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生命體征監測技術:如何對人體實施狀態監控

2020-11-27 來源:EEWORLD

簡介

 

生命體征監測已經超出醫療實踐的范圍,進入我們日常生活的多個領域。最初,生命體征監測是在嚴格的醫療監督下,在醫院和診所進行。微電子技術的進步降低了監控系統的成本,使這些技術在遠程醫療、運動、健身和健康、工作場所安全等領域更加普及和普遍,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質量標準。

 

生命體征

 

生命體征監測包括測量一系列能顯示個人健康狀況的生理參數。心率是最常見的參數之一,可以通過心電圖來檢測,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。

 

心率超出正常范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征。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征測量因素包括血壓、體溫和皮膚電導反應等。皮膚電導反應,又稱皮膚電反應,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、精神狀態和情緒化響應等狀況。此外,通過測量身體成分、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。最后,測量運動和姿勢可以提供有關受試者活動的有用信息。


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圖1.用于光學測量的信號鏈

 

測量生命體征的技術

 

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征,需要采用各種傳感器,且解決方案必須緊湊、節能和可靠。生命體征監測包括:

光學測量

生物電勢測量

阻抗測量

使用MEMS傳感器進行的測量


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圖2.一個完整的生物電和生物阻抗測量系統

 

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信號鏈。需要使用光源(通常是LED)來生成光信號,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。還需要使用一系列硅或鍺傳感器(光電二極管)將光信號轉化為電信號,也稱為光電流。光電二極管在響應光源的波長時,必須具備足夠的靈敏度和線性度。之后,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、放大和過濾模擬信號,并按照所需的分辨率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窗口的系統,可以過濾射出和射入的光,但不會產生過度的衰減或反射,從而損害信號的完整性。為了創建緊湊的多芯片系統,光學系統封裝還必須包含多個器件,包括LED、光電二極管、模擬和數字處理芯片。最后,一種能夠創建光學濾波器的涂層技術也是選擇應用所需的光譜部分和消除不需要的信號所建議的。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,信號的大小會使模擬鏈飽和,使得電子器件不能正常工作。

 

ADI公司提供一系列光電二極管和各種模擬前端,能夠處理從光電二極管接收到的信號并控制LED。也提供完整的光學系統,它將LED、光電二極管和前端集成到一個器件中,例如ADPD188。

 

生物電勢和生物阻抗測量

 

生物電勢是一種電信號,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,檢查極低幅度的信號。因此,在對信號進行處理之前,必須對其進行放大和濾波。ECG生物電勢測量廣泛用于生命體征監測,ADI公司提供多種組件來執行此任務,包括AD8233、ADAS1000芯片系列。

 

AD8233專為可穿戴應用設計,可與ADuCM3029(基于Cortex?-M3的片上系統(SoC))相結合,創建一個完整的系統。此外,ADAS1000系列專為高端應用而設計,具有低能耗高性能的優點,特別適合由電池供電的便攜式設備,且功率和噪音可擴展(即,噪聲水平可以隨著功耗的增加成比例降低),是非常適合clinical級別的應用的出色集成解決方案。

 

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信息。阻抗測量提供有關電化學活動、身體成分和水合狀態的信息。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范圍而異。

 

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,通常使用50 kHz固定頻率。同樣,為了測量水合作用,并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。此器件提供激勵信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專用于和AD8233配合使用,用于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。其他用于阻抗測量的器件包括ADuCM35x系列SoC解決方案。除了專用的模擬前端之外,該解決方案還提供Cortex-M3微控制器、內存、硬件加速器和用于電化學傳感器和生物傳感器的通信外設。

 

使用MEMS傳感器進行的運動測量

 

由于MEMS傳感器可以檢測重力加速度,所以它們可用于檢測活動和異常,如不穩定的步態、跌倒或腦震蕩,甚至是在受試者休息時監測其姿勢。此外,MEMS傳感器還可作為光學傳感器的補充,因為后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信息來進行校正。ADXL362是醫療領域的熱門器件之一,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的可編程測量范圍和數字輸出。


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圖3.ADPD4000用于實施光電、生物電勢、生物阻抗和溫度測量

 

ADPD4000:通用模擬前端

 

目前市面上提供的可穿戴設備(例如智能手環和智能手表)都提供多種生命體征監測功能。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(通過光電容積脈搏波),以及其他指標。隨著監測選項的數目增加,對高度集成的電子組件的需求也不斷增加。ADPD4000采用極為靈活的架構,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和讀取光電二極管。ADPD4000配有一個用于補償的溫度傳感器和一個開關矩陣,可以引導所需的輸出和獲取信號,無論是單端信號或差分電壓信號均可。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。該器件可以編程采用12個不同的時間帶,每個專用于處理特定的傳感器。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,生命體征監測在各行各業,以及在我們的日常生活中都變得越來越普遍。無論是用于治療還是預防,這種與健康有關的解決方案都需要采用可靠有效的技術。設計生命體征監測系統的人員將能夠在ADI專用于實施信號處理的大量產品系列中找到一系列解決方案來應對他們面臨的設計挑戰。

 


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