多功能生物醫學裝置在穿戴裝置市場的廣泛採用

作者: ADI 醫療保健事業開發經理Jan-Hein Broeders

簡介

血氧飽和度、心電圖、血壓、以及呼吸率,這些量測應用侷限於醫院內的監視設備。持續監視這些參數至關重要 ,尤其是面臨醫療風險的病患,包括在事故後、手術後、或是診斷出急重症等情況。隨著人口高齡化以及社會強烈關切醫藥財政支出,在院外進行醫療監視成為了一股持續升高之趨勢。目前,這些高風險病患在日常生活也會持續受監視,藉以早期偵測某些事件,或是出院回家後繼續配戴監視裝置以便更迅速、更舒適地康復。另外還有第三類使用者,他們量測這些參數的目的是為了事先防範,包括尚未診斷出任何病症的使用者。

各種多重參數監視器有著相同的需求:它們必須精準量測、體積小、而且充飽一次電之後維持長時間運行。為支援這樣的趨勢,業界已經著手開發出各種新系列單晶片生物醫學類比前端元件。

ADPD4000 簡介

市面上目前有許多多重參數系統,結合兩種甚至更多量測功能。像是心律監視器結合動作感測器用來追蹤活動,或是心律變異性結合阻抗感測功能用來支援像是壓力監視或睡眠分析等應用。在大多數情況中,每種量測功能都由一個專屬的類比前端元件負責執行,以致整個系統會用到多個晶片,而每個晶片則會配置自己專屬的類比至數位轉換器(ADC)、連結主處理器的專屬介面、以及多個電源供應器與參考電壓,這些元件都必須解耦合。最終的結果就是產生許多冗餘模塊,但就尺寸與功耗而言,這樣的設計並非最佳化的系統狀態。在穿戴裝置系統中,最簡單的做法莫過於用一個主訊號鏈連結每個感測器。新推出的 ADPD4000系列生物醫學前端元件便填補了此市場缺口。圖1顯示ADPD4xxx系列元件的高階模塊圖。前端部分設計兩個相同的接收通道,兩者可同時進行取樣。每個通道分別建置,因此系統可用單端或差動量測模式來量測任何感測器的輸入數值。輸入級(input stage)部分是一個跨阻抗放大器,擁有可程式化的增益,然後接著一個帶通濾波器和積分器,能加總處理每個取樣的7.5 pC數據。ADC是一個14位元的連續近似暫存器(SAR)轉換器,最高取樣率為1 MSPS。在每個訊號鏈的前端是一個8通道多工器,為類比前端元件提供彈性,能將各種感測器訊號繞送到類比前端元件。

圖1. ADPD4000系列元件的高階模塊圖

這顆晶片可量測多種訊號,如圖1所示。可以藉由修改AFE讓它成為光學前端元件,用來執行光學式心律量測或血氧飽和度。在這個模式中,我們進行光電流量測,而系統則需要一個高跨阻抗輸入級(input stage)以便將電流轉換成電壓。另外我們還須消除環境光線產生的干擾。另一個使用情境,則是量測從心電圖(ECG)或肌電圖(EMG)感測器傳來的生物電位訊號。

這種量測需要不同的輸入訊號鏈設定,因此必須重設前端元件的各項設定。下個步驟則是取得訊號鏈,這顆晶片也支援8個輸出驅動器,可用來提供刺激訊號(stimuli)。另外也可以設定一個或多個輸出訊號來驅動LED以執行光學量測,或是用一或多個輸出訊號來執行阻抗量測,測量皮膚阻抗(膚電活動(EDA))或電極阻抗- 會影響量測品質 – 同時執行生物電位量測。

這顆晶片讓使用者能預先設定每種組態,或是在某個時槽進行量測。它最多支援12個時槽,一旦設定完成後,整個系統相當容易使用。此外,這顆晶片不需要額外的處理器資源,協助將整體功耗壓至最低程度。在晶片方面,你可以進行過度取樣然後取平均值,藉以改進ADC的有效位元數(ENOB)。降取樣資料通道的寬度為32位元。量測結果可儲存在256位元組、或512位元組深度的FIFO元件(ADPD400x 與ADPD410x)中。

整合的時戳功能,可以對多個連結感測器傳來的資料樣本進行同步化。多個感測器資料可用來尋找不同量測結果之間的關聯性。圖2顯示這顆晶片用來同步執行心電圖(ECG)與光體積變化描記圖法(PPG)的量測。以脈衝傳遞時間(PPT)量測技術為基礎,它可以在連續模式下量測血壓。這對高血壓患者極具吸引力。而時戳功能則是實際這種量測能力的關鍵。

圖2. 同步執行ECG與PPG量測藉以推估血壓

圖3a顯示支援時槽的方式。每個時槽的最前緣是一個預調節脈衝,隨後緊接著一個刺激脈衝,最後則是光二極體的電流或是ADC取樣的另一個訊號。

(a). Timing Operation Per Time Slot.

(b). Time Slot Sequence Example for Multiple Measurements.

圖3. 時槽作業的例子以及ADPD4000量測程序

圖3b顯示一個作業程序的例子。啟動電源後,接著執行重置作業,晶片便進入休眠模式。在喚醒晶片後,再循序取樣兩個ECG訊號(像是LEAD IEA LEAD II),接著進行光學量測,執行SpO2 讀取以及阻抗量測,藉以測量膚電傳導(EDA/stress)。接下來的章節會說明這幾項量測的程序。

ECG 量測流程大幅簡化

心電圖係量測人體心臟產生的電氣訊號,亦即每次心跳時心肌的去極化(depolarization)與再極化(repolarization)過程所發出的訊號。這類訊號的幅度範圍在0.5 mV 至4 mV之間,可在0.05 Hz 至40 Hz頻率範圍內測量到。心電圖單純用來量測心律,但在許多使用情境中,我們更有興趣的是波型本身,因為波形可用來量測心臟表現或預警潛在的心臟事件,像是心房顫動或持續性高血壓。我們可把電極貼在皮膚上用來監視心臟活動。為在診斷應用中確保電極接觸到身體,一般都會採用溼式電極。最常用是銀/氯化銀(Ag/AgCl)材質的電極。在非住院應用中,這些電極不僅穿戴時極不舒適,而且很容易乾燥或逐漸刺激到皮膚。此外,雖然乾式電極也很常用,但皮膚與電極之間的接觸面會逐漸老化,以致對動作假象(motion artifact)更加敏感,導致量測精準度下滑。

在醫院外(非住院病患)應用方面,總是必須在高品質電極與配戴舒適度之間做取捨。ADPD4000不僅能解決這方面的難題,還提供精準的量測結果,不受電極品質所影響。不再採用電壓輸入,ECG電路量測的是累積在感測電容的電荷。利用被動式電阻電容網路(RC network)以及取樣率,可計算出最佳化時間常數,進而排除在充電過程中皮膚與電極接觸阻抗的變動。圖1顯示心電圖訊號經由電阻電容網路耦合到晶片。這個ECG電路本身能排除皮膚與電極接觸阻抗變動所產生的影響。

圖4 顯示兩個心電圖波形。藍色波形是用高品質電極所量測,串聯阻抗為51 kΩ,電容為47 nF。紅色波形則是透過品質不佳的電極所量測,其串聯阻抗較高,而接觸阻抗為510 kΩ,電容為4.7 nF。我們可以看到ADPD4000量測到的波形幾乎相同,不受電極品質所影響。相較於市面上其他廠商的解決方案,這項特性是極大的優勢。另外的優點還包括這個電路極為省電,因為它在擷取充電電容上的心電圖訊號時無須一直啟動。另一項優點,則是它的功耗僅為150 µW到200 µW。

圖4 透過不同電極量測到的兩個心電圖波形

PPG與生物阻抗量測

在光學與生物阻抗量測方面,須用到LED驅動器來發射光線,以及激發電流至體內。在許多光學系統中,會用到兩種以上波長,因此晶片的多功能變得極普遍。ADPD4000具備8個輸出驅動器,其中4個通道可用一個可程式化輸出電流同時啟用,每個通道最高200毫安培,整個驅動器區段(section)最多只用到400毫安培。視實際的組態可運用多個時槽工作,每個時槽可用來量測自己的波長,諸如光學心律、血氧飽和度、含水量、或脫水等。每個時槽接收到的訊號鏈都配置一個可程式化跨阻抗放大器,緊接著一個雙級拒斥模塊,以用來消除環境光線產生的干擾。傳送/接收訊號鏈的訊噪比(SNR)方面,ADPD41xx系列元件最高可達100 dB,因此在對雜訊敏感的光學量測方面極為實用,例如血氧飽和度量測或血壓估算。光學系統的功耗高度取決於系統組態,像是取樣率與縮小取樣比率(decimation rate),以及採用的LED電流。另外,功耗也和量測身體的位置以及使用者的膚色成比例。

許多穿戴系統也能為各種應用量測皮膚電導,其中包括像膚電活動、壓力、或心理狀態監視。系統需要一個刺激電流來量測電壓降。ADPD4000系列可支援這種使用情境。我們可透過2或4線量測模式來設定晶片。由於沒有內建增強型波形產生器以及DFT引擎,因此若需要阻抗頻譜,可用AD5940 當作比較晶片來輔助ADPD4000。另外阻抗功能還可用來量測電極品質,或是偵測電極脫落的狀況。

由於ADPD4xxx擁有8通道多工器,因此也支援輔助輸入,可量測電壓、電容、溫度、或是系統內的動作。

幾近理想

隨著 ADPD4000/ADPD4001的推出,使得研發業者在開發穿戴裝置、身體貼片、或藥物輸送系統時所遇到的許多挑戰都能迎刃而解。在這些使用情境中,效能、尺寸、以及功耗都是關鍵的規格。該款全新生物醫學前端元件具備高效能、雙通道感測器輸入級、刺激通道、數位處理引擎、時序控制等元素,因此能滿足所有需求。ADPD4000與ADPD4001已經量產,目前已開始供貨,下一代的ADPD4100/ADPD4101預計在2020年第一季上市。新世代元件改進了訊噪比規格,並納入額外的功能,有助於進一步降低整體系統功耗。儘管可功能全納入到單一晶片,但這並不會讓電子設計工程師顯得多餘,因為每個系統都有自己的特性,同時還有許多參數必須逐一調校設定。