生命體征監(jiān)測技術(shù)：對人體實施狀態(tài)監(jiān)控

簡介

生命體征監(jiān)測已經(jīng)超出醫(yī)療實踐的范圍，進入我們?nèi)粘Ｉ畹亩鄠€領(lǐng)域。最初，生命體征監(jiān)測是在嚴(yán)格的醫(yī)療監(jiān)督下，在醫(yī)院和診所進行。微電子技術(shù)的進步降低了監(jiān)控系統(tǒng)的成本，使這些技術(shù)在遠程醫(yī)療、運動、健身和健康、工作場所安全等領(lǐng)域更加普及和普遍，在越來越關(guān)注自動駕駛的汽車市場也是如此。雖然實現(xiàn)了這些擴展，但是因為這些應(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)測包括測量一系列能顯示個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，心電圖可以測量心跳的頻率，最重要的是，可以測量心跳的變化。心率變化往往由活動引起。在睡眠或休息時，節(jié)奏較慢，但往往會隨著身體活動、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過緩(心率過低時)或心動過速(心率過高時)等疾病。呼吸是另一個關(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)進行測量。缺氧可能與影響呼吸系統(tǒng)的疾病發(fā)作或紊亂有關(guān)。其他能夠反映個人身體狀況的生命體征測量因素包括血壓、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)，反過來又會直接參與調(diào)解情緒性行為。測量皮膚電導(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)個人的臨床狀態(tài)。最后，測量運動和姿勢可以提供有關(guān)受試者活動的有用信息。

圖1.用于光學(xué)測量的信號鏈

測量生命體征的技術(shù)

為了監(jiān)測心率、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)測包括：

· 光學(xué)測量

· 生物電勢測量

· 阻抗測量

· 使用MEMS傳感器進行的測量

圖2.一個完整的生物電和生物阻抗測量系統(tǒng)

光學(xué)測量

光學(xué)測量超越了標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體技術(shù)。為了進行這種類型的測量，需要一個光學(xué)測量工具箱。圖1所示為光學(xué)測量的典型信號鏈。需要使用光源(通常是LED)來生成光信號，它可能由不同的波長組成。幾種波長組合在一起，可以實現(xiàn)更高的測量精度。還需要使用一系列硅或鍺傳感器(光電二極管)將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，也稱為光電流。光電二極管在響應(yīng)光源的波長時，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，并按照所需的分辨率和精度進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

光學(xué)系統(tǒng)封裝也具有重要作用。封裝不僅是一個容器，還是包含一個或多個光學(xué)窗口的系統(tǒng)，可以過濾射出和射入的光，但不會產(chǎn)生過度的衰減或反射，從而損害信號的完整性。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器件，包括LED、光電二極管、模擬和數(shù)字處理芯片。最后，一種能夠創(chuàng)建光學(xué)濾波器的涂層技術(shù)也是選擇應(yīng)用所需的光譜部分和消除不需要的信號所建議的。即使在陽光下，該應(yīng)用也必須能正常運行。如果沒有光學(xué)濾波器，信號的大小會使模擬鏈飽和，使得電子器件不能正常工作。

ADI公司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器件中，例如ADPD188。

生物電勢和生物阻抗測量

生物電勢是一種電信號，由我們體內(nèi)的電化學(xué)活動的效應(yīng)引起。生物電勢測量示例包括心電圖(ECG)和腦電圖。它們在存在多項干擾的頻段中，檢查極低幅度的信號。因此，在對信號進行處理之前，必須對其進行放大和濾波。ECG生物電勢測量廣泛用于生命體征監(jiān)測，ADI公司提供多種組件來執(zhí)行此任務(wù)，包括AD8233、ADAS1000芯片系列。

AD8233專為可穿戴應(yīng)用設(shè)計，可與ADuCM3029(基于Cortex®-M3的片上系統(tǒng)(SoC))相結(jié)合，創(chuàng)建一個完整的系統(tǒng)。此外，ADAS1000系列專為高端應(yīng)用而設(shè)計，具有低能耗高性能的優(yōu)點，特別適合由電池供電的便攜式設(shè)備，且功率和噪音可擴展(即，噪聲水平可以隨著功耗的增加成比例降低)，是非常適合clinical級別的應(yīng)用的出色集成解決方案。

生物阻抗是另一種測量方法，可以提供有關(guān)身體狀態(tài)的有用信息。阻抗測量提供有關(guān)電化學(xué)活動、身體成分和水合狀態(tài)的信息。測量每個參數(shù)需要使用不同的測量技術(shù)。每種測量技術(shù)所需的電極數(shù)量，以及應(yīng)用該技術(shù)的時間點都因使用的頻率范圍而異。

例如，在測量皮膚阻抗時使用低頻率(高達200 Hz)，而在測量人體成分時，通常使用50 kHz固定頻率。同樣，為了測量水合作用，并正確地評估細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的液體，會使用不同的頻率。

雖然技術(shù)可能不同，但可以使用一個單端AD5940來實施所有生物阻抗和阻抗測量。此器件提供激勵信號和完整的阻抗測量鏈，可生成不同的頻率來滿足多種測量要求。此外，AD5940專用于和AD8233配合使用，用于創(chuàng)建一個全面的生物阻抗和生物電勢讀取系統(tǒng)，如圖2所示。其他用于阻抗測量的器件包括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)。

使用MEMS傳感器進行的運動測量

由于MEMS傳感器可以檢測重力加速度，所以它們可用于檢測活動和異常，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監(jiān)測其姿勢。此外，MEMS傳感器還可作為光學(xué)傳感器的補充，因為后者易受移動偽影影響;當(dāng)這種情況發(fā)生時，可以使用加速度計提供的信息來進行校正。ADXL362是醫(yī)療領(lǐng)域的熱門器件之一，也是目前市場上能耗最低的三軸加速度計。它具有2 g至8 g的可編程測量范圍和數(shù)字輸出。

圖3.ADPD4000用于實施光電、生物電勢、生物阻抗和溫度測量

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)測功能。其中最常見的是心率監(jiān)護儀、計步器和卡路里計算器。此外，還經(jīng)常測量血壓和體溫、皮膚電活動、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)測選項的數(shù)目增加，對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)計人員滿足此需求。除了提供生物電勢和生物阻抗讀數(shù)外，它還可以管理光電式測量前端、引導(dǎo)LED和讀取光電二極管。ADPD4000配有一個用于補償?shù)臏囟葌鞲衅骱鸵粋€開關(guān)矩陣，可以引導(dǎo)所需的輸出和獲取信號，無論是單端信號或差分電壓信號均可。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個不同的時間帶，每個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。

結(jié)論

隨著科技進步，生命體征監(jiān)測在各行各業(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)計生命體征監(jiān)測系統(tǒng)的人員將能夠在ADI專用于實施信號處理的大量產(chǎn)品系列中找到一系列解決方案來應(yīng)對他們面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)。