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by Cosimo Carriero
簡介
生命體徵監測已經超越了醫療實踐的界限，進入了我們日常生活的許多領域。最初，生命體徵監測是在嚴格醫療監督下，於醫院和診所進行的。微電子技術的進步降低了監控系統的成本，使這些技術更容易廣泛應用在遠端醫療、體育、健身和健康、工作場所安全等領域，以及當今熱門的自動駕駛汽車市場。儘管有這種發展，但考慮到這些健康應用的性質，品質標準仍然很高。
生命體徵
監測生命體徵涉及測量一系列生理參數，這些參數可以指示個人的健康情況。心率是最常見的參數之一，可以通過心電圖檢測到心跳的頻率，最重要的是測量其變化。心率的變化往往基於活動量。在睡眠或休息期間，節律較慢，但在體力活動、情緒反應、壓力或焦慮後往往會增加。
心率超出正常範圍可能表明心動過緩（心率過低時）或心動過速（心率過高時）等疾病。呼吸是另一個關鍵的生命體徵。血液的含氧量可以使用光電容積脈搏波（SpO2）的技術進行測量。含氧不足可能與影響呼吸系統的疾病或紊亂發作有關。及其他可供身體狀況生命體徵指示，血壓、體溫和皮膚電導反應。皮膚電導反應，也稱為皮膚電反應，與交感神經系統密切相關，而交感神經系統又直接參與情緒行為的調節。測量皮膚電導率可指示患者的壓力、疲勞、精神狀態和情緒反應。此外，測量身體成分、體重和脂肪量的百分比以及營養程度可以清楚的表明一個人的臨床狀態。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，需要各種感測器，解決方案必須緊湊、節能且可靠。生命體徵監測包括：
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光學測量
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生物電勢測量
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阻抗測量
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使用MEMS感測器進行測量
光學測量
光學測量超越了一般半導體技術。為了進行這種類型的測量，需要一個光學測量工具箱。圖1顯示了用於光學測量的典型訊號鏈。需要光源（通常是LED）來產生光訊號，該訊號可能由不同的波長組成。多個波長的組合可實現更高的測量精度。還需要一系列矽或鍺感測器（光電二極體）將光訊號轉換為電訊號，也稱為光電流。光電二極體必須以足夠的靈敏度和線性度回應光源的波長。然後必須放大和轉換光電流，因此需要一個高性能、高能效的多通道類比前端，該前端可以控制LED，放大和濾波模擬訊號，並以必要的解析度和精度執行模數轉換。
圖1.用於光學測量的訊號鏈。
光學系統的封裝也起著至關重要的作用。該封裝不僅是一個容器，而且是一個具有一個或多個光學視窗的系統，可以過濾入射光和出射光，而不會過度衰減或反射，從而可能損害訊號的完整性。光學系統封裝還必須容納多個器件，包括LED、光電二極體以及類比和數位處理晶片，以創建緊湊的多晶元系統。最後，能夠創建濾光片的鍍膜技術，在對於選擇應用所需的光譜部分並消除不需要的訊號也至關重要。即使暴露在陽光下，應用程式也必須正常運行。如果沒有光學濾波器，訊號的大小可能會使類比鏈飽和，從而阻止電子設備正常工作。
ADI公司提供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。還提供完整的光學系統，將LED、光電二極體和前端集成到單個元件中，例如ADPD188GG。
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生醫電訊號和生物阻抗測量
生醫電訊號是由我們體內電化學活動的影響產生的電訊號。生醫電位測量的例子包括心電圖 （ECG） 和腦電圖。它們在多個干擾源且非常低幅度的訊號檢測。因此，訊號在處理之前必須被放大和濾波。ECG生物電位測量廣泛用於生命體徵監測，ADI公司為此提供了多種器件，包括AD8233、ADAS1000晶元系列和ADuCM3029。
AD8233專為可穿戴應用而設計，可與ADuCM3029（基於Cortex-M3®技術的晶片系統（SoC））結合使用，創建完整的系統。此外，ADAS1000系列專為高端應用而設計，具有低能耗的特點。它特別適用於電池供電的攜帶型設備，並且在功率和雜訊方面具有可擴充性（那表示，雜訊水準可以隨著功耗的比例增加而降低），使其成為ECG系統的絕佳整合解決方案。
生物阻抗是另一種測量方法，可以為我們提供有關我們身體狀態的有用資訊。阻抗測量提供有關我們的皮膚電活動、身體和水分狀態資訊。每個參數都需要不同的測量技術。每個電極所需的電極數量和施加電極的點可能隨著使用的頻率範圍而變化。
例如，在測量皮膚阻抗時使用低頻（高達200 Hz），而對於人體成分，通常使用50 kHz的固定頻率。同樣，使用不同的頻率來測量水分並正確評估細胞內和細胞外液。
雖然技術可能有所不同，但單個前端AD5940可用於所有生物阻抗和阻抗測量。該元件提供激發訊號和完整的阻抗測量鏈。可以生成各種頻率以滿足多種測量要求。此外，AD5940設計用於與AD8233配合使用，以創建全面的生物阻抗和生物電位讀取系統，如圖2所示。其他阻抗測量器件包括ADuCM35x系列SoC解決方案，除專用類比前端外，還提供Cortex-M3微控制器、記憶體、硬體加速器以及用於電化學感測器和生物感測器的通訊外設備。
圖2.具有生醫電訊號和生物阻抗測量功能的完整生醫電系統。
使用MEMS感測器進行運動測量
由於MEMS感測器可以檢測重力加速度，因此它們可用於檢測活動和異常情況，例如步態不穩，跌倒或腦震蕩，甚至可以監測受試者靜止時的姿勢。此外，MEMS感測器可用於補充光學感測器，因為這些感測器會受到運動偽影的影響;發生這種情況時，來自加速度計的資訊可用於進行校正。ADXL362是醫療領域最受歡迎的器件之一，是市場上能耗最低的3軸加速度計。它的特點是可編程測量範圍從2 g到8 g和一個數位輸出。
ADPD4000： 通用類比前端
目前市場上的可穿戴設備，如智慧手環和智慧手錶，具有各種監測生命體徵的功能。其中最常見的是心率監測器、計步器和卡路里計數器。還經常測量血壓和體溫，以及皮膚電活動、血容量變化（通過光電容積描記法）和其他指標。隨著監控選項數量的增加，對高度集成的電子元件的需求也在增加。ADPD4000具有極其靈活的架構，旨在幫助設計人員滿足這一需求。除了提供生醫電訊號和生物阻抗讀數外，它還可以管理光度前端、導頻 LED 和讀取光電 二極管。ADPD4000配備用於補償的溫度感測器和開關矩陣，可以導頻必要的輸出並採集單端或差分電壓訊號的訊號。輸出是可選的，可以是單端或差分，具體取決於ADPD4000所連接的ADC的輸入要求。該設備可編程12個不同的時間帶，每個時間帶專用於處理特定的感測器。圖3總結了ADPD4000在幾個典型應用中的關鍵特性。
圖3.ADPD4000 用於光度、生醫電訊號、生物阻抗和溫度測量。
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結論
隨著技術的進步，生命體徵監測將在各個行業和我們的日常生活中變得越來越普遍。無論是用於治療還是預防，這種與健康相關的解決方案都需要可靠和強大的技術。在ADI公司致力於信號處理的豐富產品群組中，生命體徵監測系統的設計人員將找到一系列解決方案來應對他們面臨的設計挑戰。
作者
Cosimo Carriero
Cosimo Carriero於2006年加入ADI公司，擔任現場應用工程師，為戰略和關鍵客戶提供技術支援。他擁有義大利米蘭大學物理學碩士學位。過去的經驗包括INFN，義大利核物理研究所，定義和開發核物理實驗儀器，與小公司合作，開發工廠自動化感測器和系統，泰雷茲阿萊尼亞航太公司，作為衛星電源管理系統的高級設計工程師。
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