呼吸相关阻抗波和PPG。使用左右手腕上的不锈钢干电极测量心电图和呼吸，使用绿色LED测量PPG。

图5.心电图和呼吸测量。（a） 用于睡眠浮动心电图和开尔文传感方法呼吸测量的外部电路。（b） 同步心电图、呼吸和PPG测量的例子。

总结

生命体征监测以智能可穿戴设备的形式扩大了其在消费市场的存在。可穿戴设备生成的健康信息可以在健康和疾病管理中发挥重要作用。为了满足需求并使更广泛的人群能够使用这些设备，设计人员必须考虑成本、尺寸和功耗等常见要求。ADI公司的突破性AFEADPD4100/ADPD4101展示了其作为多参数生命体征监测中心的巨大优势。单个AFE设计减少了多参数VSM系统的IC数量，从而大大降低了成本和尺寸。此外，采用ADPD4100/ADPD4101设计的多参数系统可生成同步数据，并消除数据同步的负担。

审核编辑：郭婷