|
可穿戴健康和健身監測器使用各種技術來收集廣泛的運動、總體健康和睡眠信息。對于設計者來說，問題在于如何滿足最終用戶針對這些可穿戴監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計者已經面臨的集成、電源管理、性能、重量、開發時間和成本方面的挑戰。 例如，SpO2 解決方案通常需要復雜的電子器件，包括多個集成電路 (IC)，用來通過發光二極管 (LED)、光敏器、跨阻放大器 (TIA)、模數轉換器 (ADC) 和相關算法創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。這些分立系統還使用額外的硬件來減少環境光的影響，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時間。現在需要的是一個能夠解決許多類似設計問題的、更完整、集成度更高的集成解決方案。 本文介紹可穿戴設備和一個由 LED 驅動器、TIA、帶通濾波器、積分器和 ADC 組成的多參數檢測器。本文將介紹如何使用多參數監測器（Analog Devices 的 ADPD4101）和相關開發板來簡化、加速設計。 模擬前端概述 生命體征監測超越了醫療實踐界限，延伸到人們的日常生活中。最初，健康生命體征監測是在醫院和診所的嚴格醫療監督下進行的。微電子工藝和設計的進步降低了可穿戴檢測器的成本，從而使得遠程醫療、運動和健身監測成為可能。隨著向可穿戴設備陣容的擴展壯大，與健康有關的質量標準會繼續滿足用戶更高水平的期望。 生命體征監測包括測量一系列可以顯示個人健康狀況的生理參數。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、皮膚電導率和身體組成。這些檢測生命體征的解決方案必須緊湊、節能和可靠。監測這些關鍵體征需要進行光學、生物電勢和阻抗測量。 光學生命體征信號路徑 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，該技術可評估 LED 在不同光學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的疾病或紊亂的發生。測量SpO2的數據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，光學系統需要一個由各種 LED 和光電探測器組成的工具盒。光學測量的典型信號鏈含有可以產生幾種波長的 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 光信號轉化為光電流。光電二極管電流經過放大和 ADC 轉換會產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 光轉換為皮安培 (pA) 電流信號。一個 TIA 將該電流轉換為電壓并將其發送至 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 光信號會發生泄露。（圖片來源：Bonnie Baker） 來自 LED 的感知信號會產生交流和直流分量。交流分量代表動脈血的脈動性。直流分量是一個常數，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，發生在心臟的靜止階段。等式 1 給出了 SpO2 百分比的計算方法：
分立式 SpO2 測量電路包括六個關鍵系統：LED 驅動放大器、TIA、模擬增益級、ADC、控制 LED 驅動放大器的數模轉換器 (DAC)，以及用于 ADC 和 DAC 的模擬電壓基準。 LED 驅動放大器需要在兩個通道之間循環，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 將信號數字化并將其發送到微控制器或 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活動而產生的電信號。例如，ECG（心電圖）就是生物電勢的測量結果。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。 在醫院或醫生的辦公室，醫生通過在固定在病人皮膚上的電極來監測病人的心臟活動。濕電極可確保良好的身體接觸，通常是銀/氯化銀 (Ag/AgCl) 貼片。使用可穿戴設備的人發現，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) 網絡計算出的優化時間常數，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 網絡和 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 網絡。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。阻抗測量值提供了有關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生濕氣或汗液，否則皮膚電阻大約為無窮大。人體汗液的產生減小了并聯皮膚電阻，增加了進入 TIA2 反相輸入電流。 可穿戴式健康、健身監測器為我們帶來了獨特的組合式生理檢測挑戰。每一個額外的要求都會增加電路復雜性和 PC 板空間。隨著健康和健身監測器選項的增加，對高度集成、復雜和緊湊的集成電路的需求也不斷增加。 多模態集成傳感器 ADPD4100 和 ADPD4101 IC 是完整的多模態傳感器前端，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動，也可以是差分對形式。八個模擬輸入復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。這兩種產品的唯一區別是，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 進行轉換。（圖片來源：Analog Devices） 在圖 4 中，數字處理定時控制具有 12 個時隙，實現了在每個采樣周期內都可進行 12 次獨立測量。結合外部 LED 和光電二極管，ADPD4100/ADPD4101 的靈活架構有助于設計者通過收集生物電位和生物阻抗數據來滿足他們的可穿戴測量需求。ADPD4100 含有一個帶有數字 SPI 接口的完整模擬模塊。ADPD4101 的數字接口是 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），以及一個能夠對每個采樣值進行 ±7.5 微微庫倫 (pC) 積分的積分器。每個通道都被時分復用到一個 14 位 ADC 中。在圖 5 中，RINT 是積分器輸入的串聯電阻。 ADPD4100/ADPD4101 解決了設計者在從事可穿戴設備工作時面臨的諸多挑戰。生物醫學前端以其高性能、雙通道傳感器輸入級、激勵通道、數字處理引擎和定時控制能力而滿足了所有的要求。這一代多模態傳感器的信噪比規格提高到了 100 分貝 (dB)，整個系統的功耗降低至（30 微瓦 (μW)）。 ADPD4101 評估板 EVAL-ADPD4100Z-PPG 評估板（圖 6）非常適合考慮使用 ADPD4100/ADPD4101 光度計前端的設計人員。該板為生命體征監測應用提供了一個簡單的分立式光學設計，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 設計。光學元件（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 參考設計 EVAL-CN0503-ARDZ 參考設計是用于將傳感器連接 ADPD4101 的一種有用工具。該參考設計并非專門針對可穿戴式監測器，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、化學成分和其他物理特性的。EVAL-CN0503-ARDZ 參考設計是一個可重新配置的多參數光學液體平臺，可用于比色和熒光測量（圖 7）。
圖 7：Devices EVAL-CN0503-ARDZ 光學液體測量平臺的簡化圖。（圖片來源：Analog Devices） EVAL-CN0503-ARDZ 與 EVAL-ADICUP3029 開發板相結合，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） 這種光學設置與 CN0503 設備驅動器和 Wavetool 評估軟件相結合，提供了一條通往綜合性液體光學分析的途徑。 結語 設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測方法。 如圖所示，Analog Devices 的 ADPD4101 實現了一個 LED、光電探測器、ADC 信號路徑和 12 個定時信號路徑的組合，為可穿戴醫療和娛樂設備創造了一個堅固耐用的高精度檢測系統。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。 來源：Digi-Key 作者：Bonnie Baker |
