可穿戴健康和健身監(jiān)測(cè)器使用各種技術(shù)來(lái)收集廣泛的運(yùn)動(dòng)、總體健康和睡眠信息。對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，問(wèn)題在于如何滿足最終用戶針對(duì)這些可穿戴監(jiān)測(cè)器提出的多功能需求，具體包括脈搏血氧儀 (SpO2)、光密度計(jì) (PPG)、心電圖 (ECG)、血壓和呼吸頻率測(cè)量?jī)x。每一個(gè)額外功能都會(huì)增加設(shè)計(jì)者已經(jīng)面臨的集成、電源管理、性能、重量、開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本方面的挑戰(zhàn)。
例如，SpO2 解決方案通常需要復(fù)雜的電子器件，包括多個(gè)集成電路 (IC)，用來(lái)通過(guò)發(fā)光二極管 (LED)、光敏器、跨阻放大器 (TIA)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和相關(guān)算法創(chuàng)建一條穿過(guò)人體的光路。ECG 需要一個(gè)具有前端儀表放大器和 ADC 的高靈敏度、低噪音模擬電路。這些分立系統(tǒng)還使用額外的硬件來(lái)減少環(huán)境光的影響，抑制電磁干擾 (EMI)。雖然這些解決方案切實(shí)可行，但它們需要大量的 PC 板空間和定制固件，從而增加了成本并延長(zhǎng)了開(kāi)發(fā)時(shí)間。現(xiàn)在需要的是一個(gè)能夠解決許多類似設(shè)計(jì)問(wèn)題的、更完整、集成度更高的集成解決方案。
本文介紹可穿戴設(shè)備和一個(gè)由 LED 驅(qū)動(dòng)器、TIA、帶通濾波器、積分器和 ADC 組成的多參數(shù)檢測(cè)器。本文將介紹如何使用多參數(shù)監(jiān)測(cè)器（Analog Devices 的 ADPD4101）和相關(guān)開(kāi)發(fā)板來(lái)簡(jiǎn)化、加速設(shè)計(jì)。
模擬前端概述
生命體征監(jiān)測(cè)超越了醫(yī)療實(shí)踐界限，延伸到人們的日常生活中。最初，健康生命體征監(jiān)測(cè)是在醫(yī)院和診所的嚴(yán)格醫(yī)療監(jiān)督下進(jìn)行的。微電子工藝和設(shè)計(jì)的進(jìn)步降低了可穿戴檢測(cè)器的成本，從而使得遠(yuǎn)程醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)和健身監(jiān)測(cè)成為可能。隨著向可穿戴設(shè)備陣容的擴(kuò)展壯大，與健康有關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)會(huì)繼續(xù)滿足用戶更高水平的期望。
生命體征監(jiān)測(cè)包括測(cè)量一系列可以顯示個(gè)人健康狀況的生理參數(shù)。例如，SpO2 測(cè)量可以用來(lái)檢測(cè)血液含氧量的百分比和心率。用于 SpO2 可穿戴設(shè)備的合適傳感器是 LED 和光電二極管。
心電圖和生物阻抗測(cè)量能夠確定心率、呼吸、血壓、皮膚電導(dǎo)率和身體組成。這些檢測(cè)生命體征的解決方案必須緊湊、節(jié)能和可靠。監(jiān)測(cè)這些關(guān)鍵體征需要進(jìn)行光學(xué)、生物電勢(shì)和阻抗測(cè)量。
光學(xué)生命體征信號(hào)路徑
SpO2 測(cè)量血液中的氧飽和度百分比和其他生命體征。血液含氧量的測(cè)量采用 SpO2 技術(shù)，該技術(shù)可評(píng)估 LED 在不同光學(xué)頻率下透過(guò)身體的光線。SpO2 測(cè)試可以識(shí)別氧合不良，表示有影響呼吸系統(tǒng)的疾病或紊亂的發(fā)生。測(cè)量SpO2的數(shù)據(jù)也可以估計(jì)出真正的動(dòng)脈血氧飽和度，以及血氧濃度(SaO2)。
在進(jìn)行 SpO2 測(cè)量時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)需要一個(gè)由各種 LED 和光電探測(cè)器組成的工具盒。光學(xué)測(cè)量的典型信號(hào)鏈含有可以產(chǎn)生幾種波長(zhǎng)的 LED，用于全面識(shí)別相對(duì)血氧水平。測(cè)量時(shí)，一系列硅光電二極管將接收到的 LED 光信號(hào)轉(zhuǎn)化為光電流。光電二極管電流經(jīng)過(guò)放大和 ADC 轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生所需的分辨率和精度（圖 1）。
1.jpg
圖 1：SpO2 測(cè)試的信號(hào)鏈從穿過(guò)病人身體的 LED 光信號(hào)開(kāi)始。一個(gè)光電二極管用于捕捉穿過(guò)身體的信號(hào)，將 LED 光轉(zhuǎn)換為皮安培 (pA) 電流信號(hào)。一個(gè) TIA 將該電流轉(zhuǎn)換為電壓并將其發(fā)送至 ADC。（圖片來(lái)源：Analog Devices，由 Bonnie Baker 修改）
SpO2 測(cè)試時(shí)使用 940 nm 波長(zhǎng)紅外 (IR) LED 和 660 nm 紅色波長(zhǎng) LED。通過(guò) 940 nm 的紅外波長(zhǎng)，含氧血紅蛋白吸收更多的紅外光。脫氧血紅蛋白會(huì)吸收更多的 660 nm 紅色波長(zhǎng)的光。光電二極管獨(dú)立地接收來(lái)自兩個(gè) LED 的非吸收光。然而，這些 LED 并不同時(shí)發(fā)射光線。有一個(gè) LED 脈沖序列，以確保交叉誤差可以忽略不計(jì)（圖 2）。
2.jpg
圖 2：SpO2 設(shè)備的 660 nm 紅光 LED (PulseRED) 和紅外 LED (PulseIR) 的計(jì)時(shí)會(huì)確保了沒(méi)有一個(gè) LED 光信號(hào)會(huì)發(fā)生泄露。（圖片來(lái)源：Bonnie Baker）
來(lái)自 LED 的感知信號(hào)會(huì)產(chǎn)生交流和直流分量。交流分量代表動(dòng)脈血的脈動(dòng)性。直流分量是一個(gè)常數(shù)，表示由于組織、靜脈血和非搏動(dòng)動(dòng)脈血決定的光吸收量。該分量是動(dòng)脈的非時(shí)變部分，發(fā)生在心臟的靜止階段。等式 1 給出了 SpO2 百分比的計(jì)算方法：
f1.jpg
分立式 SpO2 測(cè)量電路包括六個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)：LED 驅(qū)動(dòng)放大器、TIA、模擬增益級(jí)、ADC、控制 LED 驅(qū)動(dòng)放大器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，以及用于 ADC 和 DAC 的模擬電壓基準(zhǔn)。
LED 驅(qū)動(dòng)放大器需要在兩個(gè)通道之間循環(huán)，以確保紅光和紅外光不會(huì)相互滲入。TIA 接收光電二極管的電流并將其轉(zhuǎn)換為電壓輸出。增益放大器增大了信號(hào)的幅值，為 TIA 電壓輸出端的 ADC 輸入范圍做準(zhǔn)備。在增益放大器之后，通過(guò)一個(gè) ADC 將信號(hào)數(shù)字化并將其發(fā)送到微控制器或 DSP。最后，整個(gè)信號(hào)鏈需要一個(gè)模擬電壓基準(zhǔn)。
生物電勢(shì)和生物阻抗測(cè)量
生物電位是一種由于身體的電化學(xué)活動(dòng)而產(chǎn)生的電信號(hào)。例如，ECG（心電圖）就是生物電勢(shì)的測(cè)量結(jié)果。一個(gè)特別低的心跳信號(hào)振幅是 0.5 mV 到 4 mV，頻率為 0.05 Hz 到 40 Hz。
在醫(yī)院或醫(yī)生的辦公室，醫(yī)生通過(guò)在固定在病人皮膚上的電極來(lái)監(jiān)測(cè)病人的心臟活動(dòng)。濕電極可確保良好的身體接觸，通常是銀/氯化銀 (Ag/AgCl) 貼片。使用可穿戴設(shè)備的人發(fā)現(xiàn)，這些電極非常不舒服，很容易變干或刺激皮膚。
可穿戴心電圖電路就成為一種替代方案，這種電路會(huì)在檢測(cè)電容上積累電荷。利用由無(wú)源電阻電容 (RC) 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出的優(yōu)化時(shí)間常數(shù)，充電過(guò)程消除了皮膚電極接觸阻抗的變化。在圖 3 中，心電圖信號(hào)耦合到一個(gè) RC 網(wǎng)絡(luò)和 TIA1。這種心電圖電路本身絲毫不會(huì)受到皮膚電極接觸阻抗變化的影響。
3.jpg
圖 3：ECG+ 和 ECG- 貼片與病人之間是干式連接。這些貼片將表皮電荷的變化傳遞給 RC 網(wǎng)絡(luò)。BIO-Z1 和 BIO-Z2 是通過(guò)身體貼片阻 (RBIO-Z) 連接的，并使用 TIA2 測(cè)量與 RBIO-Z 并聯(lián)的皮膚電阻的變化。（圖片來(lái)源：Analog Devices，由 Bonnie Baker 修改）
生物阻抗是另一種提供有用物理信息的測(cè)量參數(shù)。阻抗測(cè)量值提供了有關(guān)身體組成和水化水平的皮膚電活動(dòng)信息。圖 3 中的第二個(gè)傳感電路通過(guò)使用一個(gè)與皮膚電阻并聯(lián)的貼片電阻 RBIO-Z 來(lái)測(cè)量皮膚電阻。這個(gè)測(cè)試不需要 LED 信號(hào)。除非病人在貼片下面產(chǎn)生濕氣或汗液，否則皮膚電阻大約為無(wú)窮大。人體汗液的產(chǎn)生減小了并聯(lián)皮膚電阻，增加了進(jìn)入 TIA2 反相輸入電流。
可穿戴式健康、健身監(jiān)測(cè)器為我們帶來(lái)了獨(dú)特的組合式生理檢測(cè)挑戰(zhàn)。每一個(gè)額外的要求都會(huì)增加電路復(fù)雜性和 PC 板空間。隨著健康和健身監(jiān)測(cè)器選項(xiàng)的增加，對(duì)高度集成、復(fù)雜和緊湊的集成電路的需求也不斷增加。
多模態(tài)集成傳感器
ADPD4100 和 ADPD4101 IC 是完整的多模態(tài)傳感器前端，可激勵(lì) 8 個(gè)LED，并通過(guò)多達(dá) 8 個(gè)獨(dú)立的電流輸入來(lái)測(cè)量返回信號(hào)。有 12 個(gè)時(shí)隙可供選擇，使得每個(gè)采樣期都能進(jìn)行 12 次獨(dú)立測(cè)量。模擬輸入可以是單端驅(qū)動(dòng)，也可以是差分對(duì)形式。八個(gè)模擬輸入復(fù)用為一個(gè)通道或兩個(gè)獨(dú)立的通道，允許對(duì)兩個(gè)傳感器同時(shí)進(jìn)行采樣。這兩種產(chǎn)品的唯一區(qū)別是，ADPD4100 有一個(gè) SPI 接口，ADPD4101 有一個(gè)I2C 接口（圖 4）。
4.jpg
圖 4：ADPD4100 和 ADPD4101 的功能框圖給出了 LED 的驅(qū)動(dòng)輸出通道和模擬輸入通道。輸入通道接收光電二極管或電容電流信號(hào)，以便通過(guò) ADC 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
在圖 4 中，數(shù)字處理定時(shí)控制具有 12 個(gè)時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)了在每個(gè)采樣周期內(nèi)都可進(jìn)行 12 次獨(dú)立測(cè)量。結(jié)合外部 LED 和光電二極管，ADPD4100/ADPD4101 的靈活架構(gòu)有助于設(shè)計(jì)者通過(guò)收集生物電位和生物阻抗數(shù)據(jù)來(lái)滿足他們的可穿戴測(cè)量需求。ADPD4100 含有一個(gè)帶有數(shù)字 SPI 接口的完整模擬模塊。ADPD4101 的數(shù)字接口是 I2C。
ADPD4100/ADPD4101 模擬信號(hào)路徑包括 8 個(gè)電流輸入，可配置為單端或者進(jìn)入兩個(gè)獨(dú)立通道之一的差分對(duì)（圖 5）。
5.jpg
圖 5：模擬信號(hào)路徑框圖中有八個(gè)模擬輸入端子和兩個(gè) TIA。帶通濾波器 (BPF) 在積分器之前，有助于提高 ADC 的分辨率。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
在圖 5 中，通過(guò)兩個(gè) TIA 通道可以選擇同時(shí)對(duì)兩個(gè)傳感器進(jìn)行采樣。每個(gè)通道可以接入一個(gè)具有可編程增益 (RF) 的 TIA，一個(gè)帶通濾波器 (BPF)（其高通角頻率 100 kHz，低通截止頻率為 390kHz），以及一個(gè)能夠?qū)γ總€(gè)采樣值進(jìn)行 ±7.5 微微庫(kù)倫 (pC) 積分的積分器。每個(gè)通道都被時(shí)分復(fù)用到一個(gè) 14 位 ADC 中。在圖 5 中，RINT 是積分器輸入的串聯(lián)電阻。
ADPD4100/ADPD4101 解決了設(shè)計(jì)者在從事可穿戴設(shè)備工作時(shí)面臨的諸多挑戰(zhàn)。生物醫(yī)學(xué)前端以其高性能、雙通道傳感器輸入級(jí)、激勵(lì)通道、數(shù)字處理引擎和定時(shí)控制能力而滿足了所有的要求。這一代多模態(tài)傳感器的信噪比規(guī)格提高到了 100 分貝 (dB)，整個(gè)系統(tǒng)的功耗降低至（30 微瓦 (μW)）。
ADPD4101 評(píng)估板
EVAL-ADPD4100Z-PPG 評(píng)估板（圖 6）非常適合考慮使用 ADPD4100/ADPD4101 光度計(jì)前端的設(shè)計(jì)人員。該板為生命體征監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的分立式光學(xué)設(shè)計(jì)，特別是基于手腕的 PPG。
6.jpg
圖 6：EVAL-ADPD4100Z-PPG 評(píng)估板有助于評(píng)估 ADPD4100/ADPD4101，該器件適合基于手腕的 PPG 設(shè)計(jì)。光學(xué)元件（右）包括三個(gè)綠色、一個(gè)紅外和一個(gè)紅色 LED 以及一個(gè)光電二極管。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
EVAL-ADPD4100Z-PPG 有三個(gè)綠色、一個(gè)紅外和一個(gè)紅色 LED，這些 LED 均采取單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。還有一個(gè)單獨(dú)的板載光電二極管，使得該評(píng)估板可以立即投入使用。
ADPD4101 參考設(shè)計(jì)
EVAL-CN0503-ARDZ 參考設(shè)計(jì)是用于將傳感器連接 ADPD4101 的一種有用工具。該參考設(shè)計(jì)并非專門(mén)針對(duì)可穿戴式監(jiān)測(cè)器，但非常有助于了解 CN0503 用戶指南是如何說(shuō)明 EVAL-CN0503-ARDZ 使用 ADPD4101 檢測(cè)濁度、pH 值、化學(xué)成分和其他物理特性的。EVAL-CN0503-ARDZ 參考設(shè)計(jì)是一個(gè)可重新配置的多參數(shù)光學(xué)液體平臺(tái)，可用于比色和熒光測(cè)量（圖 7）。
7.jpg
圖 7：Devices EVAL-CN0503-ARDZ 光學(xué)液體測(cè)量平臺(tái)的簡(jiǎn)化圖。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
EVAL-CN0503-ARDZ 與 EVAL-ADICUP3029 開(kāi)發(fā)板相結(jié)合，可提供四個(gè)可配置光路（圖 8）。兩條外部光路還包括垂直光電二極管和濾光片托架，用于熒光和散射測(cè)量。每個(gè)光路都有一個(gè)激勵(lì) LED、聚光鏡、分光器、參考光電二極管和發(fā)射光電二極管。
8.jpg
圖 8：完全組裝好的位于頂部的 EVAL-CN503-ARDZ，EVAL-AIDCUP3029 位于底部。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
這種光學(xué)設(shè)置與 CN0503 設(shè)備驅(qū)動(dòng)器和 Wavetool 評(píng)估軟件相結(jié)合，提供了一條通往綜合性液體光學(xué)分析的途徑。
結(jié)語(yǔ)
設(shè)計(jì)師們一直被要求為可穿戴檢測(cè)器增加更多功能。這樣會(huì)使設(shè)計(jì)過(guò)程更加雜化、更慢并增加元件的成本、功耗。這就需要一種更全面的健康監(jiān)測(cè)方法。
如圖所示，Analog Devices 的 ADPD4101 實(shí)現(xiàn)了一個(gè) LED、光電探測(cè)器、ADC 信號(hào)路徑和 12 個(gè)定時(shí)信號(hào)路徑的組合，為可穿戴醫(yī)療和娛樂(lè)設(shè)備創(chuàng)造了一個(gè)堅(jiān)固耐用的高精度檢測(cè)系統(tǒng)。憑借 ADPD4101 的多個(gè) LED、模擬通道以及出色的計(jì)時(shí)算法，該器件為可穿戴 SpO2、心臟 ECG 和皮膚電阻測(cè)量提供了一種理想的解決方案。
來(lái)源：Digi-Key
作者：Bonnie Baker
