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可穿戴健康和健身監測器使用各種技術(shù)來(lái)收集廣泛的運動(dòng)、總體健康和睡眠信息。對于設計者來(lái)說(shuō)，問(wèn)題在于如何滿(mǎn)足最終用戶(hù)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?jì)x。每一個(gè)額外功能都會(huì )增加設計者已經(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。 例如，SpO2 解決方案通常需要復雜的電子器件，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)、模數轉換器 (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(cháng)了開(kāi)發(fā)時(shí)間�，F在需要的是一個(gè)能夠解決許多類(lèi)似設計問(wèn)題的、更完整、集成度更高的集成解決方案。 本文介紹可穿戴設備和一個(gè)由 LED 驅動(dòng)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(guān)開(kāi)發(fā)板來(lái)簡(jiǎn)化、加速設計。 模擬前端概述 生命體征監測超越了醫療實(shí)踐界限，延伸到人們的日常生活中。最初，健康生命體征監測是在醫院和診所的嚴格醫療監督下進(jìn)行的。微電子工藝和設計的進(jìn)步降低了可穿戴檢測器的成本，從而使得遠程醫療、運動(dòng)和健身監測成為可能。隨著(zhù)向可穿戴設備陣容的擴展壯大，與健康有關(guān)的質(zhì)量標準會(huì )繼續滿(mǎn)足用戶(hù)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(gè)人健康狀況的生理參數。例如，SpO2 測量可以用來(lái)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(guān)鍵體征需要進(jìn)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(guò)身體的光線(xiàn)。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(fā)生。測量SpO2的數據也可以估計出真正的動(dòng)脈血氧飽和度，以及血氧濃度(SaO2)。 在進(jìn)行 SpO2 測量時(shí)，光學(xué)系統需要一個(gè)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(cháng)的 LED，用于全面識別相對血氧水平。測量時(shí)，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(jīng)過(guò)放大和 ADC 轉換會(huì )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(guò)病人身體的 LED 光信號開(kāi)始。一個(gè)光電二極管用于捕捉穿過(guò)身體的信號，將 LED 光轉換為皮安培 (pA) 電流信號。一個(gè) TIA 將該電流轉換為電壓并將其發(fā)送至 ADC。（圖片來(lái)源：Analog Devices，由 Bonnie Baker 修改） SpO2 測試時(shí)使用 940 nm 波長(cháng)紅外 (IR) LED 和 660 nm 紅色波長(cháng) LED。通過(guò) 940 nm 的紅外波長(cháng)，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(cháng)的光。光電二極管獨立地接收來(lái)自?xún)蓚�(gè) LED 的非吸收光。然而，這些 LED 并不同時(shí)發(fā)射光線(xiàn)。有一個(gè) 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(shí)會(huì )確保了沒(méi)有一個(gè) LED 光信號會(huì )發(fā)生泄露。（圖片來(lái)源：Bonnie Baker） 來(lái)自 LED 的感知信號會(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，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 百分比的計算方法：
分立式 SpO2 測量電路包括六個(gè)關(guān)鍵系統：LED 驅動(dòng)放大器、TIA、模擬增益級、ADC、控制 LED 驅動(dòng)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(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(guò)一個(gè) ADC 將信號數字化并將其發(fā)送到微控制器或 DSP。最后，整個(gè)信號鏈需要一個(gè)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(dòng)而產(chǎn)生的電信號。例如，ECG（心電圖）就是生物電勢的測量結果。一個(gè)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(guò)在固定在病人皮膚上的電極來(lái)監測病人的心臟活動(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。使用可穿戴設備的人發(fā)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(huì )在檢測電容上積累電荷。利用由無(wú)源電阻電容 (RC) 網(wǎng)絡(luò )計算出的優(yōu)化時(shí)間常數，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。
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量參數。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(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)測量皮膚電阻。這個(gè)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(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、健身監測器為我們帶來(lái)了獨特的組合式生理檢測挑戰。每一個(gè)額外的要求都會(huì )增加電路復雜性和 PC 板空間。隨著(zhù)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(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(gè)LED，并通過(guò)多達 8 個(gè)獨立的電流輸入來(lái)測量返回信號。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 次獨立測量。模擬輸入可以是單端驅動(dòng)，也可以是差分對形式。八個(gè)模擬輸入復用為一個(gè)通道或兩個(gè)獨立的通道，允許對兩個(gè)傳感器同時(shí)進(jìn)行采樣。這兩種產(chǎn)品的唯一區別是，ADPD4100 有一個(gè) SPI 接口，ADPD4101 有一個(gè)I2C 接口（圖 4）。
圖 4：ADPD4100 和 ADPD4101 的功能框圖給出了 LED 的驅動(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，以便通過(guò) ADC 進(jìn)行轉換。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 在圖 4 中，數字處理定時(shí)控制具有 12 個(gè)時(shí)隙，實(shí)現了在每個(gè)采樣周期內都可進(jìn)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(guò)收集生物電位和生物阻抗數據來(lái)滿(mǎn)足他們的可穿戴測量需求。ADPD4100 含有一個(gè)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(gè)電流輸入，可配置為單端或者進(jìn)入兩個(gè)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(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)能夠對每個(gè)采樣值進(jìn)行 ±7.5 微微庫倫 (pC) 積分的積分器。每個(gè)通道都被時(shí)分復用到一個(gè) 14 位 ADC 中。在圖 5 中，RINT 是積分器輸入的串聯(lián)電阻。 ADPD4100/ADPD4101 解決了設計者在從事可穿戴設備工作時(shí)面臨的諸多挑戰。生物醫學(xué)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(shí)控制能力而滿(mǎn)足了所有的要求。這一代多模態(tài)傳感器的信噪比規格提高到了 100 分貝 (dB)，整個(gè)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(gè)簡(jiǎn)單的分立式光學(xué)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(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 均采取單獨驅動(dòng)。還有一個(gè)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(zhuān)門(mén)針對可穿戴式監測器，但非常有助于了解 CN0503 用戶(hù)指南是如何說(shuō)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 參考設計是一個(gè)可重新配置的多參數光學(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(jiǎn)化圖。（圖片來(lái)源：Analog Devices） EVAL-CN0503-ARDZ 與 EVAL-ADICUP3029 開(kāi)發(fā)板相結合，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，用于熒光和散射測量。每個(gè)光路都有一個(gè)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(lái)源：Analog Devices） 這種光學(xué)設置與 CN0503 設備驅動(dòng)器和 Wavetool 評估軟件相結合，提供了一條通往綜合性液體光學(xué)分析的途徑。 結語(yǔ) 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(huì )使設計過(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測方法。 如圖所示，Analog Devices 的 ADPD4101 實(shí)現了一個(gè) LED、光電探測器、ADC 信號路徑和 12 個(gè)定時(shí)信號路徑的組合，為可穿戴醫療和娛樂(lè )設備創(chuàng )造了一個(gè)堅固耐用的高精度檢測系統。憑借 ADPD4101 的多個(gè) LED、模擬通道以及出色的計時(shí)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(lái)源：Digi-Key 作者：Bonnie Baker |
