【導(dǎo)讀】生命體征監(jiān)測已經(jīng)超出醫(yī)療實(shí)踐的范圍，進(jìn)入我們?nèi)粘Ｉ畹亩鄠€(gè)領(lǐng)域。最初，生命體征監(jiān)測是在嚴(yán)格的醫(yī)療監(jiān)督下，在醫(yī)院和診所進(jìn)行。微電子技術(shù)的進(jìn)步降低了監(jiān)控系統(tǒng)的成本，使這些技術(shù)在遠(yuǎn)程醫(yī)療、運(yùn)動、健身和健康、工作場所安全等領(lǐng)域更加普及和普遍，在越來越關(guān)注自動駕駛的汽車市場也是如此。
生命體征監(jiān)測已經(jīng)超出醫(yī)療實(shí)踐的范圍，進(jìn)入我們?nèi)粘Ｉ畹亩鄠€(gè)領(lǐng)域。最初，生命體征監(jiān)測是在嚴(yán)格的醫(yī)療監(jiān)督下，在醫(yī)院和診所進(jìn)行。微電子技術(shù)的進(jìn)步降低了監(jiān)控系統(tǒng)的成本，使這些技術(shù)在遠(yuǎn)程醫(yī)療、運(yùn)動、健身和健康、工作場所安全等領(lǐng)域更加普及和普遍，在越來越關(guān)注自動駕駛的汽車市場也是如此。雖然實(shí)現(xiàn)了這些擴(kuò)展，但是因?yàn)檫@些應(yīng)用都與健康高度相關(guān)，所以仍然保持很高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
生命體征監(jiān)測包括測量一系列能顯示個(gè)人健康狀況的生理參數(shù)。心率是最常見的參數(shù)之一，可以通過心電圖來檢測，心電圖可以測量心跳的頻率，最重要的是，可以測量心跳的變化。心率變化往往由活動引起。在睡眠或休息時(shí)，節(jié)奏較慢，但往往會隨著身體活動、情緒反應(yīng)、壓力或焦慮等因素而加快。本文將結(jié)合亞德諾半導(dǎo)體公司（ADI）的相關(guān)產(chǎn)品與技術(shù)提供基于光學(xué)測量的可穿戴生命體征監(jiān)測方案。
光學(xué)體征信號監(jiān)測成主流
為了監(jiān)測心率、呼吸、血壓和溫度、皮膚電導(dǎo)率和身體成分等生命體征，需要采用各種傳感器，且解決方案必須緊湊、節(jié)能和可靠。生命體征監(jiān)測包括：
?光學(xué)測量
?生物電勢測量
?阻抗測量
?使用MEMS傳感器進(jìn)行的測量
光學(xué)測量超越了標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體技術(shù)。為了進(jìn)行這種類型的測量，需要一個(gè)光學(xué)測量工具箱。下圖所示為光學(xué)測量的典型信號鏈。需要使用光源（通常是LED）來生成光信號，它可能由不同的波長組成。幾種波長組合在一起，可以實(shí)現(xiàn)更高的測量精度。還需要使用一系列硅或鍺傳感器（如光電二極管）將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。光電二極管在響應(yīng)光源的波長時(shí)，必須具備足夠的靈敏度和線性度。之后，光電流必須被放大和轉(zhuǎn)換，因此需要高性能、節(jié)能、多通道模擬前端，以控制LED、放大和過濾模擬信號，并按照所需的分辨率和精度進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
生命體征檢測的光學(xué)測量信號鏈
基于ADPD144RI的耳塞式光學(xué)心率測量
體征信號的測量與測量方案很多時(shí)候決定于測量的位置，心率檢測會受到運(yùn)動偽像的限制而難以進(jìn)行，像手腕等常見測量位置因?yàn)榧∪赓|(zhì)量相對較大，會限制與動脈的接觸。相比之下，耳朵更適合進(jìn)行光學(xué)心率測量。然而，因?yàn)榛诙涞臏y量設(shè)備受空間限制，并且功耗非常高，需要大電池。但隨著高集成度、更低功耗芯片的推出，ADI已開發(fā)出解決這些問題的解決方案?，F(xiàn)在可以將有效運(yùn)作的生命體征測量器件集成到典型的入耳式耳機(jī)中。響應(yīng)度的改進(jìn)開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域和可能性。
基礎(chǔ)測量方法是光學(xué)性的，ADI的測量方案使用來自最多三個(gè)LED的短脈沖信號。LED電流最高可達(dá)370 mA，最小脈沖寬度為1μs。LED的最佳波長根據(jù)測量位置和測量方法來選擇。手腕上只能測量表面動脈，故而選擇綠光，耳朵則不同，可以使用紅外光，從而獲得更大的穿透深度和更高的SNR。光電二極管用于測量反射光，因此，它會同時(shí)測量信號和背景噪聲。下游模擬前端提供更高的SNR。它用作信號濾波器，將檢測到的電流轉(zhuǎn)換為電壓，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。除反射測量外，算法還包括用于通過加速度計(jì)濾除運(yùn)動偽像的校正。
組成測量系統(tǒng)的器件包括ADPD144RI（芯片用作模擬前端），它還集成了光電二極管和LED。測量由三軸加速度計(jì)（ADXL362）提供支持，該三軸加速度計(jì)不僅用于識別步態(tài)和運(yùn)動，還用于去除偽像。整個(gè)過程由ADuCM3029 微控制器控制，該微控制器用作各種傳感器的接口并包含算法。
為了對系統(tǒng)特性進(jìn)行表征，針對不同的運(yùn)動模式考慮了五種不同的場景：站著不動；站著不動并咀嚼；在辦公桌前工作；步行；跑步和跳躍。從測試案例中可以得出結(jié)論，在大多數(shù)情況下，心率可以利用耳塞中集成的傳感器非常精確地加以確定。與手腕測量相比，耳朵中的信號更強(qiáng)，因此測量精度可以達(dá)到更高水平。此外，使用紅光或紅外光可以測量血氧水平。
光電式脈搏波測量模擬前端ADPD1081
基于光電容積圖（PPG）技術(shù)的光學(xué)測量方法在穿戴市場的應(yīng)用越來越廣泛。針對人體各項(xiàng)生理特征指標(biāo)測量，如心率、血壓飽和度、血氧等，ADI推出了一系列光學(xué)測量傳感器，適用于人體的耳朵、手腕、指尖、額頭、腹部等多個(gè)測量部位。此系列產(chǎn)品均帶有體積小，功耗低，高信噪比SNR的特點(diǎn)，可為測量系統(tǒng)提供高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)。以光電式脈搏波測量模擬前端ADPD1081為例，ADI公司提供一系列光電二極管和各種模擬前端，能夠處理從光電二極管接收到的信號并控制LED。
ADPD1081將LED、光電二極管和前端集成到一個(gè)器件中，也提供完整的光學(xué)系統(tǒng)。ADPD1081集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和20位突發(fā)累加器的高效率光電式測量前端，配合靈活的發(fā)光LED驅(qū)動器工作，ADPD1081激勵(lì)LED并測量相應(yīng)的光學(xué)返回信號。數(shù)據(jù)輸出和功能配置通過ADPD1081上的串行端口接口(SPI)進(jìn)行?？刂齐娐钒`活的LED信號傳輸和同步檢測。
由于環(huán)境光通常引起調(diào)制干擾，模擬前端(AFE)可提供信號失調(diào)和破壞抑制性能，而無需濾光器或需要外部控制的直流抵消電路。通過電容低于100 pF的光電二極管耦合ADPD1081以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)性能，而且可用于任何LED。
當(dāng)LED發(fā)光時(shí)，血液和組織會吸收不同數(shù)量的光子，導(dǎo)致光電檢測器檢測到不同的結(jié)果。光電檢測器測量血液脈動的變化并輸出一個(gè)電流，該電流隨后經(jīng)放大和濾波以供進(jìn)一步分析。 下圖顯示了一個(gè)由交流(AC)和直流(DC)分量組成的一般PPG信號。PPG波形的直流分量檢測組織、骨骼和肌肉反射的光信號，以及動脈和靜脈血液的平均血容量。交流分量則表示心動周期的收縮期和舒張期之間發(fā)生的血容量變化，交流分量的基頻取決于心率。
含交流和直流部分的典型PPG信號
此外，PPG信號易受周邊組織的不良血液灌流和運(yùn)動偽像的影響是眾所周知的，為將這些因素的影響降至低點(diǎn)，以免干擾隨后的PPG分析和心率估計(jì)，須有一個(gè)預(yù)處理階段。需要一個(gè)帶通濾波器來消除PPG信號的高頻成分（如電源）和低頻成分（如毛細(xì)血管密度和靜脈血容量的變化、溫度變化等等）。
本文小結(jié)
隨著老齡化人口的增加以及對醫(yī)療保健整體支出的強(qiáng)烈關(guān)注，院外醫(yī)療監(jiān)護(hù)已成為一種發(fā)展趨勢。如今，為了及早發(fā)現(xiàn)某些事件，對有潛在風(fēng)險(xiǎn)的患者進(jìn)行日常生活監(jiān)護(hù)，或者讓患者攜帶監(jiān)護(hù)儀由醫(yī)院回到家中，可使其康復(fù)過程更快捷、更舒適。基于光學(xué)測量的可穿戴生命體征監(jiān)測方案為人們的日常健康監(jiān)護(hù)提供了便捷高效率的實(shí)施方案。
（來源：ADI）
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