多参数生命体征监测为何比以往任何时候更容易？

简介

过去十年见证了手机、可穿戴设备和数字健康领域的巨大进步。尤其是随着电子技术的不断发展以及云计算、人工智能（AI）、物联网（IoT）和5G等技术的新突破，数字医疗健康得到了迅速扩张和采用。一些生命体征监测（VSM）功能已内置于手机、手表和其他智能可穿戴设备中，因此得到了更广泛人群的使用。人们对健康的认识日益提高引发了对小型但高精度设备的需求，这些设备应能测量各种生命体征和健康指标，例如体温、心率、呼吸频率、血氧饱和度（SpO2）、血压和身体成分。COVID－19大流行更是导致对用于医院和家庭多参数生命体征（包括体温、SpO2和心率）监测设备的需求激增。对小型且方便的健康跟踪设备（最好是智能可穿戴设备）的需求已达到新高。

在这种小型设备上增加多种检测功能存在着挑战，因为其需要更小的外形尺寸、更低的功耗以及性能显著改善的多参数功能。但是，现在可以通过单一模拟前端（AFE）解决方案来应对这些挑战。这种新型AFE可以用作多参数生命体征监测中心，支持同步测量。它具有低噪声、高信噪比（SNR）、小尺寸和低功耗等特性，可以显著改善医疗设备，尤其是可穿戴技术。对于医生、患者和消费者而言，它使得生命体征监测比以前更容易，并提供更高的性能、更长的电池寿命和更高的精度，且不会有多种设备造成的烦扰和不适感。本文讨论该单一模拟前端解决方案的一些突破性功能和特性。

新型模拟前端概述

ADPD4100／ADPD4101是一种多模式传感器AFE，具有8个模拟输入，支持多达12个可编程时隙。这12个时隙支持在一个采样周期内进行12个独立测量。8个模拟输入复用成一个通道或两个独立通道，能够以单端或差分配置同时对两个传感器进行采样。8个LED驱动器可同时驱动多达4个LED。这些LED驱动器是电流吸收器，与LED电源电压和LED类型无关。该芯片具有两个脉冲电压源用于电压激励。新型AFE的信号路径包括跨阻放大器（TIA）、带通滤波器（BPF）、积分器（INT）和模数转换器（ADC）级。数字模块提供多种工作模式、可编程时序、通用输入／输出（GPIO）控制、模块平均以及可选的二阶至四阶级联积分梳状（CIC）滤波器。数据直接从数据寄存器中读取，或通过先进先出（FIFO）方法读取。

这款新AFE有两个版本。一个具有I2C通信接口，另一个具有SPI端口。ADPD4100／ADPD4101的优势之一与光学测量有关。它出色的自动环境光抑制能力得益于在结合BPF的同步调制方案中使用可短至1 ?s的脉冲，从而无需外部控制环路、直流电流减除或数字算法。使用高于1的抽取系数来提高输出SNR。它有一个子采样特性，允许选定时隙以比编程采样速率低的采样速率运行，从而节省功耗（功耗与采样速率成比例）。它还有一个TIA上限检测特性，当TIA输入超出典型工作限值时，它会利用TIA输出引脚上的电压比较器来设置中断位。

ADPD4100／ADPD4101是可穿戴健康和健身设备中各种电气和光学传感器的理想枢纽，适用于心率和心率变异性（HRV）监测、血压估计、压力和睡眠跟踪以及SpO2测量。这种新型多参数VSM AFE的多种工作模式可以容纳医疗健康应用中的不同传感器测量，包括但不限于光电容积脉搏波描记（PPG）、心电图（ECG）、皮肤电活动（EDA）、身体成分、呼吸、温度和环境光测量。

PPG测量

PPG测量可检测与每个心动周期相关的组织微血管床的血容量变化。光的总吸收与心脏收缩和舒张事件引起的血容量变化相关联，产生PPG信号。PPG测量按如下方式进行：将LED光脉冲射入人体组织，然后用光电二极管收集反射／透射的光，并将光转换为光电流。ADPD4100／ADPD4101处理和测量光电流，并产生数字PPG信号。针对不同的PPG测量情况，无需对硬件连接进行任何更改便可灵活地将该AFE配置为四种工作模式之一：连续连接模式、多次积分模式、浮空模式和数字积分模式。

图1．典型PPG电路

连续连接模式

连续连接模式是PPG测量的典型模式。它提供最佳的环境光抑制性能和高SNR。该模式在低至5 nA／mA至10 nA／mA的电荷传输比（CTR，光电流与LED电流之比）下能够很好地工作，并提供95 dB至100 dB的DC SNR。这些性能水平可以通过增加抽取系数来提高。该模式使用完整的模拟信号路径，即TIA ＋ BPF ＋ INT ＋ ADC。每次ADC转换时，传入的电荷积分一次。在单个激励事件（如PPG）中，当对来自传感器响应的电荷进行积分时，积分器的大部分动态范围会被使用。在预调理周期之后，TIA连续连接到输入，故输入信号未被调制。为了降低噪声，光电二极管的阳极被预调理到TIA的基准电压（TIA＿VREF）。通常将TIA＿VREF设置为1．27 V，以获得TIA的最大动态范围。光电二极管的阴极连接到阴极电压源（VCx）引脚，通常将该器件设置为向光电二极管阴极提供TIA＿VREF ＋ 215 mV的电压，以在光电二极管上产生215 mV的反向偏置。这会减少信号路径噪声和光电二极管电容。在这种模式下，典型LED脉冲宽度为2μs。短LED脉冲可提供最佳环境光抑制性能。使用多个LED脉冲时，脉冲数每增加一倍，SNR便提高3 dB。由于斩波能消除积分器的低频噪声成分，因此通常使能积分器斩波以获得最高SNR。选择的TIA增益越高，折合到输入端的噪声越低，但TIA的动态范围会减小。TIA的动态范围计算如下：动态范围 ＝ （TIA＿VREF）／（TIA增益）。为了提高ADC饱和电平，可以减小TIA增益，或者增加积分器电阻。选择较高的积分器电阻可降低噪声，但选择较低的积分器电阻会增加环境光裕量。

多次积分模式

多次积分模式与连续连接模式大致相同，不同之处在于，每次ADC转换要对传入的电荷积分多次。此模式可用在弱光情况下获得高SNR，因为对于每个激励事件，它只使用少量（有时小于50％）动态范围。由于在ADC转换之前进行多次积分，因此它可以利用更大的积分器动态范围。每次ADC转换的积分次数增加一倍，SNR就会提高3 dB，这与脉冲数加倍的效果一样。此模式通常用于小输入，因此可选择最高TIA增益。此模式用在CTR低于5 nA／mA且需要良好环境光抑制的情况下。

浮空模式

浮空模式也用于弱光条件下以获得高SNR。浮空模式支持在光电二极管上进行无噪声电荷累积。光电二极管与AFE断开连接（故称之为“浮空”），以无噪声方式积累光致电荷。然后，AFE连回光电二极管，光电二极管上的电荷涌入AFE，积分以一种允许每个脉冲处理最大量电荷的方式进行，而信号路径增加的噪声量极小。由于是短调制脉冲，电荷转存会快速发生。因此，信号路径引起的噪声增加较小。另外，可以增加浮空时间以获得更高的信号电平，但光电二极管电容可以积累的电荷量是有限的。在这种模式下，带通滤波器（BPF）被旁路，因为当通过调制TIA连接来转移光电二极管中的电荷时，所产生信号的形状可能会因器件和条件而异。为了可靠地将信号与积分序列对齐，必须旁路BPF。此模式不能提供良好的环境光抑制性能，并且受光电二极管电容限制，但在非常低的光照条件下，它能提供高功耗效率且噪声较小的测量。

弱光条件下的浮空模式与多次积分模式选择

在CTR ＜ 5 nA／mA的弱光条件下，典型工作模式是浮空模式。与多次积分模式相比，浮空模式下噪声更低，因为多次积分模式需要更多积分周期，导致TIA和积分器的噪声贡献更大。由于BPF关断且测量时间更短，浮空模式的功耗效率也比多次积分模式要高。因此，浮空模式下每瓦SNR效率明显更高。

在PPG测量中，当光电二极管有泄漏或存在大量环境光时，首选多次积分模式。泄漏严重的光电二极管不能用于浮空模式，因为在快速电荷转移发生之前，电荷会泄漏，而不是累积起来。如果环境光很强，浮空模式是不宜的，因为环境光将主导光电二极管上可存储的电荷量。由于使用BPF和短LED脉冲，多次积分固有地提供出色的环境光抑制性能。