【導讀】過去十年見證了手機、可穿戴設備和數字健康領域的巨大進步。尤其是隨著電子技術的不斷發展以及云計算、人工智能(AI)、物聯網(IoT)和5G等技術的新突破，數字醫療健康得到了迅速擴張和采用。一些生命體征監測(VSM)功能已內置于手機、手表和其他智能可穿戴設備中，因此得到了更廣泛人群的使用。
人們對健康的認識日益提高引發了對小型但高精度設備的需求，這些設備應能測量各種生命體征和健康指標，例如體溫、心率、呼吸頻率、血氧飽和度(SpO2)、血壓和身體成分。COVID-19大流行更是導致對用于醫院和家庭多參數生命體征（包括體溫、SpO2和心率）監測設備的需求激增。對小型且方便的健康跟蹤設備（最好是智能可穿戴設備）的需求已達到新高。
在這種小型設備上增加多種檢測功能存在著挑戰，因為其需要更小的外形尺寸、更低的功耗以及性能顯著改善的多參數功能。但是，現在可以通過單一模擬前端(AFE)解決方案來應對這些挑戰。這種新型AFE可以用作多參數生命體征監測中心，支持同步測量。它具有低噪聲、高信噪比(SNR)、小尺寸和低功耗等特性，可以顯著改善醫療設備，尤其是可穿戴技術。對于醫生、患者和消費者而言，它使得生命體征監測比以前更容易，并提供更高的性能、更長的電池壽命和更高的精度，且不會有多種設備造成的煩擾和不適感。本文討論該單一模擬前端解決方案的一些突破性功能和特性。
新型模擬前端概述
ADPD4100/ADPD4101是一種多模式傳感器AFE，具有8個模擬輸入，支持多達12個可編程時隙。這12個時隙支持在一個采樣周期內進行12個獨立測量。8個模擬輸入復用成一個通道或兩個獨立通道，能夠以單端或差分配置同時對兩個傳感器進行采樣。8個LED驅動器可同時驅動多達4個LED。這些LED驅動器是電流吸收器，與LED電源電壓和LED類型無關。該芯片具有兩個脈沖電壓源用于電壓激勵。新型AFE的信號路徑包括跨阻放大器(TIA)、帶通濾波器(BPF)、積分器(INT)和模數轉換器(ADC)級。數字模塊提供多種工作模式、可編程時序、通用輸入/輸出(GPIO)控制、模塊平均以及可選的二階至四階級聯積分梳狀(CIC)濾波器。數據直接從數據寄存器中讀取，或通過先進先出(FIFO)方法讀取。
這款新AFE有兩個版本。一個具有I2C通信接口，另一個具有SPI端口。ADPD4100/ADPD4101的優勢之一與光學測量有關。它出色的自動環境光抑制能力得益于在結合BPF的同步調制方案中使用可短至1 µs的脈沖，從而無需外部控制環路、直流電流減除或數字算法。使用高于1的抽取系數來提高輸出SNR。它有一個子采樣特性，允許選定時隙以比編程采樣速率低的采樣速率運行，從而節省功耗（功耗與采樣速率成比例）。它還有一個TIA上限檢測特性，當TIA輸入超出典型工作限值時，它會利用TIA輸出引腳上的電壓比較器來設置中斷位。
ADPD4100/ADPD4101是可穿戴健康和健身設備中各種電氣和光學傳感器的理想樞紐，適用于心率和心率變異性(HRV)監測、血壓估計、壓力和睡眠跟蹤以及SpO2測量。這種新型多參數VSM AFE的多種工作模式可以容納醫療健康應用中的不同傳感器測量，包括但不限于光電容積脈搏波描記(PPG)、心電圖(ECG)、皮膚電活動(EDA)、身體成分、呼吸、溫度和環境光測量。
PPG測量
PPG測量可檢測與每個心動周期相關的組織微血管床的血容量變化。光的總吸收與心臟收縮和舒張事件引起的血容量變化相關聯，產生PPG信號。PPG測量按如下方式進行：將LED光脈沖射入人體組織，然后用光電二極管收集反射/透射的光，并將光轉換為光電流。ADPD4100/ADPD4101處理和測量光電流，并產生數字PPG信號。針對不同的PPG測量情況，無需對硬件連接進行任何更改便可靈活地將該AFE配置為四種工作模式之一：連續連接模式、多次積分模式、浮空模式和數字積分模式。
圖1.典型PPG電路
連續連接模式
連續連接模式是PPG測量的典型模式。它提供最佳的環境光抑制性能和高SNR。該模式在低至5 nA/mA至10 nA/mA的電荷傳輸比（CTR，光電流與LED電流之比）下能夠很好地工作，并提供95 dB至100 dB的DC SNR。這些性能水平可以通過增加抽取系數來提高。該模式使用完整的模擬信號路徑，即TIA + BPF + INT + ADC。每次ADC轉換時，傳入的電荷積分一次。在單個激勵事件（如PPG）中，當對來自傳感器響應的電荷進行積分時，積分器的大部分動態范圍會被使用。在預調理周期之后，TIA連續連接到輸入，故輸入信號未被調制。為了降低噪聲，光電二極管的陽極被預調理到TIA的基準電壓(TIA_VREF)。通常將TIA_VREF設置為1.27 V，以獲得TIA的最大動態范圍。光電二極管的陰極連接到陰極電壓源(VCx)引腳，通常將該器件設置為向光電二極管陰極提供TIA_VREF + 215 mV的電壓，以在光電二極管上產生215 mV的反向偏置。這會減少信號路徑噪聲和光電二極管電容。在這種模式下，典型LED脈沖寬度為2μs。短LED脈沖可提供最佳環境光抑制性能。使用多個LED脈沖時，脈沖數每增加一倍，SNR便提高3 dB。由于斬波能消除積分器的低頻噪聲成分，因此通常使能積分器斬波以獲得最高SNR。選擇的TIA增益越高，折合到輸入端的噪聲越低，但TIA的動態范圍會減小。TIA的動態范圍計算如下：動態范圍 = (TIA_VREF)/(TIA增益)。為了提高ADC飽和電平，可以減小TIA增益，或者增加積分器電阻。選擇較高的積分器電阻可降低噪聲，但選擇較低的積分器電阻會增加環境光裕量。
多次積分模式
多次積分模式與連續連接模式大致相同，不同之處在于，每次ADC轉換要對傳入的電荷積分多次。此模式可用在弱光情況下獲得高SNR，因為對于每個激勵事件，它只使用少量（有時小于50%）動態范圍。由于在ADC轉換之前進行多次積分，因此它可以利用更大的積分器動態范圍。每次ADC轉換的積分次數增加一倍，SNR就會提高3 dB，這與脈沖數加倍的效果一樣。此模式通常用于小輸入，因此可選擇最高TIA增益。此模式用在CTR低于5 nA/mA且需要良好環境光抑制的情況下。
浮空模式
浮空模式也用于弱光條件下以獲得高SNR。浮空模式支持在光電二極管上進行無噪聲電荷累積。光電二極管與AFE斷開連接（故稱之為“浮空”），以無噪聲方式積累光致電荷。然后，AFE連回光電二極管，光電二極管上的電荷涌入AFE，積分以一種允許每個脈沖處理最大量電荷的方式進行，而信號路徑增加的噪聲量極小。由于是短調制脈沖，電荷轉存會快速發生。因此，信號路徑引起的噪聲增加較小。另外，可以增加浮空時間以獲得更高的信號電平，但光電二極管電容可以積累的電荷量是有限的。在這種模式下，帶通濾波器(BPF)被旁路，因為當通過調制TIA連接來轉移光電二極管中的電荷時，所產生信號的形狀可能會因器件和條件而異。為了可靠地將信號與積分序列對齊，必須旁路BPF。此模式不能提供良好的環境光抑制性能，并且受光電二極管電容限制，但在非常低的光照條件下，它能提供高功耗效率且噪聲較小的測量。
弱光條件下的浮空模式與多次積分模式選擇
在CTR < 5 nA/mA的弱光條件下，典型工作模式是浮空模式。與多次積分模式相比，浮空模式下噪聲更低，因為多次積分模式需要更多積分周期，導致TIA和積分器的噪聲貢獻更大。由于BPF關斷且測量時間更短，浮空模式的功耗效率也比多次積分模式要高。因此，浮空模式下每瓦SNR效率明顯更高。
在PPG測量中，當光電二極管有泄漏或存在大量環境光時，首選多次積分模式。泄漏嚴重的光電二極管不能用于浮空模式，因為在快速電荷轉移發生之前，電荷會泄漏，而不是累積起來。如果環境光很強，浮空模式是不宜的，因為環境光將主導光電二極管上可存儲的電荷量。由于使用BPF和短LED脈沖，多次積分固有地提供出色的環境光抑制性能。
數字積分模式
上面提到的所有模式都使用積分器來對傳入的電荷進行積分。通過數字積分模式也可以對ADC樣本進行數字積分。為了實現數字積分，積分器被轉變為緩沖器。數字積分模式在兩個區域中工作。在亮區，LED發送脈沖，而在暗區，LED熄滅。ADC樣本以1 µs的間隔在亮區和暗區采集，并進行數字積分。從亮樣本中減去暗樣本的積分來計算信號。此模式可以支持較長的LED脈沖。因此，這是光電二極管響應時間較慢且需要較長脈沖的應用的典型工作模式。BPF被旁路并關斷。數字積分模式可提供最佳的功率效率，并且可實現最高的SNR水平。然而，由于使用較長LED脈沖且旁路BPF，其環境光抑制性能不如連續連接模式。數字積分模式不支持在同一時隙中對兩個通道同時采樣。數字積分模式支持100+ dB DC SNR。
數字積分模式的優劣
如前所述，針對PPG測量的典型工作模式是連續連接模式，因為它在CTR大于5 nA/mA的條件下可提供高SNR和出色的環境光抑制性能。但是，數字積分模式可實現最高SNR水平，并提供最優的每瓦SNR效率。因此，如果環境光對應用而言不是問題，并且目標DC SNR高于85 dB，那么可以選擇數字積分模式來有效地實現高SNR。如果目標DC SNR低于85 dB，則與連續連接模式相比，數字積分模式所節省的功率并不明顯。
總而言之，如果光電二極管由于響應時間較慢而需要較長脈沖，或者不需要在一個時隙內同時對兩個通道采樣，那么可以選擇數字積分模式。
此外，如果環境光不是問題，并且目標DC SNR高于85 dB，那么選擇數字積分模式將能實現高功耗效率。
PPG應用
鑒于COVID-19大流行，PPG應用在生命體征監測和健康診斷中變得更加重要。此外，多指標對于檢測至關重要。例如，一些重要的生命體征測量包括心率監測(HRM)、HRV和血氧飽和度（SpO2，可通過脈搏血氧儀和血壓進行測量）。
光學和無創SpO2監測（也稱為脈搏血氧測定）在COVID-19患者的缺氧檢測中已變得非常有價值。缺氧指身體組織缺乏氧供應，是COVID-19的主要癥狀之一。缺氧也可能引起心律加快。因此，光學和無創心率監測對于檢測也很關鍵。
對于將來的可穿戴設備，多種測量功能的集成是最佳的（雖然不一定有必要），ADPD4100/ADPD4101對此極為有利。該AFE可測量任何類型的傳感器輸入（包括溫度、ECG和呼吸測量）。因此，僅使用一個傳感器AFE就能建立完整的多參數VSM平臺。
脈搏血氧測定—SpO2測量
脈搏血氧測定使用紅光（通常為660 nm波長）和紅外(IR) LED（通常為940 nm波長）。脫氧血紅蛋白主要吸收660 nm波長的光，而氧合血紅蛋白主要吸收940 nm波長的光。光電二極管感知未被吸收的光，然后將感知到的信號分為直流分量和交流分量。直流分量代表組織、靜脈血和非搏動性動脈血引起的光吸收。交流分量代表搏動性動脈血。然后按照下式計算SpO2的百分比：
可將ADPD4100/ADPD4101的任意兩個時隙配置為測量對紅光和IR LED的響應，從而測量SpO2。其余時隙可以配置為測量來自不同波長LED的PPG，并且還可以支持ECG測量、導聯脫落檢測、呼吸測量及其他傳感器測量。
表1.ADPD4100/ADPD4101多種工作模式和設置
作為例子，圖2顯示了同步的紅光、綠光和IR PPG信號，以及IR信號的交流和直流部分。
圖2.紅光、綠光和IR PPG，標有IR PPG信號的交流和直流部分
心率監測
心率監測對于檢測COVID-19同樣至關重要。由于缺氧導致氧氣供應下降，心臟開始加快跳動，以為組織提供足夠的氧氣。心率監測在檢測心臟問題或跟蹤健身行為方面也很有價值。
心率監測一般首選波長約為540 nm的綠光LED。它的調制指數高于紅光或IR LED，因而能產生最佳PPG信號。它還提供不錯的CTR水平，因此功耗不會太高。
AC SNR是一個關系信號質量的參數，可以通過DC SNR乘以調制指數來計算。例如，調制指數為1%時，95 dB DC SNR相當于55 dB AC SNR。
ECG測量
ECG測量已納入可穿戴設備中，例如用于抽檢的手表和用于連續監測的胸貼。此類設備通常使用由金屬和其他導電材料制成的電極，這些電極屬于極化電極，被稱為干電極。使用干電極進行ECG測量的主要挑戰是電極-皮膚接觸阻抗很高且過電勢相對較高。
基于常規儀表放大器的ECG解決方案使用緩沖器來減輕與信號衰減相關的高電極-皮膚接觸阻抗影響。右腿驅動(RLD)技術需要第三電極并將基準電壓驅動回人體，在測量電壓的ECG系統中，該技術的作用是抑制人體、電極和電纜所暴露所致的共模電壓。
當應用于ECG測量時，ADPD4100/ADPD4101采用一種新穎的方法，即使用無源電阻電容(RC)電路來跟蹤一對電極上的差分電壓。無源RC電路可以簡單到只有三個元件，即兩個電阻RS和一個電容CS，如圖3a所示。對ECG數據的每次采樣過程分為兩步。
在充電步驟中，兩個輸入引腳（IN7和IN8）浮空。如果充電時間>3τ，則電容CS上的電荷與兩個電極上的差分電壓成正比，其中τ為RS和CS定義的時間常數，τ=2RSCS。在電荷轉移步驟中，電容連接到TIA，電荷轉移到AFE進行測量。這種基于電荷測量的ECG解決方案具有多個優勢，包括：無需緩沖器和RLD的第三電極，系統尺寸因外部元件減少而縮小，以及節省功耗。
圖3.ECG測量配置。(a) RC采樣電路和導聯脫落檢測電路。(b) 每個ECG數據樣本的充電和電荷轉移過程說明。
借助ADPD4100/ADPD4101的設計靈活性，使用基于生物阻抗的方法可以方便地將導聯脫落檢測添加到該ECG解決方案中。圖3a顯示了導聯脫落檢測電路，它將脈沖驅動到一個電極，并在另一電極接收電流。如果一個或兩個電極從皮膚上脫落，則路徑斷開，接收不到電流。圖4顯示了ECG跡線和導聯脫落檢測的接收電流，其中ECG在時隙A中測量，導聯脫落檢測在時隙B中進行。
常規ECG解決方案中的導聯脫落檢測使用上拉電阻電路，會影響ECG電路的輸入阻抗；相比之下，這種基于生物阻抗的在單獨時隙中進行的導聯脫落檢測不會對ECG測量產生影響。利用此直流耦合電路，一旦電極與皮膚的接觸重新建立，便會捕獲到ECG信號。
圖4.ECG測量和導聯脫落檢測。通過直流耦合即時恢復ECG。
基于阻抗的呼吸測量
使用ADPD4100/ADPD4101進行呼吸測量時，檢測的是吸氣和呼氣周期中肺的生物阻抗變化。在重癥監護病房(ICU)中，以及在睡眠期間，對患者進行呼吸測量有利于患者管理，而且能及時報警以挽救生命。這對有呼吸系統疾病和睡眠呼吸中止癥的患者至關重要。僅僅睡眠呼吸中止癥就是一個嚴重的公共健康和安全威脅，在美國有超過2500萬成年人罹患此癥。1
當患者呼吸時，肺的容積會膨脹和收縮，導致胸部阻抗發生變化。通過將電流注入胸部路徑并測量壓降，可以測量該阻抗變化。圖5a顯示了一個參考設計，采用兩個電極進行ECG測量和呼吸監測。圖5b顯示了同步記錄的ECG、呼吸相關阻抗波和PPG。ECG和呼吸利用左右手腕上的不銹鋼干電極測量，PPG利用綠光LED測量。
圖5.ECG和呼吸測量。(a) 采用開爾文檢測方法進行睡眠浮空ECG和呼吸測量的外部電路。(b) ECG、呼吸和PPG同步測量示例。
總結
生命體征監測以智能可穿戴設備的形式擴大了其在消費市場中的存在。可穿戴設備產生的健康信息對健康和疾病管理可以發揮重要作用。為了滿足需求并使這些設備可供更廣泛的人群使用，設計人員必須考慮成本、尺寸和功耗等常見需求。ADI公司的這款突破性AFE ADPD4100/ADPD4101展示了其作為多參數生命體征監測中樞的巨大優勢。單個AFE設計可減少多參數VSM系統的IC數量，從而大大縮減成本和尺寸。此外，采用ADPD4100/ADPD4101設計的多參數系統可以生成同步數據，消除了數據同步的負擔。
參考文獻
1“美國睡眠呼吸中止癥飆升威脅公共衛生”。美國睡眠醫學學會(AASM)。2014年9月。
作者簡介
Yigit Yoleri是ADI公司在馬薩諸塞州威爾明頓市的分子監測部門的一名應用工程師。他致力于光學傳感器的醫療健康、消費和工業應用。他于2019年2月開始在ADI公司工作。他擁有加州大學圣地亞哥分校(UCSD)的電氣和計算機工程碩士學位，專業方向是醫療設備和系統，并擁有土耳其海峽大學電氣和電子工程學士學位。聯系方式：yigit.yoleri@analog.com。
Guixue (Glen) Bu是分子檢測部門的應用工程師，主要從事生物醫學測量技術和應用的研發工作。他于2018年9月加入ADI公司。他擁有清華大學的生物工程學士學位以及普渡大學的生物工程碩士和博士學位。聯系方式：guixue.bu@analog.com。
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