破解你的健康密码，从一颗模拟前端IC开始…….

如果要我们找出生活中的“刚需”，除去呼吸和吃喝这类维持人类生命活动的基本要素，恐怕就算是“健康医疗”了。而且随着全球人口老龄化的加剧，以及人们健康意识的增强，可以预见未来在与健康医疗相关的领域，无论是公共投资还是个人消费都将维持着一个持续稳定的增长。

对一个人进行医疗干预和健康保健的前提，就是要对其健康状况有一个准确的了解和诊断，这个过程就像是去“破解密码”，为此人们研发出了各式各样的技术手段——我们可以提取出血液等人体组织去做化验，也可以通过B超等影像学技术更直观地去观察，甚至是使用内窥镜直达病灶可能存在之处去探查……而与上述这些手段相比，还有一种无创、便捷的方法，那就是人体电位与阻抗测量法。简单地说，这种方法就是通过测量人体体表的一些电参数，并依据这些电参数指标与健康状况的关系，来进行检查和诊断。

这听上去很抽象，但如果联系到实际用例，你就不会感到陌生了。心电图（ECG）系统就是人体电位与阻抗测量法一个最典型的应用，它通过测量连接到人体上的两个电极间的差分电压或某一电极与多电极平均电压之间的差分电压，来反映和记录心脏的工作状态。为了更准确和全面的监测，通常会在人体不同部位放置电极，并通过导联线与心电图机相连，形成一个多导联的ECG系统。还有一个大家日常生活中接触更多的用例就是体脂机/体脂秤，它是利用脂肪不导电的原理，通过流经双手双脚的微弱电流来测量身体电阻，从而测定身体脂肪率（BFP）。

虽然人体电位与阻抗测量法的原理看上去并不复杂，可要想做好还是有不少难点。比如我们可以从人体体表“捕获”的信号通常非常微弱，且人体很复杂，周围噪声会很多，这就需要对从传感器输入的模拟信号进行“精心”的调理，提取出其中有用的信息并转换为数字信号，交给处理器去解读，这个过程需要一整套模拟前端（AFE）系统来完成。

值得注意的是，今天对于医疗设备的AFE方案来讲，上述在性能方面的高要求已经不再是其唯一的挑战。如今越来越多的医疗健康设备的应用，已经打破了以往在专业医疗机构中使用的局限，走入人们的日常生活中，这也成为了医疗健康市场一个强劲的增长点。而这种“民用”设备，除了要满足性能上的要求，在功耗、性价比、外形、易用性等方面也会对上游的AFE产品和方案提出更为苛刻的要求。

芯片厂商在做医疗设备AFE产品布局时，也不得不考虑上述的这些挑战，这样才能设计出适应今天及未来所需的产品。符合这样设计要求的AFE产品应该什么样？需要从哪些角度出发，解决用户痛点？今天就让我们一起，通过Analog Devices Inc.（ADI）的三款非常优秀的产品，来寻找相关的答案。

上文中提到过，心电图（ECG）系统是人体电位与阻抗测量的一个重要应用市场，针对ECG而优化的AFE当然是必不可少的。从图1我们可以看到一个单导联ECG系统中包括哪些部分。

图1：单导联ECG系统架构（图源：ADI）

传统的ECG的模拟前端设计是采用分立器件实现，这也就意味着每个导联都需要包括图1中所示的保护电路、缓冲、放大及滤波、ADC等功能电路模块，与之相对应，开发者需要应对诸多设计挑战，如：选料时众多的性能指标的考量、前端信号调理电路与ADC之间的匹配、保证通道之间的一致性、电路系统的调试、抗干扰和ESD防护等等。如果再考虑到大多ECG都是多导联系统，那么开发工作量将成倍地增加。

ADI对此给出的解决方案就是一颗高度集成的低功耗、5电极心电图（ECG）模拟前端，提供呼吸测量和脉搏检测——ADAS1000。由于所有的前端信号处理都在一颗单芯片内部实现，用户在开发时只需按照系统设计需求，通过数据接口实现关键寄存器的设置，外围电路设计只需几颗贴片阻容器件，大大缩短了ECG系统设计花费的时间；同时模拟前端部分的调试点也从以前分立解决方案的几十个减少到几个，让系统调试变得更简单。

图2：ADAS1000的系统框图（图源：ADI）

在提高ECG小信号采集质量方面，ADAS1000具有诸多特性，比如：多通道导联驱动选择、可选的参考驱动、快速过载恢复、三导联起搏检测算法，以及交流或直流导联脱落检测选项等。

而在功能性方面，ADAS1000充分考虑了不同ECG应用场景的需要，具有很强的可扩展性：一颗ADAS1000支持5个电极输入，为进行传统的6导联心电图测量提供了方便；而通过另外级联一个ADAS1000-2辅助器件，系统可以实现12导联测量；如果级联3个以上器件，系统可测量15条及以上的导联线。同时，除了5个ECG信号通道，ADAS1000还集成了呼吸和脉搏检测功能，支持通过测量患者的胸阻抗变化，显示出呼吸的程度或有无缺失，有利于丰富最终产品的功能。

ADAS1000另外一个值得圈点的地方，就是其低功耗的特性。用户在使用ADAS1000时可以方便地禁用任何不用的通道或特性，可以关闭信号采集通道，降低采样速率，或采用不同的数据帧速率，这使得一个导联的功耗可以降低至11mW。此外，ADAS1000采用了一种灵活的功耗/噪声调整选择，用户可以针对特定应用以“容忍适当噪声”为代价来降低功耗，或以提高功耗来降低噪声，这种灵活的策略也有利于低功耗特性的进一步改善。其实，从低功耗特性上，我们可以看出ADAS1000的市场“野心”：除了专业的诊断级设备，ADAS1000也可以帮助客户开发出便携式的产品，在消费级的民用市场开疆扩土。

除了上面这些特性以外，ADAS1000还有一个特殊的能力——能够检测并识别出心脏起搏器的伪像。当植入了起搏器的心脏病患者进行ECG测试时，医生需要能够检测到起搏器的存在并评估其效果。由于起搏信号的电气特征（伪像）由小而窄的脉冲构成且变化范围较大，往往会被淹没在噪声和较大的心电信号中，让ECG设备难于检测。而ADAS1000通过优化的电路设计和专门的算法，完美地解决了这个专业性的问题，这在用户选料时，无疑会是一个很重要的加分项。

目前，ADAS1000已经形成了一个很完整的产品系列，无论你是想开发专业级还是消费级的ECG产品，无论产品系统要求的繁简，都可以在ADAS1000产品组合中找到对应的解决方案。

图3：ADAS1000系列产品组合（图源：ADI）

在前文的分析中，我们特别提示过，医疗健康设备的“民用”化是一个大趋势，这需要相关的IC产品也做出相应调整。从ADAS1000这款产品身上，我们已经能够看到为此而做的优化。但在实际应用开发工作中，人们还是希望这种优化可以针对特定的细分市场更加“深入”下去。

在ECG领域中，ADI就选取了单导联ECG应用市场作为一个重点，推出了面向可穿戴应用的AD8232/8233模拟前端IC，它可在用户运动的过程中实现对其心电信号的提取、放大、过滤等功能。

图4：AD8232的系统框图（图源：ADI）

AD8232/8233在设计上显然继承了ADI其他AFE产品的很多技术优势，同时针对可穿戴ECG这个特殊的应用又做了不少特殊的设计。以AD8232为例，它的特殊优势体现在：

可以说，AD8232几乎解决了从电极到处理器之间的所有模拟信号处理问题，只需添加几个外围阻容元件即可完成整个系统的设计，可以根据需要与集成ADC的处理器，或“外置ADC+处理器”的组合使用，快速搭建起整套ECG系统。

在AD8232基础上，ADI又推出了AD8233，在一些关键性能上做了升级，在一些非专业的ECG设备市场，确立了明显的竞争优势。

图5：AD8232与AD8233特性比较（图源：ADI）

除了ECG，ADI在皮肤阻抗和身体阻抗的测量方面，也提供了一款性能优异、开发灵活的AFE芯片——AD594x。AD594x是一款高精度AFE，具有超低功耗模式，适用于便携式和电池供电系统，同时也可以支持医学临床和实验室中的高性能和诊断级应用。

图6：AD5940的系统框图（图源：ADI）

AD594x包括两个高精度激励环路和一个通用测量通道，能够满足多种测量需求。

• 第一个激励环路包括一个超低功耗、双通道输出串、数模转换器（DAC）和一个低功耗、低噪声恒电势器。该DAC的一个输出可控制恒电势器的同相输入，另一个输出控制跨阻放大器（TIA）的同相输入。该低功耗激励环路能够生成DC至200 Hz的信号。

• 第二个激励环路包括一个12位DAC，称为高速DAC。该DAC能够生成最高200 kHz的高频激励信号。

• 测量通道内置集成输入缓冲器的16位、800 kSPS多通道SAR模数转换器（ADC）、内置抗混叠滤波器和可编程增益放大器（PGA）。ADC前面的输入复用器允许用户选择输入通道进行测量，包括多个外部电流输入、外部电压输入和内部通道。电流输入包括两个具有可编程增益的TIA和用于测量不同传感器类型的负载电阻：第一个TIA（低功耗TIA），用于测量低带宽信号；第二个TIA（高速TIA），可测量高达200 kHz的高带宽信号。

AD594x测量模块可通过直接寄存器写入串行外设接口（SPI）或通过使用预编程的时序控制器（可自主控制AFE芯片）进行控制。器件提供8个通用输入/输出（GPIO），可使用AFE时序控制器进行控制，从而可对多个外部传感器套件进行周期精确控制。

AD594x包括两款器件：AD5940采用56引脚、3.6mm × 4.2mm WLCSP封装；AD5941采用48引脚7mm × 7 mm LFCSP封装。

图7：AD5940采用4线法的人体阻抗测量实例

（图源：ADI）

图7展示了一个基于AD5940采用4线法进行人体阻抗测量的实例。在这个典型的测量案例中，使用了一个高频回路，一个可编程的AC电压发生器来提供一个激励信号，另一个发生器提供一个共模电压以利于准确测量。由人体阻抗产生的电流由跨阻抗放大器进行测量，并由一个16位ADC进行模数转换。这个系统可以测量最高200kHz的信号，并提供100dB的SNR（@50Hz）。