融合中國(guó)古老文化與民族智慧的《黃帝內(nèi)經(jīng)》在今天看來(lái)依然不過(guò)時(shí)，甚至為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)也提供了重要的指導(dǎo)思想，其“治未病”的理念在今天養(yǎng)生理論與醫(yī)學(xué)看來(lái)極具超越時(shí)代的精神?！端貑?wèn)·四氣調(diào)神大論》:“是故圣人不治已病治未病,不治已亂治未亂,此之謂也?！狈旁诮裉靵?lái)看，其跨越兩千年時(shí)空的科學(xué)精神不得不讓人感嘆。今天，人們正在以各種方式“治未病”——而能實(shí)現(xiàn)7*24小時(shí)生命體征監(jiān)測(cè)的可穿戴意義正在于此。

可穿戴產(chǎn)品正在向多參數(shù)、差異化、精真的方向發(fā)展，用戶已不再滿足于傳統(tǒng)的計(jì)步、睡眠分析、心率監(jiān)測(cè)，而大家越來(lái)越關(guān)注我們的體脂率、情緒、以及連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)等等，這些功能也是呼之欲出。針對(duì)于可穿戴市場(chǎng)產(chǎn)品，我們看到有兩個(gè)主要的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)：其一是院內(nèi)的診斷級(jí)的產(chǎn)品正在積極地尋求走向院外；院外傳統(tǒng)可穿戴產(chǎn)品也在由關(guān)注傳統(tǒng)的健康與娛樂(lè)向診斷級(jí)方向發(fā)展，然后它們交匯在診斷級(jí)和院外這一點(diǎn)上。這種趨勢(shì)從ADI公司兩款高集成度AFE（模擬前端）就可以看出。

支持四種生命體征測(cè)試功能的信號(hào)采集系統(tǒng)AFE MAX86178

為了滿足可穿戴市場(chǎng)對(duì)模擬/電源產(chǎn)品的更高性能的要求，近日ADI就為市場(chǎng)帶來(lái)了一款突破性的新產(chǎn)品——MAX86178（原美信旗下產(chǎn)品，美信公司已并入ADI），是臨床級(jí)的模擬前端，集成了光學(xué)、心電和生物阻抗(BioZ)三大完整的測(cè)量系統(tǒng)，支持四種生命體征測(cè)試功能——ECG、心率、血氧飽和度和呼吸率，滿足可穿戴監(jiān)護(hù)儀對(duì)于小型化的需求，可應(yīng)用于包括心律失常監(jiān)護(hù)貼片、新冠檢測(cè)貼片、一次性心電圖監(jiān)測(cè)器、可穿戴傳染病監(jiān)護(hù)、可穿戴患者監(jiān)護(hù)儀等廣泛場(chǎng)景中。

三大完整的測(cè)量系統(tǒng)同芯片集成的同時(shí)，還滿足高性能要求：ECG（心電圖）模擬前端（AFE）可以做到臨床等級(jí)的ECG測(cè)量，滿足IEC60601-2-47的醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)，即移動(dòng)式ECG監(jiān)測(cè)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)；PPG（光電容積圖）可以做到臨床等級(jí)的血氧檢測(cè)，性能可達(dá)113 dB信噪比；BioZ(生物阻抗)，使得設(shè)計(jì)靈活的生物阻抗配置可以支持多種動(dòng)能的測(cè)量，包括ICG、BIA、BIS、GSR/EDA監(jiān)測(cè)。

為此，基于MAX86178的多功能可以使顯著加速多項(xiàng)生命體征檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)分立方案相比，MAX86178的解決方案尺寸可以更小，而且采集信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)和光學(xué)PPG和心電ECG系統(tǒng)的同步。相比之前一代產(chǎn)品MAX86176，前者是PPG和ECG二合一功能的模擬前端，與后者最大的區(qū)別在于后者里新加了生物電阻抗（BioZ）的測(cè)量，可以做到更多的BioZ生物阻抗的頻幅掃描，或者EDA等應(yīng)用。此外，MAX86178方案對(duì)于ECG和PPG也有一定的改進(jìn)，ECG更適合于干電極的應(yīng)用，PPG在信噪比上也有一些提升。

可穿戴健康傳感器“樞紐”，多模式傳感器前端ADPD4100

ADPD4100／ADPD4101是可穿戴健康和健身設(shè)備中各種電氣和光學(xué)傳感器的“樞紐”，適用于心率和心率變異性（HRV）監(jiān)測(cè)、血壓估計(jì)、壓力和睡眠跟蹤以及SpO2測(cè)量。這種新型多參數(shù)VSM AFE的多種工作模式可以容納醫(yī)療健康應(yīng)用中的不同傳感器測(cè)量，包括但不限于光電容積脈搏波描記（PPG）、心電圖（ECG）、皮膚電活動(dòng)（EDA）、身體成分、呼吸、溫度和環(huán)境光測(cè)量。

光電容積脈搏波描記。PPG測(cè)量可檢測(cè)與每個(gè)心動(dòng)周期相關(guān)的組織微血管床的血容量變化。光的總吸收與心臟收縮和舒張事件引起的血容量變化相關(guān)聯(lián)，產(chǎn)生PPG信號(hào)。PPG測(cè)量按如下方式進(jìn)行：將LED光脈沖射入人體組織，然后用光電二極管收集反射／透射的光，并將光轉(zhuǎn)換為光電流。ADPD4100處理和測(cè)量光電流，并產(chǎn)生數(shù)字PPG信號(hào)。針對(duì)不同的PPG測(cè)量情況，無(wú)需對(duì)硬件連接進(jìn)行任何更改便可靈活地將該AFE配置為四種工作模式之一：連續(xù)連接模式、多次積分模式、浮空模式和數(shù)字積分模式。

脈搏血氧測(cè)定。脈搏血氧測(cè)定使用紅光（通常為660 nm波長(zhǎng)）和紅外（IR） LED（通常為940 nm波長(zhǎng)）。脫氧血紅蛋白主要吸收660 nm波長(zhǎng)的光，而氧合血紅蛋白主要吸收940 nm波長(zhǎng)的光。光電二極管感知未被吸收的光，然后將感知到的信號(hào)分為直流分量和交流分量。直流分量代表組織、靜脈血和非搏動(dòng)性動(dòng)脈血引起的光吸收。交流分量代表搏動(dòng)性動(dòng)脈血?？蓪DPD4100的任意兩個(gè)時(shí)隙配置為測(cè)量對(duì)紅光和IR LED的響應(yīng)，從而測(cè)量SpO2。其余時(shí)隙可以配置為測(cè)量來(lái)自不同波長(zhǎng)LED的PPG，并且還可以支持ECG測(cè)量、導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)、呼吸測(cè)量及其他傳感器測(cè)量。

心率監(jiān)測(cè)。心率監(jiān)測(cè)一般首選波長(zhǎng)約為540 nm的綠光LED。它的調(diào)制指數(shù)高于紅光或IR LED，因而能產(chǎn)生最佳PPG信號(hào)。它還提供不錯(cuò)的CTR水平，因此功耗不會(huì)太高。AC SNR是一個(gè)關(guān)系信號(hào)質(zhì)量的參數(shù)，可以通過(guò)DC SNR乘以調(diào)制指數(shù)來(lái)計(jì)算。例如，調(diào)制指數(shù)為1％時(shí)，95 dB DC SNR相當(dāng)于55 dB AC SNR。

ECG測(cè)量。ECG測(cè)量已納入可穿戴設(shè)備中，例如用于抽檢的手表和用于連續(xù)監(jiān)測(cè)的胸貼。此類(lèi)設(shè)備通常使用由金屬和其他導(dǎo)電材料制成的電極，這些電極屬于極化電極，被稱為干電極。使用干電極進(jìn)行ECG測(cè)量的主要挑戰(zhàn)是電極－皮膚接觸阻抗很高且過(guò)電勢(shì)相對(duì)較高。

當(dāng)應(yīng)用于ECG測(cè)量時(shí)，ADPD4100采用一種新穎的方法，即使用無(wú)源電阻電容（RC）電路來(lái)跟蹤一對(duì)電極上的差分電壓。無(wú)源RC電路可以簡(jiǎn)單到只有三個(gè)元件，即兩個(gè)電阻RS和一個(gè)電容CS，如圖3a所示。對(duì)ECG數(shù)據(jù)的每次采樣過(guò)程分為兩步。

基于阻抗的呼吸測(cè)量。使用ADPD4100進(jìn)行呼吸測(cè)量時(shí)，檢測(cè)的是吸氣和呼氣周期中肺的生物阻抗變化。當(dāng)患者呼吸時(shí)，肺的容積會(huì)膨脹和收縮，導(dǎo)致胸部阻抗發(fā)生變化。通過(guò)將電流注入胸部路徑并測(cè)量壓降，可以測(cè)量該阻抗變化。

本文小結(jié)：

過(guò)去十年見(jiàn)證了手機(jī)、可穿戴設(shè)備和數(shù)字健康領(lǐng)域的巨大進(jìn)步。尤其是隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展以及云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和5G等技術(shù)的新突破，數(shù)字醫(yī)療健康得到了迅速擴(kuò)張和采用。人們對(duì)健康的認(rèn)識(shí)日益提高引發(fā)了對(duì)小型但高精度設(shè)備的需求，這些設(shè)備應(yīng)能測(cè)量各種生命體征和健康指標(biāo)，例如體溫、心率、呼吸頻率、血氧飽和度、血壓和身體成分。在這種小型設(shè)備上增加多種檢測(cè)功能存在著挑戰(zhàn)，因?yàn)槠湫枰〉耐庑纬叽?、更低的功耗以及性能顯著改善的多參數(shù)功能。但是，現(xiàn)在可以通過(guò)單一模擬前端（AFE）解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。像ADPD4100和MAX86178這種新型AFE可以用作多參數(shù)生命體征監(jiān)測(cè)中心，支持同步測(cè)量。它具有低噪聲、高信噪比、小尺寸和低功耗等特性，可以顯著改善醫(yī)療設(shè)備，尤其是可穿戴技術(shù)。