2020年中,世界卫生组织发布报告显示:2000年至2016年期间,全球预期寿命增长了8%以上,健康预期寿命也从平均59岁增长到63岁。年轻一代除了有机会享受到世界一流的医疗健康服务,还受益于越来越智能的健康监测传感器等智能设备——过去十年手机、可穿戴设备和数字健康领域取得巨大进步,数字医疗健康得到了迅速扩张。

 

 

当前的可穿戴设备仍面临着不小的挑战。在其小尺寸的天然限制下,消费者却对低功耗、长续航和高精度的提出了不低的要求。与此同时,随着可穿戴设备监测项目、功能的增加(如心率监测、运动计步、血压及移动支付等),对内部高度集成的电子组件的需求也在不断提高。本文以将ADI ADPD4000单芯片生物医学模拟前端为例,详细解读其产品特点及应用方案。 

 

功能与体积相悖,可穿戴设备如何破局?

根据IDC数据,2019年全年可穿戴设备出货量达到3.365亿部,同比增长了89%。可穿戴市场呈逐年上升趋势的同时,其应用边界也在不断扩张——以智能手表为例,在健康管理方面其需要监测用户的体温、心率、呼吸频率、血氧饱和度、血压和身体成分等各种生命体征和健康指标。面对健康监测功能需求的激增,可穿戴设备内部传感器、芯片等元器件数量也随之“水涨船高”,并带来一系列的连锁反应。

 

比如,如果可穿戴设备将心率监护仪与运动传感器结合使用,可对用户进行活动跟踪。正所谓“牵一发而动全身”,在设备内部意味着在大多数情况下每次测量都由专用模拟前端执行,因此需要多个芯片,这不仅会增大整个电路的尺寸、所需的功率,同时也导致总成本增加。此时,一个可连接各个传感器的主信号链就显得尤为重要。

 

 

ADI公司推出的ADPD4000采用极为灵活的架构,填补了当前市场的空白。除了提供生物电势和生物阻抗读数外,ADPD4000还可以管理光电式测量前端、引导LED和读取光电二极管。同时,ADPD4000配有一个用于补偿的温度传感器和一个开关矩阵,可引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。此外,还可以选择单端输出或差分输出,具体由ADPD4000要连接的ADC的输入要求决定。该器件可以编程采用12个不同的时间带,每个专用于处理特定的传感器。

 

借助ADPD4000,可穿戴ECG实现精准测量

现代医学研究显示,人类心律失常与冠心病、高血压、心脏衰竭等疾病密切相关。因此心率是反应个人健康状况的重要生理参数之一,其可以通过心电图(ECG)来检测。与传统的医用ECG设备相比,可穿戴ECG设备拥有小巧便利的先天优势,不过后者的精度是业界长久以来试图解决的问题。

 

ADPD4000系列的高级框图

 

对于可穿戴ECG而言,无论医用ECG设备采用的银/氯化银此类湿电极,还是干电极,其无法在与用户长期的接触中保证舒适性和精确度。而ADPD4000则完美的解决了这一问题:不管电极质量如何,都能提供精确的测量。基于ADPD4000的ECG电路并不使用电压输入,而是测量检测电容上累积的电荷。同时,通过从无源RC网络和采样速率计算出的最佳时间常数,充电过程可消除皮肤与电极接触阻抗的变化。上图显示了如何通过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变化的影响。

 

使用不同电极测得的两个ECG波形

 

上图则显示了使用不同质量电极测得的两个ECG波形,ADPD4000测得的两个波形几乎完全相同。其中,蓝色波形测量结果采用高质量电极,其串联阻抗为51 kΩ、电容为47 nF。而红色波形测量结果则采用质量较差的高串联阻抗电极,其接触阻抗为510 kΩ、电容为4.7nF。与市场上的替代解决方案相比,这是ADPD4000前端的巨大优势。另一个优势是,该电路具有极高的功效比,因为在充电电容上捕获ECG信号时不必激活该电路。同时,其功耗仅为150 μW至200 μW,对于注重功耗表现的可穿戴ECG设备来说无疑是一大利好。

 

玩转可穿戴两大测量,多功能性是关键

除了心率,呼吸、血压和温度、皮肤电导率和身体成分等生命体征,同样需要辅以相应的监测手段。其中,光学测量和生物阻抗测量,分别需要发光二极管驱动器发光和向体内激励电流。此外,在许多光学系统中需使用不止一种波长。而ADPD4000的多功能性非常好的契合了上述要求。

 

ADPD4000/ADPD4100框图

 

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200mA,而整个驱动器部分则为400mA。其可以根据配置满足多时隙工作,每个时隙都以各自的波长来测量光电心率、血氧饱和度、水合或脱水等。同时,每个接收信号链均具有一个可编程跨阻放大器,其后则是一个双级抑制模块,以消除环境光干扰。

 

ADPD4000用于实施光电、生物电势、生物阻抗和温度测量

 

值得一提的是,许多可穿戴系统还可测量皮肤电导率,适合EDA、压力或精神状态监测等应用。这些应用在测量压降时需要激励电流,而ADPD4000系列支持此用例。此外,ADPD4000在配置为2线或4线测量模式时还可以结合配套芯片AD5940,实现阻抗光谱,用于测量电极质量或导线脱落检测。

 

结语

过去,医疗市场是以医生为中心,患者只在感觉不舒服或有明显健康问题时才去就医。如今,受益于越来越智能的健康监测智能设备的崛起,使得以病人为中心的方法受到了大众的认可。当前,可穿戴设备产生的健康信息对健康和疾病管理可以发挥重要作用。为了满足需求并使这些设备可供更广泛的人群使用,设计人员必须考虑成本、尺寸和功耗等常见需求。

 

ADI公司的这款突破性AFE ADPD4000展示了其作为多参数生命体征监测中枢的巨大优势。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,可以满足上述要求。