生命體徵監測技術：對人體進行狀態監測

作者：ADI現場應用工程師 Cosimo Carriero

簡介

生命體徵監測已經超出了醫療實踐的範圍，並已進入我們日常生活中的多個領域中。最初，生命體徵監測是在嚴格的醫療監督下，在醫院和診所所進行的。微電子技術的進步降低了監控系統的成本，使得這些技術在遠端醫療、運動、健身和健康、工作場所安全等領域更加普及，在越來越關注自動駕駛的汽車市場也是如此。雖然實現了這些擴展，但是因為這些應用都與健康高度相關，所以仍然保持很高的品質標準。

生命體徵

生命體徵監測包括測量一系列能顯示個人健康狀況的生理參數。心率則是最常見的參數之一，可以透過心電圖來檢測，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，節奏較慢，但往往會隨著身體活動、情緒反應、壓力或焦慮等因素而加快。

心率超出正常範圍可能表明存在諸如心動過緩（心率過低時）或心動過速（心率過高時）等疾病。呼吸是另一個關鍵生命體徵。血液的氧合程度可以使用一種名為光電容積脈搏波(PPG)的技術進行測量。缺氧可能與影響呼吸系統的疾病發作或紊亂有關。其他能夠反映個人身體狀況的生命體徵測量因素包括血壓、體溫和皮膚電導反應等。皮膚電導反應，又稱膚電反應，與交感神經系統密切相關，反過來又會直接參與調解情緒性行為。測量皮膚電導率可以反映病人的壓力、疲勞、精神狀態和情緒化回應等狀況。此外，透過測量身體成分、瘦體質量和脂肪體質量的百分比，以及水合作用和營養程度，可以清楚展現個人的臨床狀態。最後，測量運動和姿勢可以提供有關受試者活動的有用資訊。

測量生命體徵的技術

為了監測心率、呼吸、血壓和溫度、皮膚電導率和身體成分等生命體徵，需要採用各種感測器，且解決方案必須緊湊、節能和可靠。生命體徵監測包括：

• 光學測量
• 生物電勢測量
• 阻抗測量
• 使用MEMS感測器進行的測量

光學測量

光學測量超越了標準的半導體技術。為了進行這種類型的測量，需要一個光學測量工具箱。圖1所示為光學測量的典型訊號鏈。需要使用光源（通常是LED）來生成光訊號，它可能由不同的波長組成。幾種波長組合在一起，可以實現更高的測量精度。另外還需要使用一系列矽或鍺感測器（光電二極體）將光訊號轉化為電訊號，也稱為光電流。光電二極體在回應光源的波長時，必須具備足夠的靈敏度和線性度。之後，光電流必須被放大和轉換，因此需要高性能、節能、多通道模擬前端，以控制LED、放大和過濾類比訊號，並按照所需的解析度和精度進行模數轉換。

光學系統封裝也具有重要作用。封裝不僅是一個容器，還是包含一個或多個光學視窗的系統，可以過濾射出和射入的光，但不會產生過度的衰減或反射，從而損害訊號的完整性。為了創建緊湊的多晶片系統，光學系統封裝還必須包含多個元件，包括LED、光電二極體、類比和數位處理晶片。最後，一種能夠創建光學濾波器的塗層技術也是選擇應用所需的光譜部分和消除不需要的訊號所建議的。即使在陽光下，該應用也必須能正常運行。如果沒有光學濾波器，訊號的大小會使類比鏈飽和，使得電子元件無法正常工作。

ADI提供了一系列光電二極體和各種類比前端，能夠處理從光電二極體接收到的訊號並控制LED。也提供完整的光學系統，它將LED、光電二極體和前端整合到一個元件中，例如 ADPD1081。

生物電勢和生物阻抗測量

生物電勢是一種電訊號，由我們體內的電化學活動的效應引起。生物電勢測量示例包括心電圖(ECG)和腦電圖。它們在存在多項干擾的頻段中，檢查極低幅度的訊號。因此，在對訊號進行處理之前，必須對其進行放大和濾波。ECG生物電勢測量廣泛用於生命體徵監測，ADI提供了多種元件來執行此任務，包括 AD8233、 ADAS1000晶片系列。

AD8233專為穿戴式應用設計，可與ADuCM3029（基於Cortex_®-M3的片上系統(SoC)）相結合，創建一個完整的系統。此外，ADAS1000系列專為高階應用而設計，具有低能耗高性能的優點，特別適合由電池供電的可攜式裝置，且功率和噪音可擴展（即，雜訊水準可以隨著功耗的增加成比例降低），是非常適合clinical級別的應用的出色整合解決方案。

生物阻抗是另一種測量方法，可以提供有關身體狀態的有用資訊。阻抗測量提供有關電化學活動、身體成分和水合狀態的資訊。測量每個參數需要使用不同的測量技術。每種測量技術所需的電極數量，以及應用該技術的時間點都因使用的頻率範圍而異。

例如，在測量皮膚阻抗時使用低頻率（高達200 Hz），而在測量人體成分時，通常會使用50 kHz固定頻率。同樣，為了測量水合作用，並正確地評估細胞內和細胞外的液體，會使用不同的頻率。

雖然技術可能不同，但可以使用一個單端 AD5940來實施所有生物阻抗和阻抗測量。此器件提供激勵訊號和完整的阻抗測量鏈，可生成不同的頻率來滿足多種測量要求。此外，AD5940專用於和AD8233配合使用，用於創建一個全面的生物阻抗和生物電勢讀取系統，如圖2所示。其他用於阻抗測量的元件包括ADuCM35x系列SoC解決方案。除了專用的類比前端之外，該解決方案還提供Cortex-M3微控制器、記憶體、硬體加速器和用於電化學感測器和生物感測器的通訊周邊。

使用MEMS感測器進行的運動測量

由於MEMS感測器可以檢測重力加速度，所以它們可用於檢測活動和異常，如不穩定的步態、跌倒或腦震盪，甚至是在受試者休息時監測其姿勢。此外，MEMS感測器還可作為光學感測器的補充，因為後者易受移動偽影影響；當這種情況發生時，可以使用加速度計提供的資訊來進行校正。ADXL362是醫療領域的熱門元件之一，也是目前市場上能耗最低的三軸加速度計。它具有2 g至8 g的可編程測量範圍和數位輸出。

ADPD4000：通用類比前端

目前市面上提供的穿戴式裝置（例如智慧手環和智慧手錶）都提供了多種生命體徵監測功能。其中最常見的是心率監護儀、計步器和卡路里計算器。此外，還經常測量血壓和體溫、皮膚電活動、血容量變化（透過光電容積脈搏波），以及其他指標。隨著監測選項的數目增加，對高度整合的電子元件需求也不斷地增加。 ADPD4000 採用極為靈活的架構，旨在幫助設計人員滿足此需求。除了提供生物電勢和生物阻抗讀數外，它還可以管理光電式測量前端、引導LED和讀取光電二極體。ADPD4000配有一個用於補償的溫度感測器和一個開關矩陣，可以引導所需的輸出和獲取訊號，無論是單端訊號或差分電壓訊號均可。輸出可以選擇，可以是單端輸出或差分輸出，具體由ADPD4000要連接的ADC的輸入要求決定。該元件可以程式設計採用12個不同的時間帶，每個專用於處理特定的感測器。圖3總結了在幾種典型應用中ADPD4000的關鍵特性。

結論

隨著科技進步，生命體徵監測已在各行各業、以及我們的日常生活中變得越來越普遍。無論是用於治療或是預防，這種與健康有關的解決方案都需要採用可靠有效的技術。設計生命體徵監測系統的人員將能夠在ADI專用於實施訊號處理的大量產品系列中取得一系列解決方案，以因應其所面臨的設計挑戰。