作者：Yigit Yoleri and Guixue (Glen) Bu

過去十年見證了移動、可穿戴和數字健康領域的巨大進步。特別是，在電子技術的不斷進步以及云計算、人工智能 （AI） 以及物聯網 （IoT） 和 5G 等通信技術的最新突破的推動下，數字醫療保健的迅速擴張和采用。一些生命體征監測（VSM）功能已內置于手機、手表和其他智能可穿戴設備中，因此已被更廣泛的人群使用。健康意識的提高引起了對小型但高精度設備的需求，這些設備可以測量各種生命體征和健康標志物，例如體溫，心率，呼吸頻率，血氧飽和度水平（SpO2）、血壓和身體成分。特別是，COVID-19 大流行導致對能夠監測多種生命體征（包括溫度、SpO ）的設備的需求激增2，以及醫院和家庭的心率。對小型方便的健康跟蹤設備（最好是智能可穿戴設備）的需求已達到歷史最高水平。

為此類小型設備添加多種傳感功能有其挑戰，需要更小的外形尺寸、更低的功耗和多參數功能，并顯著提高性能。但是，現在可以通過單個模擬前端解決方案來實現這一點。這種新的AFE可用作同步測量的多參數生命體征監測中心。它具有低噪聲、高信噪比 （SNR）、小尺寸和低功耗等特性，可顯著改進醫療設備，尤其是可穿戴技術。對于醫生、患者和消費者來說，這使得生命體征監測比以前更容易，具有更高的性能、更長的電池壽命和更高的準確性，而不會受到多個設備的干擾。本文討論了這種單一模擬前端解決方案的一些突破性功能和特性。

新型模擬前端概述

ADPD4100/ADPD4101是一款多模態傳感器AFE，具有8個模擬輸入，支持多達12個可編程時隙。 12 個時隙可以在一個采樣周期內實現 12 個單獨的測量。八個模擬輸入多路復用為單個通道或兩個獨立通道，支持在單端或差分配置中同時對兩個傳感器進行采樣。有八個 LED 驅動器可同時驅動多達四個 LED。這些 LED 驅動器是吸電流器，與 LED 電源電壓和 LED 類型無關。有兩個脈沖電壓源用于電壓激勵。新型AFE的信號路徑由跨阻放大器（TIA）、帶通濾波器（BPF）、積分器（INT）和模數轉換器（ADC）級組成。數字模塊提供多種工作模式、可編程時序、通用輸入/輸出 （GPIO） 控制、模塊平均和可選的二階至四階級聯積分器梳狀 （CIC） 濾波器。數據直接從數據寄存器或通過先進先出（FIFO）方法讀取。

這種新的AFE有兩種變體。一個具有I2C通信接口，另一個具有SPI端口。ADPD4100/ADPD4101的優勢之一與光學測量有關。其卓越的自動環境光抑制能力在與 BPF 相結合的同步調制方案中使用短至 1 μs 的脈沖，無需外部控制環路、直流電流減法或數字算法。可以使用高于1的抽取因子來提高輸出SNR。有一個子采樣功能，允許選定的時隙以比編程采樣率慢的采樣速率運行，以節省功耗，其中功率與采樣率成正比。此外，TIA 天花板檢測功能可在 TIA 輸入超出典型工作限值時，使用 TIA 輸出端子上的電壓比較器設置中斷位。

ADPD4100/ADPD4101是可穿戴健康和健身設備中各種電氣和光學傳感器的理想中樞，用于心率和心率變異性（HRV）監測、血壓估計、壓力和睡眠跟蹤以及SpO2測量。這種新型多參數VSM AFE的多種操作模式可以適應各種傳感器測量，包括但不限于醫療保健應用中的光電容積脈搏波（PPG）、心電圖（ECG）、皮膚電活動（EDA）、身體成分、呼吸、溫度和環境光測量。

PPG 測量

PPG測量檢測與每個心動周期相關的組織微血管床中的血容量變化。光的總吸收與收縮和舒張事件引起的血容量變化相關，產生PPG信號。PPG測量是通過將LED光脈沖到人體組織中，并使用光電二極管收集產生的反射/透射光，將光轉換為光電流來進行的。ADPD4100/ADPD4101處理和測量光電流并產生數字PPG信號。無需對硬件連接進行任何更改，AFE可以靈活配置為針對不同的PPG測量用例以四種不同的模式運行：連續連接模式、多積分模式、浮動模式和數字積分模式。

圖1.典型的PPG電路。

連續連接模式

連續連接模式是PPG測量的典型模式。它提供最佳的環境光抑制，并提供高信噪比。它適用于低至 5 nA/mA 至 10 nA/mA 的電荷轉移比（CTR、光電流與 LED 電流的關系）水平，可提供 95 dB 至 100 dB 直流 SNR。這些水平可以隨著抽取因子的增加而增加。它使用完整的模擬信號路徑，TIA + BPF + INT + ADC。每次ADC轉換一次輸入電荷。在像PPG這樣的單個激勵事件中，積分器的大部分動態范圍在積分來自傳感器響應的電荷時被使用。TIA 在預處理周期后連續連接到輸入;因此，輸入信號不會被調制。為了降低噪聲，光電二極管的陽極被預調節到TIA的基準電壓（TIA_V裁判).TIA_V裁判通常設置為 1.27 V 以獲得 TIA 的最大動態范圍。光電二極管的陰極連接到陰極電壓源（VCx）引腳，該器件通常設置為提供TIA_V裁判+ 215 mV 到光電二極管的陰極，以在光電二極管上產生 215 mV 反向偏置。這降低了信號路徑和光電二極管電容的噪聲。在此模式下，典型 LED 脈沖寬度為 2 μs。短 LED 脈沖可提供最佳的環境光抑制性能。使用多個LED脈沖可使脈沖數每增加一倍，SNR增加3 dB。積分器斬波通常能夠獲得最高的SNR，因為斬波消除了積分器的低頻噪聲成分。TIA 增益選擇越高，折合到輸入端的噪聲就越低，但會減小 TIA 的動態范圍。TIA 的動態范圍由動態范圍 = （TIA_V裁判）/（TIA 增益）。為了提高ADC飽和水平，可以降低TIA增益，或者增加積分器電阻。較高的積分器電阻選擇可降低噪聲，但較低的積分器電阻選擇可增加環境光裕量。

多種集成模式

多重積分模式與連續連接模式相同，只是每次ADC轉換多次積分輸入電荷。此模式可用于在低光照情況下獲得高SNR，因為它在每個刺激事件中使用少量，有時不到動態范圍的50%。因此，由于在ADC轉換之前進行多次積分，它允許利用更多的積分器動態范圍。每個ADC轉換的積分數量每增加一倍，SNR就會增加3 dB，這與脈沖數量增加一倍的效果相同。由于此模式是小輸入的典型模式，因此選擇最高的TIA增益。此模式用于CTR低于5 nA/mA且需要良好環境光抑制的情況。

浮動模式

浮動模式也用于低光情況下以獲得高信噪比。浮動模式允許光電二極管上無噪聲電荷累積。光電二極管與AFE斷開連接，因此浮動，并以無噪聲的方式因光而積累電荷。然后，AFE連接回光電二極管，光電二極管上的電荷沖入AFE，并且積分的方式允許每個脈沖處理最大電荷量，信號路徑增加的噪聲量最小。電荷的傾倒在短調制脈沖下迅速發生;因此，由于信號路徑而增加的噪聲較小。此外，可以增加浮動時間以實現更高的信號電平，但光電二極管電容可以累積的電荷量是有限的。在這種模式下，帶通濾波器（BPF）被旁路，因為當通過調制與TIA的連接從光電二極管轉移電荷時，產生的信號形狀可能因器件和條件而異。為了可靠地將信號與積分序列對齊，必須旁路BPF。該模式不能提供良好的環境光抑制性能，并且受到光電二極管電容的限制，但它在非常低的光照條件下提供了節能且噪聲較小的測量。

低光照條件下的浮動模式與多種積分模式選擇

在CTR為<5 nA/mA的低光照條件下，典型的工作模式是浮動模式。它提供比多積分模式更低的噪聲，因為多積分模式需要更多的積分周期，導致更高的TIA和積分器噪聲貢獻。浮動模式也比多重積分模式更節能，因為BPF斷電且測量時間更短。因此，在浮動模式下，每瓦SNR效率明顯更高。

當光電二極管泄漏或PPG測量中存在大量環境光時，首選多重積分模式。泄漏光電二極管不能與浮動模式一起使用，因為電荷會泄漏，而不是在快速電荷轉儲發生之前累積。如果環境光很大，則浮動模式不利，因為環境光主導了光電二極管上可以存儲的電荷量。多重集成固有地提供了出色的環境光抑制，因為使用了BPF和短LED脈沖。

數字集成模式

到目前為止提到的所有模式都使用積分器來積分傳入的費用。ADC樣本也可以通過數字積分模式進行數字積分。為了實現數字積分，積分器被轉換為緩沖器。數字集成模式適用于兩個區域。在亮區域，LED 是脈沖的，在暗區，LED 是熄滅的。 ADC 采樣在亮區和暗區以 1 μs 的間隔采集，并以數字方式進行積分。信號是通過從照明樣本中減去暗樣本的積分來計算的。此模式可支持更長的 LED 脈沖;因此，這是光電二極管響應時間較慢且需要較長脈沖的典型工作模式。BPF 被旁路并斷電。數字積分模式提供最佳的電源效率，并實現最高的SNR水平。然而，由于更長的LED脈沖和旁路BPF，環境光抑制低于連續連接模式。數字積分模式不支持在同一時隙內同時采樣兩個通道。數字積分模式可支持100+ dB直流信噪比。

數字集成模式的優缺點

如前所述，PPG測量的典型工作模式是連續連接模式，因為它在CTR大于5 nA/mA的條件下提供高SNR和出色的環境光抑制。然而，數字積分模式可實現最高的SNR水平，并提供優化的每瓦SNR效率。因此，如果環境光對應用來說不是問題，并且目標直流SNR高于85 dB，則可以選擇數字積分模式以有效地實現高SNR。如果目標直流SNR低于85 dB，則與連續連接模式相比，數字集成的功耗節省并不顯著。

總而言之，如果光電二極管響應時間較慢，需要更長的脈沖，或者不需要在一個時隙內同時采樣兩個通道，則可以選擇數字積分模式。此外，當環境光不是問題且目標直流SNR高于85 dB時，選擇數字積分模式將實現電源效率。

PPG 應用

鑒于 COVID-19 大流行，PPG 應用在生命體征監測和健康診斷中變得更加重要。此外，多個指標對于檢測至關重要。例如，一些關鍵的生命體征測量包括心率監測 （HRM）、HRV 和血氧飽和度 （SpO2），可以通過脈搏血氧儀和血壓進行測量。

光學和非侵入性SpO2監測，也稱為脈搏血氧儀，在檢測 COVID-19 患者的缺氧方面變得非常有價值。缺氧是 COVID-19 的主要癥狀之一，是剝奪身體組織的氧氣供應。缺氧也可能導致心率加快;因此，光學和無創心率監測對于檢測也至關重要。

即使未來可穿戴設備不需要，但多種測量功能的集成是最佳的，這使得ADPD4100/ADPD4101極具優勢。該AFE測量任何類型的傳感器輸入（包括溫度，ECG和呼吸測量）。因此，只需一個傳感器AFE即可建立完整的多參數VSM平臺。

脈搏血氧飽和度—SpO2 測量

脈搏血氧飽和度測定通過紅色（通常為 660 nm 波長）和紅外 （IR） LED（通常為 940 nm 波長）完成。脫氧血紅蛋白吸收更多的660nm波長光，氧合血紅蛋白吸收更多的940nm波長。光電二極管感知未吸收的光。然后將感知到的信號分為直流和交流分量。直流分量表示組織、靜脈血和非搏動性動脈血對光的吸收。交流成分代表搏動性動脈血。The SpO2然后由以下公式計算百分比：

%SpO2= （交流電）紅/直流紅）/（交流電紅外/直流紅外)

ADPD4100/ADPD4101的任意兩個時隙可以配置為測量對紅色和紅外LED的響應，以測量SpO2.其余時隙可以配置為測量來自不同波長LED的PPG，還可以支持ECG測量、導聯脫落檢測、呼吸測量和任何其他傳感器測量。

圖2顯示了同步的紅色、綠色和IR PPG信號，以及IR信號的交流和直流部分作為示例。

圖2.紅色、綠色和紅外 PPG 標有紅外 PPG 信號的交流和直流部分。

心率監測

心率監測對于檢測COVID-19也至關重要。當氧氣供應因缺氧而下降時，心臟開始跳動得更快，以便為組織提供足夠的氧氣。監測心率在檢測心臟問題或跟蹤健身行為方面也很有價值。

波長約為 540 nm 的綠色 LED 通常是心率監測的首選。它產生最佳的PPG信號，因為它具有比紅色或紅外LED更高的調制指數。它還提供了不錯的點擊率水平;因此，功耗不會太高。

交流信噪比是信號質量的參數，可以通過直流信噪比倍調制指數計算。例如，當調制指數為1%時，95 dB 直流信噪比轉換為 55 dB 交流信噪比。

心電圖測量

心電圖測量已被添加到可穿戴設備中，例如用于抽查的手表和用于連續監測的胸貼。由金屬和其他導電材料制成的電極，極化并稱為干電極，通常在此類設備中找到。使用干電極進行ECG測量的主要挑戰是電極-皮膚接觸阻抗高和相對較高的過電位。

傳統的基于儀表放大器的ECG解決方案使用緩沖器來減輕與信號衰減相關的高電極-皮膚接觸阻抗。右腿驅動（RLD）技術需要第三個電極并將參考電壓驅動回身體，用于抑制人體，電極和電纜在測量電壓的ECG系統中暴露的共模電壓。

當應用于ECG測量時，ADPD4100/ADPD4101采用一種新穎的方法，使用無源電阻電容（RC）電路跟蹤一對電極上的差分電壓。無源RC電路可以簡單到三個元件，兩個電阻RS和一個電容器 CS，如圖 3a 所示。對于每個心電圖數據樣本，這是一個兩步過程。

兩個輸入引腳（IN7和 IN8） 在充電步驟中浮動。電容器 C 上的電荷S如果充電時間為 >3τ，則與兩個電極上的差分電壓成正比，其中 τ 是由 R 定義的時間常數S和 CS， τ=2RSCS.在電荷轉移步驟中，電容器連接到TIA，電荷轉移到AFE進行測量。這種基于電荷測量的ECG解決方案具有多種優勢，包括省去了RLD的緩沖器和第三個電極，通過更少的外部元件縮小了系統尺寸，并節省了功耗。

圖3.心電圖測量配置。（a） RC采樣電路和導聯脫落檢測電路。（b） 每個心電圖數據樣本的充電和電荷轉移過程圖示。

利用ADPD4100/ADPD4101的設計靈活性，使用基于生物阻抗的方法，可以方便地將導聯脫落檢測添加到該ECG解決方案中。圖3a顯示了導聯脫落檢測電路，該電路將脈沖驅動到一個電極，在另一個電極上接收電流。如果一個或兩個電極與皮膚分離，則路徑斷開，不接收電流。圖4顯示了用于導聯脫落檢測的ECG和接收電流的跡線，其中ECG在時隙A中測量，導聯脫落檢測在時隙B中測量。

與傳統ECG解決方案中用于導聯脫落檢測的上拉電阻電路相比，后者會影響ECG電路的輸入阻抗，這種在獨立時隙中基于生物阻抗的導聯脫落檢測對ECG測量沒有影響。使用這種直流耦合電路，一旦電極與皮膚接觸重新建立，就會捕獲ECG。

圖4.心電圖測量和導聯脫落檢測。通過直流耦合瞬時恢復心電圖。

基于阻抗的呼吸測量

使用 ADPD4100/ADPD4101 進行呼吸測量可檢測吸氣和呼氣循環期間肺部的生物阻抗變化。用于重癥監護病房 （ICU） 和睡眠期間患者監測的呼吸測量允許患者管理和及時報警以挽救生命。對于有呼吸系統疾病和睡眠呼吸暫停的患者至關重要。僅睡眠呼吸暫停就是一種公共衛生和安全威脅，美國有超過2500萬成年人患病1

當患者呼吸時，肺的體積膨脹和收縮，導致胸部阻抗的變化。阻抗變化可以通過向胸部的路徑注入電流并測量壓降來測量。圖5a顯示了一個參考設計，該設計采用兩個電極進行ECG測量和呼吸監測。圖5b顯示了同步記錄的ECG、呼吸相關阻抗波和PPG。使用左右手腕上的不銹鋼干電極測量心電圖和呼吸，使用綠色LED測量PPG。

圖5.心電圖和呼吸測量。（a） 用于睡眠浮動心電圖和開爾文傳感方法呼吸測量的外部電路。（b） 同步心電圖、呼吸和PPG測量的例子。

總結

生命體征監測以智能可穿戴設備的形式擴大了其在消費市場的存在。可穿戴設備生成的健康信息可以在健康和疾病管理中發揮重要作用。為了滿足需求并使更廣泛的人群能夠使用這些設備，設計人員必須考慮成本、尺寸和功耗等常見要求。ADI公司的突破性AFEADPD4100/ADPD4101展示了其作為多參數生命體征監測中心的巨大優勢。單個AFE設計減少了多參數VSM系統的IC數量，從而大大降低了成本和尺寸。此外，采用ADPD4100/ADPD4101設計的多參數系統可生成同步數據，并消除數據同步的負擔。

審核編輯：郭婷