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    單芯片生物醫學模擬,助力生物醫學發展

    2021-05-12 09:29 電子技術應用

    導讀:ECG 測量的是人體心臟由于每次心跳使心肌去極化和復極化而產生的電信號。

    氧飽和度、心電圖、血壓和呼吸頻率的測量過去僅有醫院監護儀才可提供。這些參數的監測至關重要,尤其對于有潛在醫療風險的人員來說,無論是在意外事故后、手術后,還是在被診斷為患有嚴重疾病時。隨著老齡化人口的增加以及對醫療保健整體支出的強烈關注,院外醫療監護已成為一種發展趨勢。如今,為了及早發現某些事件,對有潛在風險的患者進行日常生活監護,或者讓患者攜帶監護儀由醫院回到家中,可使其康復過程更快捷、更舒適。還有第三類用戶也在測量這些參數,他們以預防為目的,甚至尚未進行任何診斷。

    多參數監護儀均具有相同的需求:精確、小巧,并且一次充電即可連續長時間工作。為了支持這一趨勢,ADI 公司已經開發出新的單芯片生物醫學模擬前端系列。

    ADPD4000 簡要概述

    市場上有許多可組合兩個或多個測量結果的多參數系統??紤]將心率監護儀與運動傳感器結合使用,可以進行活動跟蹤,或利用阻抗檢測進行心率變異性跟蹤,可用于壓力監測或睡眠分析等應用。在大多數情況下,每次測量都由專用模擬前端執行,因此需要多個芯片,每個芯片都有各自的模數轉換器(ADC)、各自至主處理器的接口以及需去耦的多個電源和基準電壓。這將導致許多冗余的構建模塊,從尺寸和功率角度來看,它并非一個最優的系統。在可穿戴系統中,再沒有什么比擁有一個可連接各個傳感器的主信號鏈更方便的了。新型 ADPD4000 生物醫學前端產品系列填補了這一市場空白。圖 1 顯示了 ADPD4xxx 系列的高級框圖。該前端圍繞兩個相同的接收通道設計而成,可以同步進行采樣。每個通道均以差分方式構建,因此可以在單端或差分測量模式下測量任何傳感器輸入。輸入級是一個具有可編程增益的跨阻放大器,其后接一個帶通濾波器和一個積分器,能夠進行每個采樣 7.5 pC 的積分。其 ADC 是一款 14 位逐次逼近寄存器(SAR)轉換器,最大采樣速率為 1 MSPS。每個信號鏈的前面是一個 8 通道多路復用器,使模擬前端可以靈活地將各種傳感器信號路由至 AFE。

    圖 1.ADPD4000 系列的高級框圖

    使用該芯片可測量各種信號,如圖 1 所示。例如,可以將 AFE 修改為光學前端,以測量光電心率或氧飽和度。在該模式下,我們將測量光電流,因此需要使用一個高跨阻輸入級將電流轉換為電壓。我們還需要消除來自環境光的干擾。另一個用例是測量來自心電圖(ECG)或 EMG 傳感器的生物電勢信號。

    這時需要不同的輸入信號鏈設置,需要重新配置前端設置。在接收信號鏈的旁邊,該芯片還支持八個輸出驅動器,可用于提供激勵信號。您可以配置一個或多個輸出來驅動 LED 進行光學測量,或者可以將一個或多個驅動器輸出用作激勵進行阻抗測量,可以在執行生物電測量時測量皮膚阻抗(皮膚電活動(EDA))或電極阻抗(影響測量質量)。

    該芯片允許用戶在特定時隙中對每個配置或測量進行預編程。它最多支持 12 個時隙,這使系統一經配置便非常易于使用。此外,該芯片無需額外的處理器資源,從而有助于最大程度地降低系統總功耗??稍谛酒瑑冗M行過采樣和采樣平均,以提高 ADC 的有效位數(ENOB)。數據抽取路徑為 32 位寬。測量結果可以存儲在深度為 256 字節或 512 字節的 FIFO(ADPD400x 或 ADPD410x)中。

    集成的時間戳功能可支持來自多個連接傳感器的數據樣本之間的同步。如需使用多個傳感器數據來確定不同測量結果之間的相關性,則需要此功能。圖 2 顯示了如何將該芯片用于 ECG 測量,并與光電容積脈搏波(PPG)測量同步?;诿}沖傳播時間(PPT)測量技術,可以連續模式進行血壓測量。這對于高血壓患者非常有吸引力。時間戳功能使之成為可能。

    圖 2. 同時進行 ECG 和 PPG 測量以估測血壓

    圖 3a 顯示了如何支持時隙工作的原理。每個時隙均從一個前置脈沖開始,后接一個激勵脈沖,最后是一個光電二極管電流或來自另一個傳感器信號(由 ADC 采樣)的信號。

    圖 3b 顯示了工作時序的示例。上電后,進行復位操作,芯片進入睡眠模式。芯片喚醒后,可以依次采樣兩個 ECG 信號(例如,LEAD I 和 LEAD II),然后進行光學測量以獲取 SpO2 讀數,并進行阻抗測量以測量皮膚電導率(EDA/ 壓力)。下面章節將介紹獲得這些測量值的過程。

    ECG 測量變得更加輕松

    ECG 測量的是人體心臟由于每次心跳使心肌去極化和復極化而產生的電信號。信號幅度通常為 0.5 mV 至 4 mV,測量頻率范圍在 0.05 Hz 至 40 Hz 之間??梢詧绦?ECG 僅測量心率,但是在許多用例中,我們對波形本身更感興趣,它可以用作心臟功能測量或潛在心臟病事件(如心房顫動或持續高血壓)的預警??梢酝ㄟ^將電極與皮膚相連來監測心臟活動。為了在診斷應用中確保與人體的良好接觸,通常采用濕電極。最常見的是銀 / 氯化銀(Ag/AgCl)電極。在院外應用中,這些電極很不舒適,并且容易變干或刺激皮膚。此外,盡管干電極很常用,但是皮膚與電極之間的接觸導電性會降低,并且干電極對運動偽影更敏感,將導致讀數不精確。

    在院外(門診)應用中,始終需要在高質量電極與舒適性之間進行權衡。ADPD4000 系列可以解決這一問題,不管電極質量如何,都能提供精確的測量。ECG 電路并不使用電壓輸入,而是測量檢測電容上累積的電荷。通過從無源 RC 網絡和采樣速率計算出的最佳時間常數,充電過程可消除皮膚與電極接觸阻抗的變化。圖 1 顯示了如何通過 RC 網絡將 ECG 信號耦合到芯片中。該 ECG 電路具有固有的抗擾性,不受皮膚與電極之間接觸阻抗變化的影響。

    圖 3. 時隙工作和 ADPD4000 測量時序的示例

    圖 4. 使用不同電極測得的兩個 ECG 波形

    圖 4 顯示了兩個 ECG 波形。藍色波形測量結果采用高質量電極,其串聯阻抗為 51 kΩ,電容為 47 nF。而紅色波形測量結果則采用質量較差的高串聯阻抗電極。其接觸阻抗為 510 kΩ,電容為 4.7 nF。我們可以看到,ADPD4000 測得的兩個波形幾乎完全相同,而與電極質量無關。與市場上的替代解決方案相比,這是該前端的巨大優勢。另一個優勢是該電路具有極高的功效比,因為在充電電容上捕獲 ECG 信號時不必激活該電路。再一個優點是其功耗僅為 150 ?W 至 200 ?W。

    PPG 和生物阻抗測量

    對于光學和生物阻抗測量,分別需要發光二極管驅動器發光和向體內激勵電流。在許多光學系統中,需使用不止一種波長,因此該芯片的多功能性非常令人期待。ADPD4000 具有八個輸出驅動器,其中四個通道可同時使用,每個輸出的可編程輸出電流最大為 200 mA,而整個驅動器部分則為 400 mA。根據配置,可以多時隙工作,每個時隙都以各自的波長來測量光電心率、SpO2、水合或脫水等。每個接收信號鏈均具有一個可編程跨阻放大器,其后是一個雙級抑制模塊,以消除環境光干擾。對于 ADPD41xx 系列,發送 / 接收信號鏈的信噪比(SNR)高達 100 dB,這使其非常適合對噪聲敏感的光學測量,例如氧飽和度測量或血壓估測。光學系統的功耗在很大程度上取決于系統配置,例如采樣與抽取速率和所使用的 LED 電流。這也與在用戶身體上的位置和膚色成比例關系。

    許多可穿戴系統還可測量皮膚電導率,適合 EDA、壓力或精神狀態監測等應用。測量壓降需要激勵電流。ADPD4000 系列支持此用例。該芯片可以配置為 2 線或 4 線測量模式。它不包含增強型波形發生器和 DFT 引擎,因此,在需要阻抗光譜的情況下,應使用配套芯片 AD5940 以輔助 ADPD4000。阻抗功能還可用于測量電極質量或導線脫落檢測。

    由于 ADPD4xxx 配備 8 通道多路復用器,因此還可以支持使用輔助輸入測量系統中的電壓、電容、溫度或運動。

    理想之選

    ADPD4000/ADPD4001 的推出,解決了設計人員在穿戴式設備、人體貼片或給藥系統設計中面臨的許多挑戰。對于每種用例,性能、尺寸和功耗都至關重要。這款新型生物醫學前端具有高性能的雙通道傳感器輸入級、激勵通道、數字處理器和時序控制,可以滿足這些要求。ADPD4000 和 ADPD4001 已實現量產,現已上市,而下一代 ADPD4100/ADPD4101 預計將于 2020 年第一季度上市。新一代產品具有改進的信噪比規格和其他功能,有助于進一步降低整個系統的功耗。盡管所有這些功能都包含在單芯片中,但電子設計工程師的工作并不會因此而變得多余,因為需要進行多個參數配置,以使每個系統具有各自的特征。