ADI实施信号处理设计生命体征监测系统解决方案-电子发烧友网

生命体征监测已经超出医疗实践的范围，进入我们日常生活的多个领域。最初，生命体征监测是在严格的医疗监督下，在医院和诊所进行。微电子技术的进步降低了监控系统的成本，使这些技术在远程医疗、运动、健身和健康、工作场所安全等领域更加普及和普遍，在越来越关注自动驾驶的汽车市场也是如此。虽然实现了这些扩展，但是因为这些应用都与健康高度相关，所以仍然保持很高的质量标准。

生命体征

生命体征监测包括测量一系列能显示个人健康状况的生理参数。心率是最常见的参数之一，可以通过心电图来检测，心电图可以测量心跳的频率，最重要的是，可以测量心跳的变化。心率变化往往由活动引起。在睡眠或休息时，节奏较慢，但往往会随着身体活动、情绪反应、压力或焦虑等因素而加快。

心率超出正常范围可能表明存在诸如心动过缓（心率过低时）或心动过速（心率过高时）等疾病。呼吸是另一个关键生命体征。血液的氧合程度可以使用一种名为光电容积脉搏波(PPG)的技术进行测量。缺氧可能与影响呼吸系统的疾病发作或紊乱有关。其他能够反映个人身体状况的生命体征测量因素包括血压、体温和皮肤电导反应等。皮肤电导反应，又称皮肤电反应，与交感神经系统密切相关，反过来又会直接参与调解情绪性行为。测量皮肤电导率可以反映病人的压力、疲劳、精神状态和情绪化响应等状况。此外，通过测量身体成分、瘦体质量和脂肪体质量的百分比，以及水合作用和营养程度，可以清楚展现个人的临床状态。最后，测量运动和姿势可以提供有关受试者活动的有用信息。

测量生命体征的技术

为了监测心率、呼吸、血压和温度、皮肤电导率和身体成分等生命体征，需要采用各种传感器，且解决方案必须紧凑、节能和可靠。生命体征监测包括：

光学测量
生物电势测量
阻抗测量
使用MEMS传感器进行的测量
光学测量

光学测量超越了标准的半导体技术。为了进行这种类型的测量，需要一个光学测量工具箱。图1所示为光学测量的典型信号链。需要使用光源（通常是LED）来生成光信号，它可能由不同的波长组成。几种波长组合在一起，可以实现更高的测量精度。还需要使用一系列硅或锗传感器（光电二极管）将光信号转化为电信号，也称为光电流。光电二极管在响应光源的波长时，必须具备足够的灵敏度和线性度。之后，光电流必须被放大和转换，因此需要高性能、节能、多通道模拟前端，以控制LED、放大和过滤模拟信号，并按照所需的分辨率和精度进行模数转换。

图1. 用于光学测量的信号链。

光学系统封装也具有重要作用。封装不仅是一个容器，还是包含一个或多个光学窗口的系统，可以过滤射出和射入的光，但不会产生过度的衰减或反射，从而损害信号的完整性。为了创建紧凑的多芯片系统，光学系统封装还必须包含多个器件，包括LED、光电二极管、模拟和数字处理芯片。最后，通常还需要一种能够创建光学滤波器的涂层技术，用于选择应用所需的光谱部分并消除不需要的信号。即使在阳光下，该应用也必须能正常运行。如果没有光学滤波器，信号的大小会使模拟链饱和，使得电子器件不能正常工作。

ADI提供一系列光电二极管和各种模拟前端，能够处理从光电二极管接收到的信号并控制LED。也提供完整的光学系统，它将LED、光电二极管和前端集成到一个器件中，例如ADPD1081。

生物电势和生物阻抗测量

生物电势是一种电信号，由我们体内的电化学活动的效应引起。生物电势测量示例包括心电图(ECG)和脑电图。它们在存在多项干扰的频段中，检查极低幅度的信号。因此，在对信号进行处理之前，必须对其进行放大和滤波。ECG生物电势测量广泛用于生命体征监测，ADI提供多种组件来执行此任务，包括 AD8233，和ADAS1000芯片系列。

AD8233功耗低，适合便携式设备，可与ADuCM3029（基于 Cortex-M3 的片上系统(SoC）相结合，创建一个完整的系统。此外，ADAS1000系列针对高端应用而设计，具备高性能特性，功率和噪音可扩展（即，噪声水平可以随着功耗的增加成比例降低），是非常适合ECG系统的出色集成解决方案。

生物阻抗是另一种测量方法，可以提供有关身体状态的有用信息。阻抗测量提供有关电化学活动、身体成分和水合状态的信息。测量每个参数需要使用不同的测量技术。每种测量技术所需的电极数量，以及应用该技术的时间点都因使用的频率范围而异。

例如，在测量皮肤阻抗时使用低频率（高达200 Hz），而在测量人体成分时，通常使用50 kHz固定频率。同样，为了测量水合作用，并正确地评估细胞内和细胞外的液体，会使用不同的频率。

虽然技术可能不同，但可以使用一个单端 AD5940，来实施所有生物阻抗和阻抗测量。此器件提供激励信号和完整的阻抗测量链，可生成不同的频率来满足多种测量要求。此外，AD5940专用于和AD8233配合使用，用于创建一个全面的生物阻抗和生物电势读取系统，如图2所示。其他用于阻抗测量的器件包括 ADuCM35x系列SoC解决方案。除了专用的模拟前端之外，该解决方案还提供Cortex-M3微控制器、内存、硬件加速器和用于电化学传感器和生物传感器的通信外设。

图2. 一个完整的生物电和生物阻抗测量系统

使用MEMS传感器进行的运动测量

由于MEMS传感器可以检测重力加速度，所以它们可用于检测活动和异常，如不稳定的步态、跌倒或脑震荡，甚至是在受试者休息时监测其姿势。此外，MEMS传感器还可作为光学传感器的补充，因为后者易受移动伪影影响；当这种情况发生时，可以使用加速度计提供的信息来进行校正。ADXL362 是医疗领域的热门器件之一，也是目前市场上能耗最低的三轴加速度计。它具有2 g至8 g的可编程测量范围和数字输出。

ADPD4000：通用模拟前端

目前市面上提供的可穿戴设备（例如智能手环和智能手表）都提供多种生命体征监测功能。其中最常见的是心率监护仪、计步器和卡路里计算器。此外，还经常测量血压和体温、皮肤电活动、血容量变化（通过光电容积脉搏波），以及其他指标。随着监测选项的数目增加，对高度集成的电子组件的需求也不断增加。ADPD4000采用极为灵活的架构，旨在帮助设计人员满足此需求。除了提供生物电势和生物阻抗读数外，它还可以管理光电式测量前端、引导LED和读取光电二极管。ADPD4000配有一个用于补偿的温度传感器和一个开关矩阵，可以引导所需的输出和获取信号，无论是单端信号或差分电压信号均可。输出可以选择，可以是单端输出或差分输出，具体由ADPD4000要连接的ADC的输入要求决定。该器件可以编程采用12个不同的时间带，每个专用于处理特定的传感器。图3总结了在几种典型应用中ADPD4000的关键特性。