侵权投诉
订阅
纠错
加入自媒体

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。

多参数生命体征监测比以往任何时候都更容易

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。

1  2  下一页>  
声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

发表评论

0条评论,0人参与

请输入评论内容...

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号