医疗物联网使连接的心脏监测系统成为可能

作者：瑞萨电子美国公司医疗保健部门的 Ash Patel & Bahram Mirshab

根据美国疾病控制中心 (CDC) 的数据，美国每年约有 610,000 人死于心脏病，即每 4 人中就有1 人死于心脏病1。心脏健康是一个人整体健康最重要的参数之一。医疗物联网 (IoMT) 正在支持新一代可穿戴、多参数、连续心脏监测系统，以改善各种医院、诊所、患者护理和家庭环境中的医疗保健管理。

IoMT 是用于收集和分析发送给医疗保健提供者的数据的医疗设备和服务的连接基础设施。如今，这些设备包括测量温度、湿度和振动的传感器，以及识别有限心脏状况的算法。

下一代设计正在寻求添加参数，以使用更智能和更复杂的算法识别更广泛的心律失常。例如，类似于隐形绷带的一次性“贴片”，带有一些非常小的 IC，可以舒适地佩戴在皮肤上更长时间，以监测和管理心脏健康。

连接的心脏监测系统将包括三个主要元素：可穿戴无线传感器节点、数据管理服务和基于云的分析平台。

心电图 (ECG) 传感器节点（例如，心电图贴片或心率监测导电服装）和数据管理服务从数据中心的可穿戴设备收集心脏数据。传感器节点通常是一个单导联或三导联 ECG 监测设备，带有多达三个电极（湿式或干式）连接到贴片上的电子设备上。

基于云的平台使用复杂的算法和人工智能 (AI) 引擎收集和分析心脏数据，以识别潜在的异常心脏功能。结果可以添加到患者的病历中，并提供给指定的医疗保健组织和负责的心脏病专家。

模拟前端

ECG 信号调理路径（图 1）包括模拟级，用于感测、放大和清理模拟波形。ECG 信号幅度范围从数百微伏到大约 5 毫伏。该信号包括来自交流线路的低频 (50/60 Hz) 噪声、来自身体肌肉的高频噪声以及来自设备附近不同设备的射频噪声。在可穿戴设备的情况下，ECG 信号基线会由于运动伪影而产生不希望的波动。

因此，高度复杂的模拟前端 (AFE) 通常用于清理和数字化 ECG 信号。AFE 包括 EMI 滤波器以消除射频噪声；具有典型 0.5Hz 转角频率的高通滤波器，以消除基线波动；具有典型 150Hz 转角频率的低通滤波器，用于过滤带外信号；用于过滤 50/60 Hz 噪声的陷波滤波器；一个用于放大信号的低噪声可编程仪表放大器，以及一个用于将信号数字化以对采样数据进行后处理的模数转换器。

图 1：典型的 IoMT 连接的心脏监测传感器节点和相关的信号路径。

AFE 的一个关键要求是在整个信号路径中保持来自患者的 ECG 波形特征。这是通过在所有操作条件下最小化整个信号路径中的噪声和不准确性（例如，增益误差、偏移误差等）的影响来实现的。

高性能 MCU

该路径的下一个阶段是微控制器 (MCU)，用于对数字化 ECG 数据进行后处理和/或内务管理。根据可穿戴监测设备的类型，可穿戴传感器中采样的原始 ECG 数据将被即时分析以检测最常见的心律失常，然后将其保存在系统的非易失性存储器中，或存储在存储器中以备不时之需。在设备寿命结束时进行离线分析。

前一种方法用于新一代一次性可穿戴心电图，需要具有 DSP 引擎和更高代码/数据存储内存的更高性能 MCU，除了存储大量原始数据用于后期加工。其他要求包括更小尺寸的电子设备、精密 AFE 和更低的功耗。

MCU 的额外内存和更高性能带来了功率性能和芯片尺寸方面的挑战。这些挑战需要通过利用具有小单元几何形状的先进低功耗工艺节点，并通过包含电源管理功能以实现系统级的高效电源管理方案来解决。

系统 MCU 必须在每个工作频率上具有低功耗（优于 50 µA/MHz），并包括具有可扩展频率的多种工作模式，以实现系统级的灵活电源管理。一种非常常见的方法涉及使用基于系统的一些自定义专有使用模型的配置文件循环“打开”和“关闭”MCU。

由于无线电和 MCU 在系统中占主导地位，因此它们的使用量需要尽可能低。为了限制电源循环过程中的功耗，MCU 必须在待机操作模式下提供亚微安电流消耗，并具有从待机到正常操作模式的非常快的转换时间（不超过几微秒），以最大限度地减少开关功率损耗.

较新的 AFE 需要以较低的功耗（通常低于 100 µW）连续运行，并且除了模拟信号路径之外还包括专用的低功耗数字信号处理电路（例如 R 到 R 峰值周期测量）。这将降低 MCU 的信号处理量。一般而言，增强型诊断、生命体征参数监测和附加信号测量（例如 Bio-Z）等功能都会增加 AFE 的复杂性。

超低功耗连接

ECG 传感器节点中信号路径的最后阶段是某种类型的低功耗无线连接，以实现与智能手机或定制传感器集线器等网关的通信。传输到云平台和医疗中心的数据可以包括原始心电图数据、可能的心律失常或正常节律信息以及在操作期间测量的一些其他系统参数。目前，低功耗蓝牙是最常用的无线接口之一。正在评估 NB-IoT 和 CAT-M 类型的连接以供将来使用。

更小尺寸、更具成本效益和显着更持久的一次性 ECG 贴片的趋势意味着在微型片上系统 (SoC) 或系统级封装 (SIP) 设备中的超低功耗信号路径的集成度更高. 电子产品小型化面临的一些挑战是需要适合低功耗精密混合信号（模拟和数字）电路的具有成本效益的半导体工艺节点，以及更具成本效益的小尺寸封装技术的可用性。

超低功耗是这种新型 ECG 贴片的关键要求之一，因为它可以显着延长心脏信号监测/分析的持续时间，超过目前 7 到 15 天的持续时间。更低的功耗还允许开发人员包括额外的生命体征监测，这为他们带来了竞争优势。

目前，贴片使用单币型电池，典型容量为数百毫安时。然而，人们正在努力使用更小、容量更低和更具成本效益的电池，并结合使用“无电池”传感器节点的能量收集方法，该方法基于专门的新半导体工艺技术，如薄埋氧化物上的硅。 SOTB) 和亚阈值过程。

将基于能量收集的心脏监测贴片从研究实验室转移到市场所面临的挑战是在使用点收集连续和一致的能源。该行业正在探索使用诸如体热、运动振动或周围环境中的专用射频能量等来源来应对这一关键挑战。

最后，心脏监测 SoC 设计需要在非常小的硅片上成功集成混合模式电路，而不会干扰布局中分配的边界。这需要特殊的设计专业知识来防止高频开关数字和射频电路产生的噪声传播到相邻的精密模拟电路。

IoMT 正在将传统的反应式医疗保健转向成本更低的更实惠的预防系统。将半导体、连接和材料科学技术的进步与人工智能的力量相结合，为改善社会的改变生活的应用提供了潜力。

审核编辑 黄昊宇