随着电子技术的不断发展以及云计算、物联网(IoT)和5G等通信技术的新突破，我们每天都在享受着数字化给我们生活所带来的便利。近两年人们的健康意识显著提高，尤其是年轻一代，开始关注到类似智能手表、手环这样的可穿戴型智能化物件，希望它们能够辅助人们进行饮食、作息、运动等方面的相应调整，拥有个人健康管理能力，尤其是心率、睡眠、血压、血氧等重要的生命体征监测功能。
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和心率等）监测设备的需求激增，尤其是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。但是，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。ADI公司作为多个行业市场的半导体制造商和解决方案提供商，医疗一直其重要的目标市场之一，其推出的新型模拟前端(AFE)可以解决上述挑战。据悉，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。
市场上有许多可组合两个或多个测量结果的多参数系统。考虑将心率监护仪与运动传感器结合使用，可以进行活动跟踪，或利用阻抗检测进行心率变异性跟踪，可用于压力监测或睡眠分析等应用。在大多数情况下，每次测量都由专用模拟前端执行，因此需要多个芯片，每个芯片都有各自的ADC、各自至主处理器的接口以及需去耦的多个电源和基准电压。这些都会导致许多冗余的构建模块，从尺寸和功率角度来看，它并非一个最优的系统。在可穿戴系统中，再没有什么比拥有一个可连接各个传感器的主信号链更方便的了。ADI的生物医学前端产品ADPD4XXX系列填补了这一市场空白。
下图显示了ADPD4XXX系列的高级框图。该前端围绕两个相同的接收通道设计而成，可以同步进行采样。每个通道均以差分方式构建，因此可以在单端或差分测量模式下测量任何传感器输入。输入级是一个具有可编程增益的跨阻放大器，其后接一个带通滤波器和一个积分器，能够进行每个采样7.5 pC的积分。其ADC是一款14位逐次逼近寄存器(SAR)转换器，最大采样速率为1 MSPS。每个信号链的前面是一个8通道多路复用器，使模拟前端可以灵活地将各种传感器信号路由至AFE。
ADPD4XXX系列的高级框图
该系列产品中的ADPD4100可以提供一流的光学测量性能，峰值信噪比超过100dB，具备临床级性能，支持血氧饱和度(SpO2)测量。该模拟前端还以不同的配置为连续光电容积脉搏波测量提供最高的SNR/毫瓦，从而延长电池寿命，这一点对于可穿戴式电池供电设备非常重要。
此外，该产品具有出色的环境光抑制能力，超过60 dB，最高达1 kHz，而无需光电二极管光学滤波器。这减轻了微控制器的处理需求，从而降低了系统功耗，并使设计更加简化。该部件集成了LED驱动器、ADC和时序内核，有多达8个LED驱动器，每个驱动器能够同步提供200毫安电流，可形成多达8个输入通道或4个差分对，具有完全可编程的信号链及相关时序，为顺序测量提供12个不同的时隙。
总之，这种巨大的灵活性使ADPD4100成为传感器集线器，不仅可以进行光学测量，还能进行心电图EDA测量、基于热敏电阻的体温测量或基于胸阻抗的呼吸率测量等。该器件还能够同步提供不同的参数，例如体积描记器（PPG）和心电图(ECG)，从而估算脉搏波速度。
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。
典型PPG电路
鉴于COVID-19大流行，PPG应用在生命体征监测和健康诊断中变得更加重要。此外，多指标对于检测也至关重要。例如，一些重要的生命体征测量包括心率监测(HRM)、HRV和血氧饱和度（SpO2，可通过脉搏血氧仪和血压进行测量）。ADPD4100的评估板为生命体征监测应用实现了一种简单的分立式光学设计，具体而言是一种腕式光学体积描记法。该评估板提出采用三个绿光LED来实现光学解决方案，中间有黑色正方形的就是光电二极管，三个绿光LED围绕着该光电二极管，尽管同时运行，但它们由三个不同的LED驱动器控制。评估板上还有一个红光和红外LED，采用单封装，也可用于SpO2测量。对于将来的可穿戴设备，多种测量功能的集成是最佳的（虽然不一定有必要），ADPD4100对此极为有利。该AFE可测量任何类型的传感器输入（包括温度、ECG和呼吸测量）。因此，仅使用一个传感器AFE就能建立完整的多参数VSM平台。
结语
随着移动数字健康时代不断发展，智能可穿戴设备迎来新的机遇。越来越多新兴技术的应用，给智能可穿戴设备带来新的驱动力。作为健康大数据应用的优选终端，智能可穿戴设备功能算法和相关技术也越来越精确，从现有的心率、睡眠、血压、和呼吸等逐渐扩展至体温、心电、脑电等生命体征监测。ADI公司ADPD4XXX系列的推出，解决了设计人员在穿戴式设备、人体贴片或给药系统设计中面临的许多挑战。该芯片直接通过连接生物电位电极来测量心脏信号，它能够测量皮肤电反应，以此跟踪压力或精神状态。ADPD4100提供8个输入用于测量光电流，8个电流源用于驱动LED，使用这样的芯片，就可以创建一个非常节能、小尺寸、经济高效的可穿戴VSM系统。
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