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監(jiān)控你的生命體征?還是讓專業(yè)的來吧~
發(fā)布時(shí)間:2020-08-19 來源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】生命體征監(jiān)測(cè)已經(jīng)超出醫(yī)療實(shí)踐的范圍,進(jìn)入我們?nèi)粘I畹亩鄠€(gè)領(lǐng)域。最初,生命體征監(jiān)測(cè)是在嚴(yán)格的醫(yī)療監(jiān)督下,在醫(yī)院和診所進(jìn)行。微電子技術(shù)的進(jìn)步降低了監(jiān)控系統(tǒng)的成本,使這些技術(shù)在遠(yuǎn)程醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)、健身和健康、工作場(chǎng)所安全等領(lǐng)域更加普及和普遍,在越來越關(guān)注自動(dòng)駕駛的汽車市場(chǎng)也是如此。雖然實(shí)現(xiàn)了這些擴(kuò)展,但是因?yàn)檫@些應(yīng)用都與健康高度相關(guān),所以仍然保持很高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
生命體征
生命體征監(jiān)測(cè)包括測(cè)量一系列能顯示個(gè)人健康狀況的生理參數(shù)。心率是最常見的參數(shù)之一,可以通過心電圖來檢測(cè),心電圖可以測(cè)量心跳的頻率,最重要的是,可以測(cè)量心跳的變化。心率變化往往由活動(dòng)引起。在睡眠或休息時(shí),節(jié)奏較慢,但往往會(huì)隨著身體活動(dòng)、情緒反應(yīng)、壓力或焦慮等因素而加快。
心率超出正常范圍可能表明存在諸如心動(dòng)過緩(心率過低時(shí))或心動(dòng)過速(心率過高時(shí))等疾病。呼吸是另一個(gè)關(guān)鍵生命體征。血液的氧合程度可以使用一種名為光電容積脈搏波(PPG)的技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。缺氧可能與影響呼吸系統(tǒng)的疾病發(fā)作或紊亂有關(guān)。其他能夠反映個(gè)人身體狀況的生命體征測(cè)量因素包括血壓、體溫和皮膚電導(dǎo)反應(yīng)等。皮膚電導(dǎo)反應(yīng),又稱皮膚電反應(yīng),與交感神經(jīng)系統(tǒng)密切相關(guān),反過來又會(huì)直接參與調(diào)解情緒性行為。測(cè)量皮膚電導(dǎo)率可以反映病人的壓力、疲勞、精神狀態(tài)和情緒化響應(yīng)等狀況。此外,通過測(cè)量身體成分、瘦體質(zhì)量和脂肪體質(zhì)量的百分比,以及水合作用和營養(yǎng)程度,可以清楚展現(xiàn)個(gè)人的臨床狀態(tài)。最后,測(cè)量運(yùn)動(dòng)和姿勢(shì)可以提供有關(guān)受試者活動(dòng)的有用信息。
測(cè)量生命體征的技術(shù)
為了監(jiān)測(cè)心率、呼吸、血壓和溫度、皮膚電導(dǎo)率和身體成分等生命體征,需要采用各種傳感器,且解決方案必須緊湊、節(jié)能和可靠。生命體征監(jiān)測(cè)包括:
● 光學(xué)測(cè)量
● 生物電勢(shì)測(cè)量
● 阻抗測(cè)量
● 使用MEMS傳感器進(jìn)行的測(cè)量
光學(xué)測(cè)量
光學(xué)測(cè)量超越了標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體技術(shù)。為了進(jìn)行這種類型的測(cè)量,需要一個(gè)光學(xué)測(cè)量工具箱。圖1所示為光學(xué)測(cè)量的典型信號(hào)鏈。需要使用光源(通常是LED)來生成光信號(hào),它可能由不同的波長組成。幾種波長組合在一起,可以實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量精度。還需要使用一系列硅或鍺傳感器(光電二極管)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),也稱為光電流。光電二極管在響應(yīng)光源的波長時(shí),必須具備足夠的靈敏度和線性度。之后,光電流必須被放大和轉(zhuǎn)換,因此需要高性能、節(jié)能、多通道模擬前端,以控制LED、放大和過濾模擬信號(hào),并按照所需的分辨率和精度進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
圖1. 用于光學(xué)測(cè)量的信號(hào)鏈。
光學(xué)系統(tǒng)封裝也具有重要作用。封裝不僅是一個(gè)容器,還是包含一個(gè)或多個(gè)光學(xué)窗口的系統(tǒng),可以過濾射出和射入的光,但不會(huì)產(chǎn)生過度的衰減或反射,從而損害信號(hào)的完整性。為了創(chuàng)建緊湊的多芯片系統(tǒng),光學(xué)系統(tǒng)封裝還必須包含多個(gè)器件,包括LED、光電二極管、模擬和數(shù)字處理芯片。最后,通常還需要一種能夠創(chuàng)建光學(xué)濾波器的涂層技術(shù),用于選擇應(yīng)用所需的光譜部分并消除不需要的信號(hào)。即使在陽光下,該應(yīng)用也必須能正常運(yùn)行。如果沒有光學(xué)濾波器,信號(hào)的大小會(huì)使模擬鏈飽和,使得電子器件不能正常工作。
ADI提供一系列光電二極管和各種模擬前端,能夠處理從光電二極管接收到的信號(hào)并控制LED。也提供完整的光學(xué)系統(tǒng),它將LED、光電二極管和前端集成到一個(gè)器件中,例如ADPD1081。
生物電勢(shì)和生物阻抗測(cè)量
生物電勢(shì)是一種電信號(hào),由我們體內(nèi)的電化學(xué)活動(dòng)的效應(yīng)引起。生物電勢(shì)測(cè)量示例包括心電圖(ECG)和腦電圖。它們?cè)诖嬖诙囗?xiàng)干擾的頻段中,檢查極低幅度的信號(hào)。因此,在對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理之前,必須對(duì)其進(jìn)行放大和濾波。ECG生物電勢(shì)測(cè)量廣泛用于生命體征監(jiān)測(cè),ADI提供多種組件來執(zhí)行此任務(wù),包括 AD8233,和ADAS1000 芯片系列 。
AD8233功耗低,適合便攜式設(shè)備,可與ADuCM3029(基于 Cortex®-M3 的片上系統(tǒng)(SoC)相結(jié)合,創(chuàng)建一個(gè)完整的系統(tǒng)。此外,ADAS1000系列針對(duì)高端應(yīng)用而設(shè)計(jì),具備高性能特性,功率和噪音可擴(kuò)展(即,噪聲水平可以隨著功耗的增加成比例降低),是非常適合ECG系統(tǒng)的出色集成解決方案。
生物阻抗是另一種測(cè)量方法,可以提供有關(guān)身體狀態(tài)的有用信息。阻抗測(cè)量提供有關(guān)電化學(xué)活動(dòng)、身體成分和水合狀態(tài)的信息。測(cè)量每個(gè)參數(shù)需要使用不同的測(cè)量技術(shù)。每種測(cè)量技術(shù)所需的電極數(shù)量,以及應(yīng)用該技術(shù)的時(shí)間點(diǎn)都因使用的頻率范圍而異。
例如,在測(cè)量皮膚阻抗時(shí)使用低頻率(高達(dá)200 Hz),而在測(cè)量人體成分時(shí),通常使用50 kHz固定頻率。同樣,為了測(cè)量水合作用,并正確地評(píng)估細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的液體,會(huì)使用不同的頻率。
雖然技術(shù)可能不同,但可以使用一個(gè)單端 AD5940,來實(shí)施所有生物阻抗和阻抗測(cè)量。此器件提供激勵(lì)信號(hào)和完整的阻抗測(cè)量鏈,可生成不同的頻率來滿足多種測(cè)量要求。此外,AD5940專用于和AD8233配合使用,用于創(chuàng)建一個(gè)全面的生物阻抗和生物電勢(shì)讀取系統(tǒng),如圖2所示。其他用于阻抗測(cè)量的器件包括 ADuCM35x系列SoC解決方案。除了專用的模擬前端之外,該解決方案還提供Cortex-M3微控制器、內(nèi)存、硬件加速器和用于電化學(xué)傳感器和生物傳感器的通信外設(shè)。
圖2. 一個(gè)完整的生物電和生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)
使用MEMS傳感器進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)測(cè)量
由于MEMS傳感器可以檢測(cè)重力加速度,所以它們可用于檢測(cè)活動(dòng)和異常,如不穩(wěn)定的步態(tài)、跌倒或腦震蕩,甚至是在受試者休息時(shí)監(jiān)測(cè)其姿勢(shì)。此外,MEMS傳感器還可作為光學(xué)傳感器的補(bǔ)充,因?yàn)楹笳咭资芤苿?dòng)偽影影響;當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí),可以使用加速度計(jì)提供的信息來進(jìn)行校正。ADXL362 是醫(yī)療領(lǐng)域的熱門器件之一,也是目前市場(chǎng)上能耗最低的三軸加速度計(jì)。它具有2 g至8 g的可編程測(cè)量范圍和數(shù)字輸出。
ADPD4000:通用模擬前端
目前市面上提供的可穿戴設(shè)備(例如智能手環(huán)和智能手表)都提供多種生命體征監(jiān)測(cè)功能。其中最常見的是心率監(jiān)護(hù)儀、計(jì)步器和卡路里計(jì)算器。此外,還經(jīng)常測(cè)量血壓和體溫、皮膚電活動(dòng)、血容量變化(通過光電容積脈搏波),以及其他指標(biāo)。隨著監(jiān)測(cè)選項(xiàng)的數(shù)目增加,對(duì)高度集成的電子組件的需求也不斷增加。ADPD4000 采用極為靈活的架構(gòu),旨在幫助設(shè)計(jì)人員滿足此需求。除了提供生物電勢(shì)和生物阻抗讀數(shù)外,它還可以管理光電式測(cè)量前端、引導(dǎo)LED和讀取光電二極管。ADPD4000配有一個(gè)用于補(bǔ)償?shù)臏囟葌鞲衅骱鸵粋€(gè)開關(guān)矩陣,可以引導(dǎo)所需的輸出和獲取信號(hào),無論是單端信號(hào)或差分電壓信號(hào)均可。輸出可以選擇,可以是單端輸出或差分輸出,具體由ADPD4000要連接的ADC的輸入要求決定。該器件可以編程采用12個(gè)不同的時(shí)間帶,每個(gè)專用于處理特定的傳感器。圖3總結(jié)了在幾種典型應(yīng)用中ADPD4000的關(guān)鍵特性。
圖3. ADPD4000用于實(shí)施光電、生物電勢(shì)、生物阻抗和溫度測(cè)量。
結(jié)論
隨著科技進(jìn)步,生命體征監(jiān)測(cè)在各行各業(yè),以及在我們的日常生活中都變得越來越普遍。無論是用于治療還是預(yù)防,這種與健康有關(guān)的解決方案都需要采用可靠有效的技術(shù)。設(shè)計(jì)生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人員將能夠在ADI專用于實(shí)施信號(hào)處理的大量產(chǎn)品系列中找到一系列解決方案來應(yīng)對(duì)他們面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
ADPD4000
● 多模式模擬前端
○ 8 個(gè)輸入通道,具有多種工作模式以適應(yīng)以下測(cè)量:PPG、ECG、EDA、阻抗和溫度
○ 可同步采樣的雙通道處理
○ 12 個(gè)可編程時(shí)隙,適用于同步傳感器測(cè)量
○ 靈活的輸入多路復(fù)用,支持差分和單端傳感器測(cè)量
○ 8 個(gè)發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器,可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)其中 4 個(gè)
● 靈活的采樣速率:0.004 Hz 至 9 kHz(使用內(nèi)部振蕩器)
● 片內(nèi)數(shù)字濾波
● 發(fā)射和接收信號(hào)鏈的 SNR:90 dB
● 環(huán)境光抑制:60 dB 至 1 kHz
● 總 LED 驅(qū)動(dòng)電流為 400 mA
● 總系統(tǒng)功耗:50 µW(混合 LED 和 AFE 功率),75 dB SNR 時(shí)連續(xù) PPG 測(cè)量,25 Hz ODR,100 nA/mA CTR
● 支持 SPI 和 I2C 通信
● 256 字節(jié) FIFO
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