可穿戴健康和健身監(jiān)測器使用各種技術(shù)來收集廣泛的運動、總體健康和睡眠信息。對于設(shè)計者來說，問題在于如何滿足最終用戶針對這些可穿戴監(jiān)測器提出的多功能需求，具體包括脈搏血氧儀 (SpO2)、光密度計 (PPG)、心電圖 (ECG)、血壓和呼吸頻率測量儀。每一個額外功能都會增加設(shè)計者已經(jīng)面臨的集成、電源管理、性能、重量、開發(fā)時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，包括多個集成電路 (IC)，用來通過發(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)建一條穿過人體的光路。ECG 需要一個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了開發(fā)時間。現(xiàn)在需要的是一個能夠解決許多類似設(shè)計問題的、更完整、集成度更高的集成解決方案。
本文介紹可穿戴設(shè)備和一個由 LED 驅(qū)動器、TIA、帶通濾波器、積分器和 ADC 組成的多參數(shù)檢測器。本文將介紹如何使用多參數(shù)監(jiān)測器（Analog Devices 的 ADPD4101）和相關(guān)開發(fā)板來簡化、加速設(shè)計。
模擬前端概述
生命體征監(jiān)測超越了醫(yī)療實踐界限，延伸到人們的日常生活中。最初，健康生命體征監(jiān)測是在醫(yī)院和診所的嚴格醫(yī)療監(jiān)督下進行的。微電子工藝和設(shè)計的進步降低了可穿戴檢測器的成本，從而使得遠程醫(yī)療、運動和健身監(jiān)測成為可能。隨著向可穿戴設(shè)備陣容的擴展壯大，與健康有關(guān)的質(zhì)量標準會繼續(xù)滿足用戶更高水平的期望。
生命體征監(jiān)測包括測量一系列可以顯示個人健康狀況的生理參數(shù)。例如，SpO2 測量可以用來檢測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。這些檢測生命體征的解決方案必須緊湊、節(jié)能和可靠。監(jiān)測這些關(guān)鍵體征需要進行光學(xué)、生物電勢和阻抗測量。
光學(xué)生命體征信號路徑
SpO2 測量血液中的氧飽和度百分比和其他生命體征。血液含氧量的測量采用 SpO2 技術(shù)，該技術(shù)可評估 LED 在不同光學(xué)頻率下透過身體的光線。SpO2 測試可以識別氧合不良，表示有影響呼吸系統(tǒng)的疾病或紊亂的發(fā)生。測量SpO2的數(shù)據(jù)也可以估計出真正的動脈血氧飽和度，以及血氧濃度(SaO2)。
在進行 SpO2 測量時，光學(xué)系統(tǒng)需要一個由各種 LED 和光電探測器組成的工具盒。光學(xué)測量的典型信號鏈含有可以產(chǎn)生幾種波長的 LED，用于全面識別相對血氧水平。測量時，一系列硅光電二極管將接收到的 LED 光信號轉(zhuǎn)化為光電流。光電二極管電流經(jīng)過放大和 ADC 轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生所需的分辨率和精度（圖 1）。
圖 1：SpO2 測試的信號鏈從穿過病人身體的 LED 光信號開始。一個光電二極管用于捕捉穿過身體的信號，將 LED 光轉(zhuǎn)換為皮安培 (pA) 電流信號。一個 TIA 將該電流轉(zhuǎn)換為電壓并將其發(fā)送至 ADC。（圖片來源：Analog Devices，由 Bonnie Baker 修改）
SpO2 測試時使用 940 nm 波長紅外 (IR) LED 和 660 nm 紅色波長 LED。通過 940 nm 的紅外波長，含氧血紅蛋白吸收更多的紅外光。脫氧血紅蛋白會吸收更多的 660 nm 紅色波長的光。光電二極管獨立地接收來自兩個 LED 的非吸收光。然而，這些 LED 并不同時發(fā)射光線。有一個 LED 脈沖序列，以確保交叉誤差可以忽略不計（圖 2）。
圖 2：SpO2 設(shè)備的 660 nm 紅光 LED (PulseRED) 和紅外 LED (PulseIR) 的計時會確保了沒有一個 LED 光信號會發(fā)生泄露。（圖片來源：Bonnie Baker）
來自 LED 的感知信號會產(chǎn)生交流和直流分量。交流分量代表動脈血的脈動性。直流分量是一個常數(shù)，表示由于組織、靜脈血和非搏動動脈血決定的光吸收量。該分量是動脈的非時變部分，發(fā)生在心臟的靜止階段。等式 1 給出了 SpO2 百分比的計算方法：
等式 1
分立式 SpO2 測量電路包括六個關(guān)鍵系統(tǒng)：LED 驅(qū)動放大器、TIA、模擬增益級、ADC、控制 LED 驅(qū)動放大器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，以及用于 ADC 和 DAC 的模擬電壓基準。
LED 驅(qū)動放大器需要在兩個通道之間循環(huán)，以確保紅光和紅外光不會相互滲入。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的幅值，為 TIA 電壓輸出端的 ADC 輸入范圍做準備。在增益放大器之后，通過一個 ADC 將信號數(shù)字化并將其發(fā)送到微控制器或 DSP。最后，整個信號鏈需要一個模擬電壓基準。
生物電勢和生物阻抗測量
生物電位是一種由于身體的電化學(xué)活動而產(chǎn)生的電信號。例如，ECG（心電圖）就是生物電勢的測量結(jié)果。一個特別低的心跳信號振幅是 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)生通過在固定在病人皮膚上的電極來監(jiān)測病人的心臟活動。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，這種電路會在檢測電容上積累電荷。利用由無源電阻電容 (RC) 網(wǎng)絡(luò)計算出的優(yōu)化時間常數(shù)，充電過程消除了皮膚電極接觸阻抗的變化。在圖 3 中，心電圖信號耦合到一個 RC 網(wǎng)絡(luò)和 TIA1。這種心電圖電路本身絲毫不會受到皮膚電極接觸阻抗變化的影響。
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 是通過身體貼片阻 (RBIO-Z) 連接的，并使用 TIA2 測量與 RBIO-Z 并聯(lián)的皮膚電阻的變化。（圖片來源：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量參數(shù)。阻抗測量值提供了有關(guān)身體組成和水化水平的皮膚電活動信息。圖 3 中的第二個傳感電路通過使用一個與皮膚電阻并聯(lián)的貼片電阻 RBIO-Z 來測量皮膚電阻。這個測試不需要 LED 信號。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窮大。人體汗液的產(chǎn)生減小了并聯(lián)皮膚電阻，增加了進入 TIA2 反相輸入電流。
可穿戴式健康、健身監(jiān)測器為我們帶來了獨特的組合式生理檢測挑戰(zhàn)。每一個額外的要求都會增加電路復(fù)雜性和 PC 板空間。隨著健康和健身監(jiān)測器選項的增加，對高度集成、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 8 個LED，并通過多達 8 個獨立的電流輸入來測量返回信號。有 12 個時隙可供選擇，使得每個采樣期都能進行 12 次獨立測量。模擬輸入可以是單端驅(qū)動，也可以是差分對形式。八個模擬輸入復(fù)用為一個通道或兩個獨立的通道，允許對兩個傳感器同時進行采樣。這兩種產(chǎn)品的唯一區(qū)別是，ADPD4100 有一個 SPI 接口，ADPD4101 有一個I2C 接口（圖 4）。
圖 4：ADPD4100 和 ADPD4101 的功能框圖給出了 LED 的驅(qū)動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，以便通過 ADC 進行轉(zhuǎn)換。（圖片來源：Analog Devices）
在圖 4 中，數(shù)字處理定時控制具有 12 個時隙，實現(xiàn)了在每個采樣周期內(nèi)都可進行 12 次獨立測量。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)計者通過收集生物電位和生物阻抗數(shù)據(jù)來滿足他們的可穿戴測量需求。ADPD4100 含有一個帶有數(shù)字 SPI 接口的完整模擬模塊。ADPD4101 的數(shù)字接口是 I2C。
ADPD4100/ADPD4101 模擬信號路徑包括 8 個電流輸入，可配置為單端或者進入兩個獨立通道之一的差分對（圖 5）。
圖 5：模擬信號路徑框圖中有八個模擬輸入端子和兩個 TIA。帶通濾波器 (BPF) 在積分器之前，有助于提高 ADC 的分辨率。（圖片來源：Analog Devices）
在圖 5 中，通過兩個 TIA 通道可以選擇同時對兩個傳感器進行采樣。每個通道可以接入一個具有可編程增益 (RF) 的 TIA，一個帶通濾波器 (BPF)（其高通角頻率 100 kHz，低通截止頻率為 390kHz），以及一個能夠?qū)γ總€采樣值進行 ±7.5 微微庫倫 (pC) 積分的積分器。每個通道都被時分復(fù)用到一個 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)計者在從事可穿戴設(shè)備工作時面臨的諸多挑戰(zhàn)。生物醫(yī)學(xué)前端以其高性能、雙通道傳感器輸入級、激勵通道、數(shù)字處理引擎和定時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)，整個系統(tǒng)的功耗降低至（30 微瓦 (μW)）。
ADPD4101 評估板
val-ADPD4100Z-PPG/13146542">eval-ADPD4100Z-PPG 評估板（圖 6）非常適合考慮使用 ADPD4100/ADPD4101 光度計前端的設(shè)計人員。該板為生命體征監(jiān)測應(yīng)用提供了一個簡單的分立式光學(xué)設(shè)計，特別是基于手腕的 PPG。
圖 6：eval-ADPD4100Z-PPG 評估板有助于評估 ADPD4100/ADPD4101，該器件適合基于手腕的 PPG 設(shè)計。光學(xué)元件（右）包括三個綠色、一個紅外和一個紅色 LED 以及一個光電二極管。（圖片來源：Analog Devices）
eval-ADPD4100Z-PPG 有三個綠色、一個紅外和一個紅色 LED，這些 LED 均采取單獨驅(qū)動。還有一個單獨的板載光電二極管，使得該評估板可以立即投入使用。
ADPD4101 參考設(shè)計
val-CN0503-ARDZ/12697944">eval-CN0503-ARDZ 參考設(shè)計是用于將傳感器連接 ADPD4101 的一種有用工具。該參考設(shè)計并非專門針對可穿戴式監(jiān)測器，但非常有助于了解 CN0503 用戶指南是如何說明 eval-CN0503-ARDZ 使用 ADPD4101 檢測濁度、pH 值、化學(xué)成分和其他物理特性的。eval-CN0503-ARDZ 參考設(shè)計是一個可重新配置的多參數(shù)光學(xué)液體平臺，可用于比色和熒光測量（圖 7）。
圖 7：Devices eval-CN0503-ARDZ 光學(xué)液體測量平臺的簡化圖。（圖片來源：Analog Devices）
eval-CN0503-ARDZ 與 val-ADICUP3029/7068733">eval-ADICUP3029 開發(fā)板相結(jié)合，可提供四個可配置光路（圖 8）。兩條外部光路還包括垂直光電二極管和濾光片托架，用于熒光和散射測量。每個光路都有一個激勵 LED、聚光鏡、分光器、參考光電二極管和發(fā)射光電二極管。
圖 8：完全組裝好的位于頂部的 eval-CN503-ARDZ，eval-AIDCUP3029 位于底部。（圖片來源：Analog Devices）
這種光學(xué)設(shè)置與 CN0503 設(shè)備驅(qū)動器和 valuation-hardware-and-software/evaluation-boards-kits/eval-ADPD4100-4101.html#eb-relatedsoftware" target="_blank">Wavetool 評估軟件相結(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
設(shè)計師們一直被要求為可穿戴檢測器增加更多功能。這樣會使設(shè)計過程更加雜化、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)測方法。
如圖所示，Analog Devices 的 ADPD4101 實現(xiàn)了一個 LED、光電探測器、ADC 信號路徑和 12 個定時信號路徑的組合，為可穿戴醫(yī)療和娛樂設(shè)備創(chuàng)造了一個堅固耐用的高精度檢測系統(tǒng)。憑借 ADPD4101 的多個 LED、模擬通道以及出色的計時算法，該器件為可穿戴 SpO2、心臟 ECG 和皮膚電阻測量提供了一種理想的解決方案。
